隧道工程中岩爆的防治与应对

周永林

(京福闽赣铁路客运专线有限公司)

在岩石地下工程中，比较常见的一类地质灾害就是岩爆，就岩爆的狭义概念来讲，主要是由于高地应力区地下洞室在进行挖掘的过程中，岩体应力会进行释放，这个时候岩块就会从地下洞口飞射出去。而岩爆的广义意义指的是一种地质灾害，这种地质灾害是出现在硬岩的隧道施工中，包括的形式有动力破坏和静力破坏，一般情况下，动力破坏比静力破坏的破坏程度更大。就全球范围内来看，岩爆的突发性和高发性严重影响着地下施工，不但严重影响着施工的进度，同时会对人们的生命财产造成相应的威胁，所以引起了广泛的关注，故笔者针对隧道工程中岩爆的防治与应对策略进行相应的阐述，论述内容如下:

1 岩爆的特征以及产生的条件

岩爆是出现在隧道施工中围岩层的破坏现象，一般情况下伴有剧烈的响声以及岩体碎块的震动、反射等，出现这种状况的原因有两点，这两点分别是内因和外因，其中内因包括山体的本身有着比较高的地应力，这样岩体的本身就储存了比较大的应变能。或者是由于围岩本身比较完整，但有一些裂缝，这些裂缝中储存了大量的能量，很容易引起岩体本身的变形，导致破坏。其中外因指的是岩体具有足够的上岩厚度，或者是岩体环境中没有地下水，会导致岩体的干燥，再有就是进行挖掘的过程中，由于断面形状不规则，局部的应力就会集中。以上是导致岩爆的条件。

表1 岩爆强度综合分级表

笔者参与施工的京福铁路北武夷山隧道北武夷山隧道DK528+580～DK530+610、DK530+680～ +940、DK531+380～+900、DK532+320～570地段为高应力区;DK528+450～DK529+580极高应力区，开挖过程中出现岩爆。

2 岩爆的机理

在进行岩爆机理的研究过程中，中外专家没有得到共识，所以笔者从两方面上进行分析，这两方面主要是静力学理论和动力学理论。

2.1 静力学理论

在进行隧道施工的过程中，遇到高地应力或者是硬脆性的环境，其稳定性趋于失衡的时候，会导致岩爆的形成，主要指的是切应力无限接近于围岩的压缩强度，在进行隧道的施工中，经常会用这一点用作判断的依据。

(1)强度理论观点

这里所说的强度理论观点主要是指围岩承受过大的应力，在过大应力的作用下失稳的一种状态，这个现象可以运用格里菲斯的理论进行解释，同时也可以运用摩尔—库伦准则进行相应的解释。

(2)能量学观点

从能量学的角度来进行考虑，岩爆的发生主要是围岩中聚集了太多的能量，当承受不住的时候，产生了释放，也就说其弹性应变能的释放，对于弹性应变能，进行判断的依据主要是弹性应变的指数。

(3)断裂以及损伤理论

针对岩体的材质而言，比较容易出现裂缝以及损伤，而岩爆的出现与这一点也是有着密切的关系，所以早已存在的小断面也较容易出现岩爆。

2.2 动力学理论

动力学理论主要是指通过人为开挖而出现的一种地质灾害，并不是自然灾害，在进行开挖的过程中，由于每个围岩的环境不一样，所以出现的情况也不一样。

在进行钻爆法进行开挖的过程中，要运用各炮层的顺序进行起爆以及周边眼起爆之后进行开挖，与此同时，瞬间的大幅卸载以及岩爆事件的本身也会产生一种叠加效应，其中最为显著的是处于一种双向受压和一侧临空的情况，有巨大破坏潜力的扰动，这样，围岩就非常容易发生变动，这些应力的波动会随着环境的变动而不断的恶化，一旦受到外界的刺激，就会发生大规模瞬间的动力扩展，围岩失稳，这点就是围岩的动力学理论机制。

图1

3 岩爆的防治与应对

3.1 隧道岩爆的预测

岩爆主要是基于高应力的条件下出现的一种破裂现象，所以可以根据所开发地段的地应力进行相应的评估，在实际的评估过程中，可以运用的理论比较多，主要可以分为两种方法，一种是理论法，这种方法是经过长时间的理论基础沉积下来的，例如应力判据法和脆性指标法等。第二种方法为实测法，顾名思义，这种方法主要是运用实际的仪器对将要开发的现场进行检测，例如超前地质预报法等。但是在实际的应用中，两种方法都有缺陷，笔者介绍的方法是根据围岩的切向应力，运用数据来进行计算。

3.2 关于岩爆的预防措施

在进行隧道开挖的过程中，应该主要以顺应自然环境为主，进行人为的调整相关因素，从加工以及设计等加强岩爆的防范，这样可以在一定程度上减轻岩爆的发生率。

(1)从隧道的设计上进行防范

对于地质灾害，应该主要侧重于防治，在选择隧道地址的方向上，应该首先要避免有岩爆倾向的地段，在选好地址的时候，应该从隧道轴线以及断面的设计上进行预防，主要将隧道的轴与最大主应力的方向平行，这么做的好处可以有效的改善隧道的结构受力条件。

(2)在施工过程中对于岩爆的防治

①改善围岩的物理力学的性能

在具体的施工过程中，通过隧道的掌子面以及洞璧的喷水或注水可以有效的促进岩壁的软化，让围岩没有那么干燥，有效降低危险表层的强度与能量，注水的同时也可以有效的使裂缝进行扩展，降低其弹性应变能的能力。

②人为的提供给围岩变形的空间

在实际的开挖过程中，为了有效的降低其高应力，可以提供给围岩一定的空间，例如分部开挖，这样可以有效的解除应力。通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使洞壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时可在掌子面上打设5～6个超前钻孔，深15～20 m左右，既可以起到超前钻探地质的作用，又可以起到释放掌子面应力的作用。在实际的施工过程中，可以有效的进行岩爆的防治，但是在实际的工作中，要根据具体的情况进行具体的分析，要根据现场围岩的质地以及地应力的大小来进行决定。

③运用合理的开挖方式

在进行开挖的过程中，对于爆破的方法要及时的进行优化，采用适当的药量，并且进行间隔性的装药，增加起爆雷管的数量的同时减少药量，用“短进尺、多循环”，这样可以有效的提高光爆的效果。再有一点，就是要经常性的组织挖掘人员的培训，在培训的过程中有效的提高人员的素质，这样也可以在很大程度上减少岩爆的发生。在实际的工作中，有条件的情况下，最好是运用TBM来代替钻爆，这样可以从减少震动的同时进行爆破。

(3)加固隧道的支护设施

合理的运用锚喷支护可以及时的对围岩面进行加护，在一定程度上提高围岩体自身的强度，让围岩体与加护设备结合成一个共同体，共同来抵御岩爆的发生。

4 简述岩爆的防治

(1)在工程勘测阶段首先应该进行细致的地应力的测量，通过详细的计算分析所处环境的具体情况，对岩爆做到早期的并且主动的预防，这是预防岩爆最基础的措施。

(2)分别从宏观和微观的角度对地质遗迹力学进行研究，分别分析岩石单轴的过程和低围压下三轴的试验，这样做的目的是揭示岩爆的机理，让施工人员了解其具体情况，可以为下一次的隧道施工积累重要的经验。

(3)要想测定岩爆的具体规律，可以运用进行施工的岩爆超前预测报来进行评定和预测，有助于掌握岩爆的情况。

(4)最后就是加强支护，对于这一点是防止岩爆的重要一点，这样做的目的主要是为了优化所处洞室的不规则形状，并且可以有效的改善周围岩体的状态，有效的改善其较大的地应力。

5 讨论

由于岩体本身的性质决定了岩爆发生的概率，而岩爆的发生也具有高发性和突发性等特点，所以在实际的隧道施工中，应该尽可能的减少岩爆发生的概率，深刻以及全面了解导致岩爆发生的诱因，理论与实际紧密的结合起来，从隧道的设计开始，到每一部工程的建设，将防治落实到实处，提高施工者的素质。在技术支持上，有条件的情况下，最好要运用损伤性比较小的设备，爆破的药物也要少量多次，提高隧道工程施工的安全性。在实际施工过程中，岩爆在隧道施工中经常发生，岩爆的动力学理论，由于缺乏相关深入的研究，所以还没有提出相对有效的超前预报方法和控制措施，所以对于岩爆而言，研究相应的围岩动力学机制，是未来岩爆研究中的热点。

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