浅谈隧道岩爆的特征和处理方法①

陈洪波

(中国铁建股份有限公司，北京 100855)

浅谈隧道岩爆的特征和处理方法①

陈洪波②

(中国铁建股份有限公司，北京 100855)

通过对秦岭隧道II线平导开挖过程中岩爆发生的地质条件、岩爆特点和破坏机制分析，总结出了在开挖过程中采取的一些措施，为岩爆防治提供借鉴。

岩爆;地质特征;施工方法;秦岭隧道

0 引言

岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，它是由于岩石积聚的应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，多余的能量导致岩石碎片从岩体中剥离、崩出。强烈的岩爆常常带来灾难性的后果，如人员伤亡、施工设备毁损甚至地下工程报废等等。在分析岩爆发生机制时，人们注意到，地下洞室岩爆是岩体由于几何及力的边界条件发生变化导致岩石材料力学性质发生改变，从而导致岩体突然失稳，这种失稳是一种突变现象［1-3］。

岩爆的发生与很多因素有关［4-5］，包括:(1)近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，该部分能量超过了岩石自身的强度;(2)围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小;(3)埋深较大(一般埋藏深度多大于200m)且远离沟谷切割的卸荷裂隙带;(4)地下水较少，岩体干燥;(5)开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。另外，岩爆还与施工顺序，支护方式及爆破、地震有关，这些因素表现为影响围岩的应力分布，或是当围岩处于临界平衡时，动力扰动使围岩失稳。

1 秦岭隧道地质情况

西康铁路秦岭隧道位于青岔车站和营盘车站之间，由两座单线隧道组成。I线全长18460m，采用全断面掘进机施工，设计为直径8.8m的圆形断面;II线全长18456m，采用钻爆法施工，先期施工平导，其断面积为28.3m2(4.9×6.3m)，担负着地质钻探、地质预报、不良地质地段加固，为I线TBM正常施工服务的功能。秦岭隧道地处北秦岭中山区，该地区的岩层由经历了多期变质作用，岩浆活动和混合岩化作用的复杂岩石组成，其中I～Ⅱ类围岩占21.7%，IV类约占35.2%，V～VI类围岩占43%，岩性以混合片麻岩、混合花岗岩为主，并间隔发育。II线平导在施工过程中，由于围岩受高地应力及地质构造影响，岩爆发生频繁，对II线平导快速掘进造成严重影响，对机械及人身安全造成极大威胁，给施工带来了很大的困难。

1.1 主要地层与岩性情况

秦岭隧道洞身出露地层以混合岩类为主，根据混合岩强度可以分为三个带。

第一带:DYK68+670～ DYK70+780，以混合花岗岩为主，灰白色夹浅肉红色，中粗粒花岗变晶结构，块状构造，大部分岩石受地质构造作用影响较重，结构面发育，III级围岩为主。

第二带:DYK64+370～ DYK68+670、DYK70+780～DYK 79+590，以混合片麻岩为主，呈条带状不规则相间分布，中粗粒变晶结构，条带状、眼球状、片麻状构造，片麻理产状块状为N40°W～EW/50°～ 75°S、N10°E ～ EW/15°～ 40°S，结构面较发育至不发育，I～Ⅲ级围岩均有分布。

第三带:DYK79+590～ DYK82+821，以含绿色矿物混合花岗岩为主，灰至灰绿色，局部夹浅肉红色和灰白色，中粗粒花岗变晶结构，块状构造，大部分岩石受地质构造作用影响较重，结构面发育，III级围岩为主。

1.2 地质构造和应力情况

秦岭隧道位于北秦岭褶皱断裂带中部，历经3个旋回，为一多旋回褶皱系。该地区岩浆活动频繁，变质作用复杂，褶皱断裂发育。经过多期构造运动的影响及长期发展演化，其内部组成和构造变形十分复杂。因北秦岭褶皱构造带的主要构造方向为近东西向，所以隧道通过区的断层也以近东西向为主。断层有53条，其中区域性断裂三条(F2、F4、F5)，地区性断裂9条，小断层41条，除断层外，岩体中结构面也很发育，分布复杂。勘测和施工阶段地应力测试显示，隧道区位于高应力区，最大主应力方向为近南北向。

2 秦岭隧道岩爆特征及发生原因

2.1 岩爆特征

2.1.1 岩爆段的岩性情况

施工过程中统计，从发生岩爆的岩性来看，除一段发生在混合花岗岩外，其余岩爆都发生在混合片麻岩中。混合片麻岩片麻理构造较发育，节理不发育至较发育，岩体多呈巨块状整体结构或大块状砌体结构，几乎所有岩爆段的岩体都呈干燥无水状态。

2.1.2 岩爆段的埋深情况

从岩爆段的垂直埋深看，最大埋深1615m，最小埋深仅50m，但4段最强烈的岩爆埋深都在900m以上，轻微和中等岩爆则可能发生在任何埋深。岩爆在隧道断面上主要分布在两侧拱部，个别段发生在两侧边边墙，4段最强烈岩爆发生在整个断面。

2.1.3 岩爆段的声响情况

高应力段隧道施工中，新开挖的工作面附近可听到岩体内部的岩体开裂声，如:平导开挖至DYK77+172里程，出碴后测量时，听到掌子面发出沉闷的开裂声，声音从开挖20分钟后出现，持续到开挖完6个小时左右。

2.1.4 岩爆体的爆落情况

岩爆的爆块有薄片状、透镜体状、板状和块状，大小差别很大，小至数厘米，大至几米。轻微岩爆的爆块以薄片状居多;中等岩爆多为片状和透镜状爆块，大小不等，最大爆块接近2m;在强烈岩爆中，地种形状的爆块都有，最大的达到3.4m。轻微岩爆爆坑不明显，中等岩爆留下相当明显的岩爆坑。岩爆坑的边缘多为阶梯面，其中一组破裂面与开挖洞壁基本平行，与洞壁夹角0°～5°，表现为明显的张性破裂;另一组与洞壁斜交，与洞壁夹角为20°～25°，表现为张剪破裂。前一组爆裂面以沿片麻理形成的新鲜破裂面为主，少数迁就原生裂隙面，后一组爆裂面多为新鲜破裂面。爆块断面电镜扫描分析表明，爆裂面以张性为主，局部有剪切破裂现象。

2.1.5 岩爆频率和距离、时间的关系

II线平导岩爆区段一般发生在掌子面后9～100m的范围内，根据现场的监测数据岩爆频率和掌子面距离的关系曲线如图1，岩爆频率和时间的关系曲线如图2。

2.2 原因浅析

图1 岩爆频率和掌子面距离的关系曲线图

图2 岩爆频率和时间关系曲线图

如前所述，秦岭隧道主要由混含片麻岩、混含花岗岩组成，岩爆段多为围岩脆硬、抗压强度高、没有或极少裂隙、无水的岩层中。在隧道开挖过程中，洞壁上逐渐集中的切向应力，使局部岩体中与切向应力方向一致的原生微裂隙、微节理或软弱面，沿切向应力方向劈裂扩展、分支、联合，形成宏观张裂破裂面，将洞壁附近岩体劈裂成板状;破裂面扩展到一定程度就会受到边界的限制，要么改变方向，向临空面(洞壁)方向继续劈裂扩展，要么沿与洞壁斜交的软弱面发生剪切，要么板状岩体在较大切向应力作用下发生压弯折断，使板状岩体破裂成形状各异的岩块;当破裂面扩展到洞壁时，破裂岩块自身积聚的应变能和稳定岩体释放的能量转化为破裂岩块的动能，破裂岩块获得一定的初速度向临空方向弹射出来。由此可见，岩爆的形成和发生经历了张性破裂、破裂成块和岩块弹射三个变形破坏阶段。

3 岩爆段施工采取的措施

如前所述，秦岭隧道在施工期间发生岩爆是不可避免的，在II线平导出口段施工过程中，根据岩爆的特征，结合现场的实际情况，施工中主要从三个方面进行处理。一是认真分析其发生规律，加强地质超前预报;二是加强岩爆段的支护和安全防护;三是调整围岩的应力状态，主动消除或减轻岩爆。

3.1 岩爆评估和地质超前预报

1)在具备岩爆条件的隧道段施工过程中，提前针对围岩特性及地应力条件，评估岩爆发生的概率和强度等级。

2)岩爆发生前，通常有一定的声响发出，有经验的施工技术人员可以根据声响及时对岩爆的发生做出初步的判断。

3)隧道开挖后，洞壁周围围岩应力重新分布，会导致围岩变形。利用这一原理对围岩变形进行超前监测，根据位移变化速率判断围岩稳定情况，决定是否可进入下部工序施工。

3.2 加强岩爆段的支护和安全防护

1)增设临时防护设施，如:给施工人员配备钢盔、防弹背心等，给施工设备安装防护网和防护棚架，掌子面可加挂防护钢丝网。

2)对轻微强度的岩爆，利用爆破后通风时间让其应力释放约40分钟，在确保施工人员的安全前提下，及时清除危石。

3)对中等强度的岩爆，采取先躲避1～2小时，再清理危石，组织出碴，然后喷射钢纤维混凝土，此时围岩仍不稳定，采取打锚杆(在原喷射层上)，再复喷钢纤维混凝土。

4)对非常剧烈的岩爆，爆破后则必须采取躲避措施，将人员和机械撤至安全地带，岩爆减弱后不宜马上出碴，要从安全地带开始喷钢纤维混凝土至掌子面，再打锚杆，再复喷钢纤维混凝土，最后出碴。

3.3 调整围岩的应力状态，主动消除或减轻岩爆

3.3.1 喷洒高压水

爆破后立即向工作面及附近的洞壁岩体喷洒高压水，以降低岩体的强度，增强塑性，减弱岩体脆性，降低岩爆的强度;同时也以起到降温除尘的作用。也可以利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水，以取得更佳效果。

3.3.2 调整钻爆设计

在施工中采取“短进尺、弱爆破”以减少对围岩的扰动。现场操作中，针对原钻爆设计中21个周边眼，14个二圈眼采用同一段雷管起爆的药量大、能量高，对围岩扰动大，应力集中现象。将全断面一次性开挖调整为拱部、墙部分段爆破，再辅之以短进尺，每个循环控制在1.5m～2m，同时减少装药量，减轻爆破对围岩的影响，减小爆破动力场叠加，降低爆破频率和强度，减弱岩爆。

3.3.3 超前爆破释放应力

即在施工中，一边释放应力，一边掘进，使岩体原始应力提前释放，使之不发生岩爆或减弱岩爆强度，但是应力释放只能起到降低围岩应力的作用。主要做法是:钻孔台车在工作面钻眼时，在掌子面周边拱线处(底板除外)等间距超前钻4.5～5.0m 深的炮眼12个，外插角25°～35°，装药500～750g Φ40mm的4号抗水铵梯岩石炸药，并与主体炮同时起爆。这样可以在拱部2～3m以上的岩石内形成一个爆破松动圈，围岩主应力在松动圈分解成径向应力和切向应力，围岩内部原始应力集中区域也因为爆破震动得到调整，围岩整体应力得到改善，使原始应力水平得到有效降低。

除采用上述措施外，施工中还采用了锚网喷联合支护。锚杆长度一般大于2.5m，间距视现场情况而定，类型一般选用机械式锚杆、摩擦锚杆或膨胀锚杆;湿喷钢纤维混凝土，钢纤维掺量为每立方米混凝土为70～80kg。

5 结语

秦岭隧道的岩爆给隧道施工带来了很大的困难，在参与建设的各方共同努力下，现场技术人员摸索出了一套较为适用的岩爆处理措施，保证了施工安全，确保了隧道顺利贯通，本文总结了秦岭隧道II线平导出口段施工过程中遇到岩爆的特征以及针对岩爆采取的一些措施。随着能源地下储存、核废料深埋处理、深部矿产资源开采及高地应力地区的隧道建设等大量地下工程建设的发展，深入分析研究岩爆发生机理、条件、提出岩爆的预测和控制方法对于确保工程安全具有非常重要的意义。

［1］ 许东俊，章光，李庭芥，等.岩爆应力状态研究［J］. 岩石力学与工程学报，2000，19(02):169-172

［2］ 杨涛，李国维.基于先验知识的岩爆预测研究［J］. 岩石力学与工程学报，2000，19(04):429-431

［3］ 蔡美峰，王金安，王双红.玲珑金矿深部开采岩体能量分析与岩爆综合预测［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(01):38-42

［4］ 周青春，李海波，杨春和.地下工程岩爆及其风险评估综述［J］. 岩土力学，2003，24(增刊):669-673

［5］ 伍颖，王颖，李俊.基于岩性与应力的岩爆条件试验研究［J］. 爆破，2009，26(02):23-25

Discussion on tunnel rock burst characteristics and construction method

CHEN Hongbo

(China Railway Construction Corporation Limited，Beijing 100855)

Analyze Rock burst the geological conditions，characteristics and damage mechanism in Parallel adit on No.II line of Qinling tunnel.At the same time，Summarize some measures taken in mining process，which provides reference for prevention of rock burst.

Rock burst;geological feature;construction method;Qinling tunnel

U455.6

A

1672-7169(2012)01-0025-03

2011-11-10。

陈洪波(1974-)，男，山东乳山人，大学毕业，中国铁建股份有限公司高级工程师，现从事铁路建设施工及管理工作。