12-超深埋隧道高（極高）地應(yīng)力地段巖爆施工工法

1、<p>　　超深埋隧道高(極高)地應(yīng)力地段巖爆施工工法</p><p>　　中鐵十二局集團(tuán)有限公司 中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司</p><p>　　楊鮮明 李建軍 鄭捷 李宗治</p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　世界各國對巖爆的研究由來已久，在巖爆的發(fā)生機(jī)理、巖爆類

2、型和烈度分級、巖爆預(yù)報(bào)預(yù)測方法和巖爆的工程治理等方面都取得了長足的進(jìn)展，但是，巖石本身性質(zhì)的復(fù)雜性和工程地質(zhì)條件的多樣性等原因決定了巖爆問題研究具有相當(dāng)大的難度，對巖爆的預(yù)測預(yù)防方法還很不完善。</p><p>　　巖爆問題是一種具有實(shí)際工程背景的巖石力學(xué)問題，所以，巖爆的工程研究方法是巖爆研究方法的另一個主要方面。在實(shí)際工程中，工程研究方法主要集中在巖爆的類型和烈度分級研究、巖爆的預(yù)報(bào)預(yù)測研究和巖爆防治的工程措

3、施等幾個方面。</p><p>　　大相嶺泥巴山隧道屬于超深埋高地應(yīng)力特長公路隧道，地應(yīng)力高，極易發(fā)生巖爆，本工法針對大相嶺泥巴山特長公路隧道巖爆事故頻發(fā)的工程現(xiàn)狀，施工中通過對高（極高）地應(yīng)力環(huán)境下圍巖的地應(yīng)力及巖石單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，對不同埋深條件下地應(yīng)力分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對巖爆烈度進(jìn)行了預(yù)測，在中度巖爆地段采用了打設(shè)超前鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除、加強(qiáng)光爆控制、噴灑高壓水軟化巖面、縮短循環(huán)進(jìn)尺、噴射混凝土中外摻超細(xì)

4、沸石粉和速凝劑的方法。在極高地應(yīng)力強(qiáng)烈?guī)r爆地段通過打設(shè)超前錨桿鎖定圍巖、增設(shè)鋼架、脹殼式錨桿和柔性鋼筋網(wǎng)支護(hù)，并輔以中度巖爆施工措施等方法，安全通過了烈度不同的巖爆地段，取得了良好的施工效果。</p><p><b>　　2.工法特點(diǎn)</b></p><p>　　2.1通過對巖爆烈度進(jìn)行預(yù)測，針對不同烈度巖爆合理確定支護(hù)參數(shù)，減少了資源浪費(fèi)，節(jié)約了投資，加快了施工進(jìn)度

5、。</p><p>　　2.2通過打設(shè)超前鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除，降低了巖爆可能造成危害的程度，保證了施工安全。</p><p>　　2.3通過采用脹殼式錨桿支護(hù)，使錨桿可與不規(guī)則鉆孔面密貼，達(dá)到了高地應(yīng)力地段徹底鎖定圍巖的目的。</p><p>　　2.4通過在噴射混凝土中外摻超細(xì)沸石粉，使混凝土在一小時內(nèi)達(dá)到終凝，起到了早強(qiáng)支護(hù)效果。</p><p

6、>　　2.5該施工方法解決了深埋特長公路隧道高地應(yīng)力巖爆難題，擴(kuò)展、豐富了隧道施工領(lǐng)域，對促進(jìn)我國乃至世界隧道施工技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。</p><p><b>　　3.適用范圍</b></p><p>　　本工法適用于所有高地應(yīng)力隧道。</p><p><b>　　4.工藝原理</b></p>&

7、lt;p>　　施工中對巖爆的防治目前大多數(shù)是從弱化圍巖及改善圍巖的應(yīng)力條件等方面進(jìn)行闡述，在這里我們借助醫(yī)學(xué)的角度從“防”巖爆及“治”巖爆的角度進(jìn)行劃分，而“防”又可以細(xì)分為“積極的防”和“被動的防"兩種。</p><p>　　“防”巖爆的方法主要有：采用短臺階、超前小導(dǎo)洞開挖法；施工爆破中優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)；隧道掌子面和洞壁噴水或鉆孔注水；提前釋放高地應(yīng)力；噴射鋼纖維混凝土等施工方法。</p&g

8、t;<p>　　“治”巖爆的方法主要有：采用新型退火鋼絲網(wǎng)；邊墻應(yīng)力釋放；局部打設(shè)脹殼式錨桿等施工方法。</p><p>　　5.施工工藝流程及操作要點(diǎn)</p><p><b>　　5.1施工工藝流程</b></p><p>　　超深埋高（極高）地應(yīng)力地段巖爆施工工藝流程見圖5.1：</p><p>　　圖

9、5.1 超深埋高（極高）地應(yīng)力地段巖爆施工工藝框圖</p><p><b>　　5.2操作要點(diǎn)</b></p><p>　　施工中應(yīng)對巖爆進(jìn)行認(rèn)真研究，分析其發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，確定合理的“防”、“治”措施。</p><p>　　5.2.1工中所采取“防”巖爆的方法</p><p>　　1、工法中對巖爆的“防"：

10、臺階法(兩臺階、三臺階等)、超前導(dǎo)洞法；根據(jù)彈性理論計(jì)算因開挖產(chǎn)生的高應(yīng)力在圍巖中的影響是有限的。圍巖中的應(yīng)力集中最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)閞/ro≈1．5(ro為隧道開挖半徑)。分步開挖時，ro減小則影響區(qū)域減少，由此使圍巖中釋放彈性能的區(qū)域也相應(yīng)減小，有利于抑制巖爆和降低其程度。且無論在理論上還是實(shí)踐上均驗(yàn)證分部開挖及超前導(dǎo)洞法對于中等巖爆及輕微巖爆有一定的抑制作用，尤其對于輕微巖爆的防治效果非常明顯。</p><p>

11、　　2、光面爆破技術(shù)中的“防”： 優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，減少周邊孔間距，使炮眼間距不大于50cm，采用Φ20小藥卷不偶合裝藥，增加起爆雷管數(shù)以減少同段起爆藥量，提高光爆效果，盡量減少誘發(fā)巖爆的因素。加強(qiáng)對開挖作業(yè)人員的培訓(xùn)，提高業(yè)務(wù)素質(zhì)，使隧道開挖周邊圓順，減少局部的應(yīng)力集中。需要特別指出的是由于目前我國的生產(chǎn)力水平較低且人工費(fèi)廉價，造成我國幾乎所有隧道的鉆眼、放炮都采用人工作業(yè)，其職業(yè)素質(zhì)將直接影響光面爆破效果，由此加強(qiáng)隧道施工工人的作業(yè)素質(zhì)

12、是十分必要的。</p><p>　　3、在隧道掌子面和洞壁噴水或鉆孔注水：對已開挖成形的邊墻、頂拱和開挖成形掌子面及時進(jìn)行噴水，降低脆性，又可除塵，以增強(qiáng)抵抗地應(yīng)力引起變形的能力，從而減少巖爆的發(fā)生。此外，由于巖體是由含有大量節(jié)理的非連續(xù)介質(zhì)構(gòu)成的，而節(jié)理面是結(jié)構(gòu)弱面的一種，那么鉆孔高壓注水可以使水順著節(jié)理面向巖體的各個方向滲入，提前釋放彈性應(yīng)變能并將洞壁圍巖最大切向應(yīng)力向圍巖深處轉(zhuǎn)移，同時劈裂注水可產(chǎn)生新的張裂

13、隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低巖體儲存彈性應(yīng)變能的能力。</p><p>　　4、超前應(yīng)力解除爆破：在巖爆強(qiáng)烈發(fā)生地帶可采取應(yīng)力釋放措施。即在施工過程中，一邊應(yīng)力解除，一邊掘進(jìn)，在洞室未開挖之前使巖體原始應(yīng)力得以釋放，以減緩開挖后的圍巖應(yīng)力。其施工方法：從掌子面起沿拱部周邊向前方打超前斜孔，在孔底裝藥爆破形成一定厚度的人工破碎帶，且洞壁保持一定厚度的完整巖層作為安全距離。對巖爆特別劇烈地段，噴水或鉆孔注水促進(jìn)圍

14、巖軟化，緩釋圍巖應(yīng)力，降低劇烈?guī)r爆的危險性。</p><p>　　5、噴射混凝土或噴射纖維混凝土：該做法的出發(fā)點(diǎn)是給圍巖一定的徑向約束，使洞室周邊的圍巖狀態(tài)較快的從平面應(yīng)力轉(zhuǎn)向三維應(yīng)力狀態(tài)，以達(dá)到抑制或延緩巖爆發(fā)生的目的。</p><p>　　6、待避：使用的巖爆預(yù)防措施沒有達(dá)到預(yù)計(jì)的效果，當(dāng)巖爆發(fā)生時，應(yīng)徹底停機(jī)、待避，補(bǔ)充工作面的觀察并記錄巖爆，對掌子面、邊墻及拱項(xiàng)進(jìn)行仔細(xì)檢查，并選取

15、合理的支護(hù)加固措施。</p><p>　　7、作業(yè)范圍內(nèi)人員的安全防護(hù)：危險期作業(yè)人員穿防砸背心，防砸鞋，可以有效的預(yù)防由于巖爆產(chǎn)生的較小石塊的擊傷，并派有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)生異常時及時撤離作業(yè)人員。</p><p>　　5.2.2 施工中所采取“治”巖爆的方法</p><p>　　1、新型退火鋼絲網(wǎng)：在一定條件下，對于采用了“防"的辦法沒有達(dá)到預(yù)期的

16、效果亦可以采用新型退火鋼絲網(wǎng)進(jìn)行治理，當(dāng)巖爆影響的深度較深，可以采用懸掛新型退火鋼絲網(wǎng)及噴射超細(xì)沸石粉混凝土相結(jié)合的方式進(jìn)行治理。</p><p>　　2、邊墻應(yīng)力釋放孔：通過其他巖爆防治手段不能達(dá)到巖爆防治的要求時，可以采用在邊墻打設(shè)應(yīng)力釋放孔的辦法進(jìn)行治理，且該方法無論是在理論上還是實(shí)踐上均得到了驗(yàn)證，能夠有效的治理巖爆；</p><p>　　3、局部打設(shè)脹殼式錨桿：巖爆段存在危石的部

17、位，可以采用脹殼式錨桿進(jìn)行加固，對圍巖進(jìn)行膨脹鎖定，防止由于巖爆產(chǎn)生振動造成危石的掉落，降低由于巖爆而產(chǎn)生的附屬影響。</p><p><b>　　6.材料與設(shè)備</b></p><p><b>　　6.1主要材料</b></p><p>　　超深埋高地應(yīng)力隧道巖爆施工工法主要采用的材料有超前錨桿、拱架，脹殼式錨桿、噴射混

18、凝土、超細(xì)沸石粉（主要化學(xué)成分為Si02+AL203,經(jīng)過機(jī)械研磨成粒徑327.7m×10.9的無機(jī)中性粉狀材料）、速凝劑、鋼纖維等，以大相嶺泥巴山隧道為例，主要材料及用量見表6.1。</p><p>　　表6.1 主要材料用量表</p><p><b>　　6.2機(jī)具設(shè)備</b></p><p>　　主要機(jī)具設(shè)備及數(shù)量見表6.2。&

19、lt;/p><p>　　表6.2 主要機(jī)械及器具配備表</p><p><b>　　7.質(zhì)量控制</b></p><p>　　7.1 工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　本工法嚴(yán)格按照J(rèn)TGF60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。</p><p>　　7.2 質(zhì)量保障措施</p>

20、<p>　　7.2.1嚴(yán)格按材料進(jìn)場程序?qū)γ洑な藉^桿進(jìn)行抽檢，不合格的產(chǎn)品嚴(yán)禁使用。</p><p>　　7.2.2優(yōu)化噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按施工配合比組織施工，尤其是外摻材料與速凝劑的摻量控制要嚴(yán)格。</p><p>　　7.2.3鋼筋網(wǎng)、鋼筋拱架或格柵安裝要緊貼巖面。</p><p><b>　　8.安全措施</b><

21、;/p><p>　　8.1 對每次發(fā)生的巖爆進(jìn)行觀察記錄，記錄包括巖爆發(fā)生在開挖后的時間、里程、地質(zhì)、斷面部位、巖爆前的聲響、爆破數(shù)量、彈射的速度及距離等，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出本隧道巖爆的一般規(guī)律和特殊規(guī)律，據(jù)此以指導(dǎo)其它巖爆段的施工。</p><p>　　8.2根據(jù)巖爆發(fā)生的規(guī)律，放炮后一定要待巖爆現(xiàn)象穩(wěn)定后才能進(jìn)入工作面。如作業(yè)時發(fā)生巖爆，及時撤離作業(yè)人員至安全地段待避，巖爆穩(wěn)定后，方可進(jìn)行

22、作業(yè)。</p><p>　　8.3在掌子面及其附近巖爆地帶加掛鐵絲帷幕，可增加作業(yè)場所的安全，保護(hù)鑿巖人員和機(jī)具。</p><p>　　8.4在鑿巖臺車、裝載機(jī)等機(jī)械上設(shè)防護(hù)頂棚。</p><p>　　8.5洞內(nèi)作業(yè)時設(shè)專人值班警戒，重點(diǎn)是易爆地段，人員密集或人員常來回地段。在巖爆危險段增加照明，并設(shè)警告牌。 </p><p>　　8.6每次

23、放炮派專人到掌子面監(jiān)聽巖爆發(fā)生前的聲響，以此來分析其巖爆的可能性和嚴(yán)重性，決定是否停工待避。 </p><p>　　8.7洞內(nèi)管線設(shè)備和人行道布置在巖爆危害較小的一側(cè)。</p><p>　　8.8對進(jìn)洞施工人員進(jìn)行巖爆知識普及和安全須知的教育；對臨時進(jìn)洞人員也向其交待注意事項(xiàng)。</p><p>　　8.9施工中應(yīng)嚴(yán)格按國家、地方相關(guān)安全操作規(guī)程進(jìn)行操作。貫徹執(zhí)行“

24、安全第一、預(yù)防為主”的方針。</p><p><b>　　9.環(huán)保措施</b></p><p>　　為確保工程所在地區(qū)的環(huán)境得到有效的保護(hù)，嚴(yán)格執(zhí)行國家和工程所在政府的環(huán)保政策、法律和法規(guī)，本工法采取以下環(huán)境保護(hù)措施。</p><p>　　9.1 成立對應(yīng)的施工環(huán)境衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)，在工程施工過程中，嚴(yán)格遵守國家和地方政府下發(fā)的有關(guān)環(huán)境保護(hù)的法律、

25、法規(guī)和規(guī)章制度。</p><p>　　9.2項(xiàng)目經(jīng)理部組織項(xiàng)目部全體職工進(jìn)行環(huán)境保護(hù)知識學(xué)習(xí)，增強(qiáng)環(huán)保意識，在施工作業(yè)中對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)采取有效措施。</p><p>　　9.3噪音防治：施工場所噪聲不得超過90分貝，如有超出，首先應(yīng)檢查風(fēng)機(jī)消聲器的工作性能，其次是改裝或增設(shè)消聲器。</p><p>　　9.4 降低粉塵濃度，可采用通風(fēng)降塵、灑水降塵、濕式鑿巖、巖壁

26、沖洗等措施。</p><p><b>　　10.效益分析</b></p><p>　　10.1本工法針對不同烈度巖爆地段確定合理的支護(hù)參數(shù)，減少了資源浪費(fèi)，節(jié)約了投資，加快了施工進(jìn)度。</p><p>　　10.2降低了巖爆發(fā)生時可能造成的危害程度，保證了施工安全。</p><p>　　10.3 該施工方法解決了深埋特長

27、公路隧道高地應(yīng)力巖爆難題，擴(kuò)展、豐富了隧道施工領(lǐng)域，對促進(jìn)我國乃至世界隧道施工技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。</p><p><b>　　10.1 經(jīng)濟(jì)效益</b></p><p>　　通過打設(shè)超前錨桿鎖定圍巖、超前鉆孔進(jìn)行應(yīng)力解除、加強(qiáng)光爆控制、噴灑高壓水軟化巖面、縮短循環(huán)進(jìn)尺、增設(shè)鋼架、打設(shè)脹殼式錨桿和柔性鋼筋網(wǎng)，在噴射混凝土中外摻超細(xì)沸石粉和速凝劑等新型有效的綜合技

28、術(shù)應(yīng)對措施，與傳統(tǒng)施工工藝相比（如單一采用全斷面開挖，采用藥包錨桿，噴射鋼纖維混凝土，在相同的爆破設(shè)計(jì)前提下），節(jié)約投資50萬元，見表10.1所示。</p><p>　　表10.1 節(jié)約工程投資金額估算表</p><p><b>　　10.2 社會效益</b></p><p>　　本工法由于其安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，有利于廣泛推廣應(yīng)用；該工法

29、在實(shí)施過程中，措施得當(dāng)，從未發(fā)生安全事故，提高了施工進(jìn)度，得到了建設(shè)單位的高度贊賞，取得了良好的社會效益。</p><p><b>　　11.應(yīng)用實(shí)例</b></p><p>　　四川省雅（安）瀘（沽）高速公路大相嶺泥巴山隧道全長10007m，單口掘進(jìn)5130米，為全國單口隧道掘進(jìn)之最，地質(zhì)情況極為復(fù)雜，隧址區(qū)將穿越多條大斷層和多條支斷層破碎帶，隧道最大埋深1648米