高地应力隧道施工安全预防处理

王应权

（中铁十七局集团有限公司，山西 太原030006）

岩爆是指在深埋地下施工过程中一种常见的动力破坏现象，当物体受到了大量的高弹性应变时，会破坏岩体结构的平衡导致岩爆出现，使得岩石脱落喷出，这是较难预测的，也具有非常强大的破坏性。会给施工人员和机械设备造成巨大的安全风险。因此，岩爆现象也会对类似交通水利矿山等地下工程建设带来危害，影响发展。本文将分析岩爆的发生和形态，并结合具体的施工措施以及预防措施进行分析。

1 地层应力分析

首先对地层条件的应力进行分析，隧道的主要应力是由构造应力和自重应力相结合，与隧道夹角约为53 度，利用应力测试结果得到应力分布的回归方程，并估算了相应的隧道应力大小。由于复杂的结构和压力容易发生岩爆，有一个清晰的声音为岩块和区域岩石脱落，这会导致早期的开裂，尤其在相交处的复合应力非常大，所以岩爆经常会发生，一般表现为岩体脱落。岩爆弹射岩体声音比较大，没有相应的措施将会对施工产生较大的影响。

从工程地质研究的角度来看，从岩爆的工程实际统计，岩石破裂容易引发在新鲜和完整的纹理上。纹理样貌相对复杂，含水量较少，且具有非常少的裂缝。例如砂岩、花岗岩、闪长岩、石灰岩等，同时具有良好的储能条件，当爆破时，其弹性形变量将会更大，发生岩爆的可能性也会越大，这样的情况往往会发生在高埋深地下工程上。

2 导致塌方原因

隧道塌方是指隧道施工掌子面开挖后，在重力作用下，部分或全部岩体发生塌方的一种地质灾害现象。通过调查，将隧道塌方风险分为地形、地质因素、设计因素、开挖因素、施工因素和监测因素等六种因素。恶劣的地形地质条件，隧道工程地质条件复杂地层覆盖较薄的断面，通过有地表水源如水库、水库、沟、沟等地区，当岩体、膨润土层、浅埋段、流砂层和严重偏压段长期受地下水浸泡时，开挖后极易发生塌方。

目前普遍认为，岩爆坍塌是在隧道开挖后，原始围岩的完整性被人为破坏，原有的机械平衡系统被破坏，形成了“围岩”空化后，围岩应力分布引起围岩应力调整，调整后的围岩应力超出其极限承载力极易形成岩爆。除了岩体的初始应力外，围岩的岩性和产状也决定了崩塌风险的发生。近年来的资料，对隧道施工塌方的统计数据发现，一般隧道岩爆塌方与施工条件及设计提供的处置方法是相关的。

3 岩爆条件

一般的岩爆风险都发生在深埋地区或者是高低应力地区，在围岩中，其饱和抗压极限小于30 兆帕，在力学性能方面，围岩强度可以承受的重量而引起形变，或者能够抵抗围岩的破坏，围岩一般不会出现大变形。隧道围岩中的某些矿物与水发生反应后发生膨胀，这也就造成了隧道大变形的一个重要原因。其次是支撑条件，在一般情况下，隧道支护结构不足以提供相应的支护力，无法获得较好的形变，而当有效的束缚没有时，岩体就开始发生形变，因此必须采用正确的支撑结构。防护支撑的质量和及时的支护也可以在很大程度上科学地进行控制，而相反支护措施如果不利的话，施工方法不科学，支撑质量不达标，即使在较好的地质条件下也不容易保证安全，反而更容易产生较大的围岩形变，所以如果支撑太少或者支撑不及时，支撑应用不科学的工法时，这将不能够保证足够的支撑力，从而使围岩变形，不能得到及时的控制而造成大形变的灾害。

冲击是由岩体强度、岩体状态或者岩体应力组成的，其状态形变特征、岩石结构、地层岩性强度、地下工程布置以及施工等因素综合产生的结果。而隧道施工过程中岩爆风险主要产生满足两个条件，第一个是有足够的形变力，第二则是有足够的应力集中。

4 岩爆预测方法

在我们的施工过程中，我们必须要进行围岩的量测检测。例如形变检测、应力检测等等，采集岩爆前后岩石的各个物理参数，并进行总结分析。而对于传统的地质预测手段，例如红外探测、地质雷达等，由于目前工作设备的限制不能很好地反映岩体的情况，再结合其他类似的工程，如采用先进的微震监测、地质预测方法，这样就可以实现对前方围岩应力的检测。在发生岩爆的概率位置和大小进行分析，以便提前采取措施，保证工程的安全可靠进行。

微震监测系统主要通过声学、地震学、地球物理学以及强大的计算机计算功能，对微震事件进行准确的定位分析。对于该系统来说，其工作原理是在外界的作用下，在弹性材料的内部进行检测，由于弹性材料内部产生局部弹性能，伴随着弹性的发生就会有弹力波和应力波，这样我们就可以实时地利用绘图机和在三维空间中进行实时的显示。

5 岩爆的治理措施

为了保证高地应力隧道施工的安全可靠，进行岩爆隧道施工应坚持以下几个原则。要提前预防采取积极的措施进行建设。确保岩爆地区的施工是安全可靠的，并且降低岩爆的危害。岩爆隧道的施工过程中，首先，需要提前进行洒水来降温释放形变能。将最大形变力传递深部，用高压注水来降低和软化岩体。高压注水产生了新的裂痕，这样就可以降低岩体储存的应变力。其次是改善围岩物理的性能，经常性在施工掌子面和岩石壁上喷洒冷水，这样会降低岩体表面的强度。

施工前期，首先我们需要进行培训并对培训效果进行鉴定以及检查相应的应急预案。其次对机械装备的适应性以及操作规程进行相应的检查。第三对现场施工人员需要进行岗前培训实行，持证上岗，并配备必要的安全防护用具。

在开挖时，对于开挖的方式以及爆破的方法要严格控制，要随时做好岩爆情况监控。及时核对施工区域与设计文件的符合性情况进行鉴定。在工程监控量测方面要掌握掌子面的稳定情况，测量器材的布置以及测量的频率要求。

监控量测制度以及信息反馈等要及时处理，量测人员必须要按照规定进行量测，并做好相应的辨识分析，为控制岩爆施工灾害提供依据。

6 结论

目前的高地应力（岩爆）工程施工与安全问题已经得到了广泛的关注。为了保证施工安全，要提高地应力隧道施工规避风险能力，需要通过综合各种技术手段来实现。文章中对岩爆隧道的风险安全与现场管理进行了一定的技术分析，对施工中灾害产生的原因也提出了相关防范措施的建议。目前对岩爆产生的机理及防护措施虽然有了一定的认识，但还需要进一步的研究和深入分析，以及大量的工程实践来综合制定防范措施。