隧道岩爆预测及防治施工技术研究

涂齐亮 闫苏涛 钟传江 王元荣

（1.中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006；2.中国铁路青藏集团有限公司 青海西宁 810000）

1 前言

岩爆是在高地应力条件下，隧道洞室开挖后还未来得及做初期支护，或者初期支护已做完但因其强度不够而发生的围岩失稳的现象，是岩体的一种突然剧烈的动力破坏现象，是高地应力岩石隧道中危害最大的地质灾害之一。岩爆对隧洞本体结构、围岩稳定、支护结构、机械设备以及施工人员心理造成重大伤害和严重影响，准确预报岩爆的强度、发生时间、岩爆形式对于减轻岩爆灾害保证施工安全具有重要意义。本文以拉林铁路岗木拉山隧道岩爆施工为背景，根据现场岩爆特征总结了岩爆规律，结合规律分析了岩爆影响因素，总结了隧道岩爆预测及防治施工技术的一些经验，为今后岩爆隧道的施工提供借鉴。

2 工程地质概况

岗木拉山隧道位于西藏自治区米林县境内，岗木拉山隧道起讫里程DK346＋340～DK358＋000，全长11 660 m，其中单线隧道长11 357 m，车站隧道长303m，隧道最大埋深1 800m。里龙车站伸入隧道进口端，DK346＋340～DK346＋643段为车站大跨段。线路纵坡为 1‰／1 400 m、3‰／4 100 m、-6.0‰／6 430 m、-3.0‰／500 m的人字坡，隧道洞身DK347＋163.334～DK347＋546.830段位于R＝3 000 m的左偏曲线上，其余段落均位于直线上。

隧道沿线区域位于西藏自治区东南部，地处雅鲁藏布江桑加峡谷地貌，两岸均为极高山。地形起伏较大，隧道进出口段皆位于冰川沟内的缓坡，坡度为5°～10°，基岩岩性以闪长岩、片麻岩为主，加之地处高原，地表多荒芜。山高谷深，气候极端恶劣。山脉呈东西向纵贯延展，谷岭相间，地势起伏跌宕，区内山势雄伟，海拔较高，测区内高点位于线路右侧山脉，最低点为雅鲁藏布江河谷。隧道范围内覆盖层主要为第四系全新统坡残积成因的碎石土，崩坡积成因的碎石土，冲洪积的砂土、细、粗圆砾土、卵石土及漂石土，第四系上更新统冰水堆积层砂土、碎石土及块石土，下伏基岩为早白垩系英云闪长岩及闪长岩、新远古-中元古界念青唐古拉岩群八拉岩组片麻岩。隧道穿越里龙活动断裂，该断裂以61°与线路于里程 DK351＋575～DK351＋675相交，该断裂呈北北西-近南北走向，断裂横穿雅鲁藏布江，全长约65 km，DK349＋500附近为里龙断裂（为活动断裂），对工程影响大。隧道埋深较大，最大埋深1 800 m，区域应力场较高。

3 岩爆规律分析

2016年7月至2017年10月份，岗木拉山隧道平导和正洞不同里程段发生了岩爆，平导和正洞大约在里程DK348＋300左右出现岩爆现象，岩爆主要集中在爆破后4 h内，4 h以后稍微减弱，岩爆部位集中在新开挖的掌子面及周边岩壁。岩爆发生后，伴随有噼啪声和清脆的爆裂声，拱顶和拱腰处岩石主要为片状和块状剥离掉落（见图1），随后集中在某处连续以块状、甚至板状掉落，并形成爆坑，偶有弹射现象发生。

图1 局部剥落

岩爆大多发生在埋深较大的地段，并且随工程开挖逐步深入、埋深逐渐增大的同时，发生频率也随之增多。岩爆除了在掌子面上发生，还多发生在距掌子面距离为0.5～3 m的岩壁上，此外，在支护完后距离掌子面3～10 m也有产生岩爆对初支造成破坏的情况；岩爆大多发生在隧道拱顶和右拱腰处，存在明显的时间效应，一般在开挖后0～8 h发生，在爆破后的0～4 h最为强烈，4～8 h稍微减弱，8 h后发生频率进一步降低；也存在支护完1～10 d后岩爆对初支造成破坏的情况。

4 岩爆成因分析

4.1 埋深

岩爆与隧洞埋深存在一定的关联，一般情况下，地应力是随着埋深变化的，随着埋深增加，地应力表现为增大的趋势，这种增大不仅仅表现为只存在自重应力时，即使有构造应力时也存在这种趋势，所以埋深越大，开挖时对应产生岩爆的烈度和频率就可能越大。不仅地应力的大小随埋深的改变而变化，而且其方向也随埋深而发生改变，根据国内外对地应力测得的数据［1-7］，大多情况下当埋深小于1 000 m时，水平方向的主应力占主导，当埋深大于1 000 m时，垂直方向的主应力占主导。从现场岩爆规律来看，岩爆大多发生在埋深大于500 m的地段，且有埋深越大产生岩爆强度越强烈的规律。

4.2 岩性

国内外发生岩爆案例很多，从这些岩爆案例分析，能发生岩爆的洞室围岩都有一个共同特征，即岩石都比较新鲜完整、质地清脆且坚硬、抗压强度较高，没有或者较少的结构裂隙；相反，结构破碎、弹性模量低、岩石质地软、含水量高是不易发生岩爆的［8］，这种岩性即使发生岩爆也是轻微岩爆，表现不出弹射。从已发生岩爆的工程实例中可发现，岩爆大多发生在闪长岩、石英岩、片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩、正长岩、大理岩、花斑状大理岩等岩体中［9］，这些岩石的共同特征是坚硬而性脆，当围岩卸荷应力集中达到其极限强度后，岩石就会急剧破坏。从能量的角度出发，上述岩石在破坏之前都能够储存较大的弹性能，也就是这类岩石弹性能量指数较大，破坏时释放的能量也就越大，这种能量就是岩爆产生的动力。岗木拉山隧道范围岩性主要为闪长岩、片麻岩，单轴抗压强度大于60 MPa，性脆，符合岩爆发生的岩性条件。

4.3 最大地应力方向

从现场岩爆规律来看，当洞身走向与地表沟壑平行时更易产生岩爆，地表沟壑走向往往反映了地应力特征，说明洞身走向与最大主应力平行时，更易产生岩爆。

4.4 开挖方式

在高地应力地区修建隧道时，洞室开挖卸荷之后，围岩的初始地应力平衡状态被破坏，应力进行了重新分布，在围岩壁产生了应力集中效应，当集中应力达到一定数值，就可能将围岩壁岩块挤压坏并给其一个初动能使其弹射出来，同时集中应力进行了释放，就产生了岩爆［10-11］。高地应力条件是岩爆发生的外因。围岩壁应力集中程度不仅与岩体开挖前的初始地应力有关，而且与施工方法和开挖洞室的形状等工程因素有关。一般情况下，圆形洞室周边应力分布较均匀，没有明显应力集中超高点，而非圆形洞室洞壁应力集中不均匀，有的部位如拐角点处的应力集中程度较高，发生岩爆的概率也会较大［12］，所以岩爆与爆破效果有很大的关系，从施工现场来看，掌子面爆破效果好，则周边开挖轮廓线较圆顺，岩爆发生的概率就较小；爆破效果差，开挖轮廓线凹凸不平，就会增加很多较高的应力集中点，岩爆的概率就会大很多。此外，开挖进尺也影响岩爆，进尺越大围岩一次释放的应力也就越大，就更容易产生岩爆，从现场施工经验来看，进尺小于2.5 m时，岩爆发生的概率明显降低。

岩爆的发生机理很复杂，从现场岩爆规律来看，岩爆的发生主要和埋深、岩性、最大主应力方向、开挖方式有关，因此岩爆的预测和防治主要围绕这四个因素进行。

5 岩爆预测预报

5.1 岩体结构分析

通过对岩爆发生段岩性、岩体结构等的统计分析，得出岩爆发生的岩性及岩体结构条件，以此为依据进行岩爆宏观判断。

5.2 应力解除法

地下埋深处的任何一点都处于三向应力状态，如果人为地将某一点的应力解除，必然会发生弹性变形，用应变片测试其应变量，然后利用弹性力学公式就可计算出其初始地应力。岗木拉山隧道采用应力解除法测试了地应力，最大主应力普遍在20～30 MPa之间。

5.3 岩爆预测结果

采用卢森岩爆判别法对隧道段落进行了判别，判别结果为：DK316＋816～DK346＋915等段落无岩爆，DK348＋710～DK348＋814等段落为轻微岩爆，DK348＋880～DK349＋057等段落为中等岩爆。针对预测到有岩爆的地段，施工中应采用有针对性的防治措施，有效防止岩爆的发生。

6 岩爆控制技术

针对岩爆等级（轻微、中等、强烈）采取相应的施工措施，主要从高度机械化施工、软化围岩、释放围岩应力及加强支护措施等方面控制岩爆的发生。

6.1 轻微岩爆

（1）开挖进尺严格控制在3 m以内，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动，每循环垂直掌子面钻6～8个孔径不小于70 mm的应力释放孔，深度4～10 m，并向孔内压水。

（2）在开挖面上洒水，软化表层，促使应力释放和调整，减少岩石弹射的概率，并在爆破后及时施作初期支护，衬砌紧跟，尽可能减少岩壁裸漏的时间，要根据结构面特征和前期经验，判断是否有大块体剥落，并做好相应的防护工作，确保施工安全。

（3）开挖过程中严格采用“短进尺、多循环”开挖理念，加强光面爆破效果，严格控制周边孔装药量，尽量采用弱爆破，周边孔布置间距易控制在40 cm以内，采用隔空装药，减少对围岩的扰动，使隧道周边圆顺规则，减少局部应力集中发生的可能性，降低岩爆发生的强度。

（4）打设锚杆（见图2），锚杆采用直径22 mm长2 m砂浆锚杆，锚杆尾端均需设垫板并与初喷密贴，钢筋网片钢筋直径6mm，间距为25 cm×25 cm，视情况可布设双层或多层。如产生了大面积剥落或三角坑较大时要及时采用 18型钢支护（见图3），间距在0.5～1 m之间。

图2 打锚杆挂网片

图3 设立钢拱架

6.2 中等岩爆

除采取上述微弱岩爆的措施外，在施工中还应采取以下措施：

（1）开挖进尺严格控制在3 m以内，尽可能全断面开挖。

（2）在隧道开挖断面轮廓线外10～15 cm范围内，在拱部和侧壁打设一定数量注水孔，并向孔内注射高压水，软化围岩，减少弹射，同时促使围岩内部的应力释放。

（3）每循环垂直掌子面钻8～10个孔径不小于70 mm的应力释放孔，深度4～10 m，并向孔内压水。

（4）岩爆发生后，立刻停止所有施工活动，人员马上撤离，确保安全之后，进行工作面的记录，如岩爆的位置、强度、类型、数量、规模等。

（5）拱部及边墙最大跨以上设置3 m长YE25-5涨壳式预应力中空锚杆，间距1.0 m×1.0 m，锚杆必须设置垫板，钢筋网片钢筋直径6 mm，网格间距25 cm×25 cm，并加大初支喷混凝土的厚度至8 cm。

（6）在岩爆剥落造成三角坑宽度不大于1 m，深度≤50 cm采用同标号喷射砼回填处理；爆坑深度＞50 cm的采用C20砼回填处理；爆坑范围较大的是否采取立架等特殊处理措施由四方现场确认。

6.3 强烈岩爆

除采取上述中等岩爆措施外，在施工中还应采取以下措施：

（1）掌子面沿拱墙开挖轮廓周边先施作6 m深超前应力释放孔，环向间距1.5 m，纵向间距20 m，单孔长度25 m。

（2）拱墙初喷钢纤维混凝土或C25合成纤维混凝土，拱墙设置 14型钢，纵向间距1.0 m。

（3）拱墙设置4 m长YE25-5涨壳式预应力中空锚杆，锚杆长度2.0 m，间距1.0 m×1.0 m，锚杆必须设置垫板，柔性钢筋网片直径8 mm，网格间距25 cm×25 cm。

7 结束语

（1）岗木拉山隧道岩爆主要发生在爆破后的4 h内，主要表现为拱顶和拱腰的片状或块状剥离掉落，形成爆坑，较少出现弹射现象。

（2）通过现场岩爆特征，确定岩爆影响因素主要为洞室埋深、围岩岩性、最大主应力方向、开挖方式等。

（3）采用应力解除法对原始地应力进行了测试，并用卢森岩爆判别法对岩爆进行了预测，结果表明岗木拉山隧道大部分段落为轻微岩爆或者中等岩爆。

（4）针对不同强度岩爆提出了相应的防治措施，包括控制开挖进尺、洒水、注水、控制爆破、打设锚杆、设立钢拱架以及爆坑处理等，通过一系列措施在现场的应用及改进，确保了岩爆段落的施工安全。