夏存宝
丽水市丽通工程监理有限公司 浙江丽水 323000
【摘要】隧道施工中发生岩爆的原因与隧道埋深大、初始地应力高且岩体完整坚硬等因数影响很大。本文依托仙居至庆元公路庆元银屏山隧道,采取设计与实践相结合的方法,开展隧道岩爆预测和防治措施研究。结果表明:银屏山隧道在埋深200米以上、岩石单轴饱和抗压强度较高且开挖面地下水贫瘠时，岩爆现象时有发生，反之，以上任一条件不满足时，银屏山隧道无岩爆发生。结合银屏山隧道实际情况,施工中采取合理开挖方法、设置临时防护网、对掌子面及附近围岩喷洒水、在掌子面打应力释放孔等手段相结合以控制岩爆灾害。其结论可为类似地质条件下岩爆区段隧道施工及防治提供参考和借鉴。
一、关键词:岩爆的成因；岩爆预测；防治措施
近二十多年，我国公路交通基础性建设投资一直保持稳步增长趋势，公路建设中隧道施工已比较常见，尤其山岭重丘区隧道占比比较大，在山岭重丘区修建隧道经常会遇到软弱围岩、高地应力、断层破碎带等不良地质，如隧道处于埋深大、地应力高及围岩强度大等地质时，隧洞开挖会促使围岩中弹性应变能急剧释放，岩石呈片状剥落或弹射飞出，即会出现“岩爆”现象。对施工人员、机械施工安全带来较大威胁，易发生岩爆地段隧道施工时，岩爆现象的发生主要受控于围岩初始地应力和岩体力学性质,隧道断面形式、高地应力、地下水情况及隧道开挖方法等对岩爆情况的发生具有较大的影响。为研究施工中控制岩爆的发生及探索合理经济的施工措施，本文以仙居至庆元公路控制性工程庆元银屏山隧道为依托，采用理论和合理控制措施相结合的方法,开展隧道岩爆防控研究,保证施工人员、机械安全，以便为类似地质条件下岩爆区段隧道施工及防治提供参考和借鉴。
二、工程概况
仙居至庆元公路是浙江省省道公路网调整中规划的一条横线，庆元银屏山隧道工程是仙居至庆元公路中的一段，其中银屏山隧道为本项目控制性工程，隧道进出口桩号 K17+815~K20+807,全长2992m，属长隧道，隧道最大埋深约550m。其中III级围岩1540m，占比52%，IV级围岩1325m，占比44%，V级围岩127m，占比4%。
三、岩爆地段预测
根据设计图纸，隧道勘察工作是在充分收集区域地质资料的基础上,采用钻探、物探、原位测试、室内试验等综合方法，查明隧道区的地层岩性、地质构造、不良地质、水文地质等工程地质条件。对隧道所在区域的地形、地貌、工程地质特征和水文地质条件作出评价。根据控制隧道围岩稳定的各项因素，分段确定隧道围岩级别。
根据地应力计算推测隧道在经过K18+500~K20+080路段长约1580m（隧道埋深206~547m）存在高地应力情况，其中K19+560~K19+665（隧道埋深497~547m）处存在极高地应力。高地应力：硬质岩，岩心时有饼化现象，开挖过程中偶有岩爆发生，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差；极高地应力：硬质岩，岩心常有饼化现象，开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，围岩易失稳，成洞性差。
根据银屏山隧道地应力测试报告，对于银屏山隧道的中-微风化凝灰岩围岩单轴强度值较高，具备发生赋存高应力并突然释放发生岩爆的岩性条件:当埋深≧520m<870m时，岩体结构完整区段(Kv>0.75)，可能会发生I级轻微岩爆。银屏山隧道最大埋深为550m左右，不存在I级以上岩爆的埋深区段，部分区段存在岩爆可能性较低，但不排除发生轻微岩爆的可能，极高地应力段应加强重点防范。
四、隧道设计、施工阶段的防治措施
结合银屏山隧道高地应力段可能发生岩爆的情况，在隧道设计及施工阶段均采取了相应的措施。
1、设计阶段
（1）、针对隧道开挖及成洞后受力特点，隧道开挖轮廓局部曲率半径愈小，应力愈加剧等特点，设计选择了合理的隧道断面形状，以改善围岩的应力状态。
（2）、理想的开挖方法和开挖程序对围岩应力有至关重要的影响，做好开挖方法和开挖程序的选择，是控制隧道岩爆发生的必要条件，本隧道在极高地应力段开挖方法要求采用台阶法施工。
2、施工阶段
对于岩爆防治措施，在施工阶段尤其重要，勘察阶段的分析预测结果受地质条件勘察结果可靠性及勘察技术水平限制等因素影响，设计阶段预测结果往往与实际有不同程度的偏差。施工阶段开挖揭露的地质信息更准确、直观，所以施工中提前做好防范措施，对施工人员提前进行安全技术交底等尤为重要。
银屏山隧道在施工时，当进口端掘进550m左右时（距离设计存在高地应力段尚有130m左右）即发生了轻微岩爆现象，偶尔有响声，犹如鞭炮声，拱顶岩体有剥落，无弹射。也再次证明了设计阶段理论高地应力段与实际存在的偏差。针对隧道发生的岩爆现象，银屏山隧道采取了改变开挖施工方法、对掌子面及附近围岩喷洒水、在掌子面上打应力释放孔等施工措施，较好的控制了岩爆现象的发生。
（1）、采用台阶法及短进尺施工
银屏山隧道初现岩爆地段处III级围岩段，原采用的为全断面开挖方法，将全断面一次开挖法改为台阶开挖法，使应力逐步释放，以减轻岩爆灾害的严重性，同时还便于对浮石的处理和支护；
控制循环开挖进尺一方面能减轻爆破对围岩的扰动，另一方面围岩聚集的能量较少,围岩有充分的时间通过小规模破裂或者塑性变形释放变性能,这样会降低一次性岩爆的强度和规模。
（2）、加强光面爆破效果、及时支护
对于高地应力段，调小了周边眼间距及装药量，采用导爆索（俗称红线爆破）引爆，隧道轮廓面比较平顺光滑,避免了局部超欠挖产生的应力集中，能更好地发挥围岩的自承能力作用,使隧道周边围岩不受破坏或少受破坏,不易出现掉块或坍塌、高地应力区也对岩爆有很好的控制作用。
岩爆地段在洞室开挖完后，应尽快进行初期支护，围岩不宜暴露时间过长。若锚喷网联合支护结构用作永久支护结构时，必需通过实验和观察取得充分的依据，岩爆地段对衬砌与围岩联合作用的要求较高。超挖部分也应采用同级混凝土回填。
（3）、掌子面及附近围岩喷洒水、在掌子面上打应力释放孔
对隧道中可能存在的轻微岩爆和中等岩爆段，采取在掌子面上打应力释放孔（超前转孔），对预测估计可能发生岩爆的位置施钻浅孔,深度一般控制在循环进尺，钻孔垂直于掌子面,可降低局部围岩结构受力面,增加围岩集中应力,促使布孔范围内围岩产生塑性变形，释放弹性变性能，使围岩应力集中带向围岩内部转移，宏观作用效果是软化了围岩结构,进而降低围岩强度。
隧道在深埋、围岩岩体坚硬完整且处于干燥状态下，更容易发生岩爆现象，针对此种情况采取喷水软化围岩或利用炮眼及锚杆孔向岩体深部注水措施，目的是降低围岩强度及温度，增强其塑性，减弱其脆性，最终降低岩爆的剧烈程度,工艺简单易操作。在银屏山隧道后续施工，当遇到富水段，未出现岩爆现象，也再次证明了水对岩爆的抑制作用。
（四）、被动防护
对施工钻爆台车进行改造,在台车上方及侧面设立钢筋防护网，防止突然发生的岩爆飞石对施工人员及施工机械的损伤，对挖掘机、装载机驾驶楼顶加焊8mm厚钢板，给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心,主要防止弹射型岩爆造成的机械人员伤害。在支护区设专职安全员,随时观察围岩状态，当听到围岩内部有闷雷似的响声时，尽快撤离人员及设备。
四、结论??
综上所述，岩爆防治措施在隧道施工中具有重要意义，结合银屏山隧道防岩爆措施的具体实践情况，岩爆不良地质防治措施建议如下:(1)采用合理开挖法及控制循环开挖进尺使应力逐步释放；（2）加强光面爆破效果、及时支护，确保隧道轮廓面平顺光滑,避免局部产生应力集中，及时进行初期支护，围岩不宜暴露时间过长。（3）爆破后对掌子面及附近围岩喷洒水，软化围岩、减弱其脆性，降低岩爆的剧烈程度，在掌子面上打应力释放孔软化围岩结构,降低围岩强度。（4）采取被动防护措施，防止弹射型岩爆造成的机械人员伤害。随时观察围岩状态，发现险情，尽快撤离人员及设备。
参考文献：
[1]苏交科集团股份有限公司. 仙居至庆元公路庆元银屏山隧道工程施工图设计第二册
[2]李永华. 复杂条件高地应力隧道岩爆预测及防治关键技术研究[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2016, 02(v.12;No.134):200-203.