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秦岭终南山公路隧道岩爆特性及解决措施(原创)
(2023-05-20 17:12:18)
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秦岭终南山公路隧道
岩爆特性
施工措施
分类： 桥隧专业

秦岭终南山公路隧道岩爆特性及解决措施

        张 杰
   中国天津市    
摘要：介绍秦岭终南山公路隧道岩爆发生的条件、岩爆类型及特性，提出了钻爆法施工通过岩爆段的解决措施。
关键词：公路隧道    岩爆    施工措施
1、前言
   秦岭终南山公路隧道为国家规划“四纵四横”西部大通道中的“银川—西安—武汉”和“二连浩特—包头—西安—北海”两条大通道公用线上的特大型控制工程，也是我国目前长度最长达18.02Km，最大埋深为1600m公路专长隧道。隧道位于陕西省西安市长安区石贬峪乡与柞水县营盘镇之间，设计为两座平行双车道隧道，分为东、西两线，两线间距为30m。该公路隧道东线通过洞口及现有的秦岭铁路隧道II线作为出渣通道施工，实现了长隧短打，可缩短工期，减少投资。在施工过程中，碰到了较强烈的岩爆，岩爆是此隧道施工重要的地质灾害。本文拟通过秦岭终南山公路隧道出口段柞水境内7.6Km地段围岩的岩爆分析、研究，提出钻爆法施工通过岩爆地段的施工解决措施。
2、工程地质情况
   秦岭终南山公路隧道出口段地质按岩性重要分为两段，发生岩爆地质灾害的地段重要分布在第二段，具体地质、岩爆分布见图一（图一见附页）
   第一段（K82+816—K79+580）：岩性以含绿色矿物混合花岗岩为主，间夹蚀变闪长岩、闪长玢岩、伟晶岩及长英岩等岩脉，除蚀变闪长岩外，其余岩石强度高、变形小（见表1），岩体受地质构造影响严重，断裂构造发育，有大小断层15层，皆为压性逆断层，岩体节理裂隙较发育—发育，地下水局部较发育，重要为渗水、滴水和小股流水。本段围岩重要为Ⅲ-Ⅳ类，断层带及蚀变闪长岩发育地段为Ⅱ—Ⅲ类，隧道埋深50—600m，具中档地应力（见表2），重要地质灾害是围岩坍方，局部有轻微的岩爆现象。
    第二段（K79+580—K75+180）：岩性以混合片麻岩为主，间夹角闪片麻岩、黑云母片岩残留体、长英岩及伟晶岩岩脉等，岩石强度高、变形小（见表1），岩体受地质构造影响轻微-较严重，节理裂隙不发育或较发育，断层局部发育，地下水不发育，仅少数地段有渗水、滴水或小股流水。本段围岩重要为Ⅳ-Ⅴ类，局部断层带为Ⅱ-Ⅲ类，隧道埋深500-1350m，本段全属高应力区（见表2），重要地质灾害是岩爆，局部地段有围岩破碎所引起的围岩坍方。
3、岩爆发生条件
    经勘测及秦岭铁路隧道岩爆的研究表白：岩爆的发生重要由地应力和岩性两个因素决定，岩性条件规定岩石具有良好储能性能的弹脆性岩体，隧道初始应力条件规定达成高应力水平。秦岭终南山隧道的岩爆重要发生在第二段（K79+580—K76+180）的混合片麻岩段，混合片麻岩属极硬岩，其弹性能量指数（Wet）和脆性指数（Kr）都高。第二段围岩埋深大，岩体完整性好，受构造影响轻微，围岩的初始地应力及隧道开挖后形成的最大切向应力都较高，最大主应力σ1=34.05Mpa，属于高地应力水平，满足发生岩爆的条件。根据秦岭铁路隧道施工实际调查和岩爆课题组的研究成果，得出秦岭终南山公路隧道岩爆发生的临界条件为：
    Rc≥15Rt                 （1）
    Wet≥2.0                 （2）
    σθ≥0.3 Rc               （3）
     Kv≥0.55                 （4）
其中：Rc—岩石的单轴抗压强度，在实验室实测。
      Rt—岩石的单轴抗拉强度，在实验室实测。
      σθ—隧道洞壁最大切向应力，σθ=(3σ1-σ3)。
     Kv—岩体的完整性系数，由岩体和岩块的纵波速计算得到。

表1   岩石强度及变形参数测试结果
取样位置
岩    性
抗压强度Rc（MPa）
抗拉强度Rt（MPa）
弹性模量Et（MPa）
泊松比
μ
弹性能量指数
Wet
脆 性 指 数
Kr=（Rc/Rt）
K78+980
混合花岗岩
140.11
10.24
7.8×10
0.19
6.25
13.68
K77+176
混合片麻岩
131.99
(127.12)
9.44
5.1×10
(4.8×10)
0.17
7.44
(7.12)
13.98
K76+906
混合片麻岩
177.88
13.27
5.8×10
0.17
6.53
13.40

表2  铁路隧道II线平导三维地应力测试结果
相应公路隧道里程
主应力（MPa）
主应力倾角（0）
主应力方位角（0）
隧道开挖后最大切应力（MPa）
σθ=(3σ1-σ3)
隧道埋深
H(m)
σ1
σ2
σ3
α1
α2
α3
β1
β2
β3
K81+095
15.07
1057
8.32
1.4
14
76
331
241
62
37.4
270
K76+156
34.05
27.75
14.99
74
7
15
30
143
235
87.16
970

4、岩爆类型及特性
   4.1 岩爆类型。
   通过对出口段施工过程围岩岩爆的观测、分析研究，将围岩岩爆的类型按破裂限度大小特性分为以下4种：
    4.4.1弹射型岩爆
    此种类型岩爆发生在极坚硬、极完整的围岩的岩壁上，呈零星断续出现，一般是在开挖后6-12小时发生，发生时有清脆的“啪、啪”声响，随即有约5~10cm大小的中间厚边沿薄的岩片弹出（弹射距离2-7m）或烟雾状的岩粉喷射出（即所谓“冒烟”）。此种类型岩爆无明显预兆，连续时间短（一般几个小时），对隧道破坏和机械损坏影响不大，但对施工人员的安全威胁较大。
    4.4.2爆炸抛射型岩爆
    此种类型岩爆也是零星断续出现，一般也是在开挖后6-12小时内发生，发生时一方面有“啪、啪”声响，紧接着像放大炮同样“砰”的一声巨响，随着响声可见到大小不一的片状、块状岩块（最大20—30cm）和岩粉被抛掷出来，抛掷距离5-7m，沿爆坑深度一般20-50cm。此种类型岩爆连续时间一般也只有几个小时，但有一定规模，也具有一定的偶尔性和忽然性，对机械和施工人员的安全有较大影响，对隧道的破坏也有一定影响。
    4.4.3破裂剥落型岩爆
    此种岩爆在围岩开挖30分钟即发生，局部地段开挖后一年后还能发生，岩爆发生时有时能听到“啪”或“嘎”，或“啪、啪、啪”或“嘎、嘎、嘎”声响，随即出现岩面开裂，然后发生剥落。岩爆坑规模较大，最大为长×宽×深达10×7×2.5（m）,剥落的岩块为片状、板状，大小不一，最大为3.0×3.5×0.8(m)。此种类型岩爆从出现响声→开裂→剥落有一个连续过程，但因其规模大、历程长，对隧道的破坏、对机械和施工人员的安全等都有很大的影响。
    4.4.4冲击地压型岩爆
    此种类型岩爆出现在条带状混合片麻岩中含黑云母片岩地段，黑云母片岩厚度为5-10cm的薄层状、条带状，与缓倾斜的片麻节理产状基本一致。隧道开挖后，线路左侧拱部、边墙出现与开挖面基本一致的塌落边帮，并伴有沉闷的爆落响声。
在实际施工中，为了方便施工将岩爆按规模和烈度分为：轻微岩爆、中档岩爆、强烈岩爆三种类型。轻微岩爆规模小，一般多为弹射型、冲击地压型岩爆。岩爆坑较浅，厚度一般小于10 cm，岩爆坑沿隧道轴向长度小于10m，呈零星分布。中档岩爆多为爆炸抛射型和破裂剥落型岩爆，岩爆坑呈三角形、弧形及梯形，连续分布，规模较大，岩爆坑一般几十厘米深，最大达150 cm，沿隧道轴线长10~20m，成片分布。强烈岩爆多为破裂剥落性岩爆，岩爆坑连续分布，最深可达4.3 m，沿隧道轴线长大于20 m。剥落的岩块尺寸大，数量多，生成大量超挖现象，洞形不规则，对正常施工及洞室稳定影响大。
   4.2 岩爆特性
   4.2.1终南山专长公路隧道出口开挖段围岩中发生的岩爆，重要分布在靠近秦岭岭脊。隧道埋深较大（500-1350m）及地应力最高处（K76+156主地应力值σ1、σ2、σ3分别为34.05Mpa、27.75 Mpa、14.99 Mpa）的地段。
   4.2.2强烈岩爆多发生在掌子面后方1—2倍洞径范围内。此范围正是开挖后地应力场调整最强烈、地应力高度集中的区域。强烈岩爆发生时间一般在响炮后30分钟—8小时左右出现，24小时后烈度及频率开始不同限度减少。
    4.2.3终南山专长公路隧道出口开挖段，岩爆重要发生在岩性为条带状混合片麻岩夹角闪长英岩、花岗伟晶岩、黑云母片麻岩的第二岩性段中，并且重要集中在隧道中连续分布长度较长、坚硬完整的Ⅴ类围岩中，这也许与这些地段的岩体对地应力的积蓄、贮藏有利有关。条带状混合片麻岩中的角闪片麻岩、长英岩、花岗伟晶岩等岩脉的尖端往往是岩爆起爆点，这是由于这些地方既是应力集中地带又是围岩中的高地应力容易释放的地带。
    4.2.4在隧道中岩爆重要发生在线路左侧拱脚及右侧墙脚附近，左侧拱脚附近围岩剥落较严重，岩爆坑规模较大，而右侧墙脚围岩只出现片状开裂。这也许与该段最大主地应力的方向为N30°E，倾角为74°有关，同时也也许受到重力的影响。
    4.2.5终南山专长公路隧道出口开挖段发生的岩爆，重要是破裂剥落型岩爆。其特点是爆落的岩块多，岩爆坑深、规模大，连续的时间长。因此，这种类型的岩爆在隧道的正常掘进、底部清渣、围岩支护及出渣等作业都有很大的影响。
5、岩爆段施工解决措施
    5.1岩爆地段的防护措施
    5.1.1在岩爆段开挖前，注意收集秦岭铁路隧道II线在开挖过程中的岩爆地质资料，涉及岩爆类型、规模、分布里程与岩爆具体位置，作到事先预报，提前做好岩爆防治的技术准备和施工准备工作。
    5.1.2给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心，重要防止弹射型岩爆伤人。在支护区设专职安全员，随时观测围岩状态。如发现险情，及时向带班干部报告，作到及时支护或组织人、机暂时规避。
    5.1.3在岩爆地段，开挖后及时向掌子面及洞壁进行喷洒高压水，降温除尘，润湿岩面，提高围岩的塑性，这在一定限度可以减轻岩爆的强烈限度。
    5.1.4对施工打眼台车进行改造，在台车上方及侧面设立钢筋防护网。在进行钻眼施工时必要在掌子面处也设立钢筋防护网，以保证施工人员的安全。
    5.2开挖措施
    5.2.1加强光面爆破，保证开挖洞室轮廓圆顺，避免导致局部应力集中而加剧岩爆。
    5.2.2在中档岩爆、强烈岩爆地段采用短进尺（2m/循环）、多循环、弱爆破措施。
    5.2.3针对岩爆类型及大小，提前打应力释放孔或超前摩擦锚杆支护。超前摩擦锚杆采用Φ40钢管，长度3 m，用三臂液压台车施工，安设的位置重要在拱顶及左右边墙的上部，间距1—1.5 m。在岩爆地段的洞壁上打应力释放孔，孔径?5，孔深2—3m，间距1—1.5m ，以达成减弱岩爆的强度。
    5.2.4改变开挖方式，预留岩爆层。在K76+345— K76+392发生过强烈岩爆，整个拱顶及右边墙上部处围岩被爆下来的岩层厚达0.5m —3m，导致了大量超挖，解决困难。施工中采用短进尺2m/循环，预留2m厚的岩爆解决层，岩爆过后再进行二次扩挖爆破、支护，较好地通过强烈了岩爆段。
    5.3支护措施
    5.3.1发生轻微岩爆时，仔细对洞壁及掌子面进行危岩清撬后，及时喷3cm厚混凝土进行封闭围岩。初喷完后进行锚杆挂网支护，锚杆为Φ22，长度2.5m，间距0.8—1.5m。在拱部挂钢筋网（Φ8钢筋，间距25 cm），后进行二次喷射混凝土，厚度9cm。
   5.3.2发生中档岩爆时，支护与发生轻微岩爆时解决措施类似，不同点是挂网后在锚杆外露端头进行横焊Φ22的钢筋加固后再进行二次喷射混凝土施工。
   5.3.3强烈岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大，必要时进行避让，等岩爆强度基本安静下来再进行支护。对强烈岩爆区域必须进行钢拱架支撑、锚喷挂钢筋网进行支护，钢拱架1榀/m，与喷锚网形成联合支护体系。
6、结束语
   通过对秦岭终南山公路隧道出口段7600m长度范围内的岩爆研究、分析及解决，较好地通过了岩爆段，没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行的观测，洞壁未再产生各种类型的岩爆，所喷的混凝土未发生开裂、剥落，钢拱架也未产生明显的变形，围岩收敛变形基本稳定，对岩爆段的解决是比较成功的。但由于人们对岩爆发生的机理结识不是很深，如何更好地通过岩爆这种地质灾害，国内外隧道可借鉴的资料不多，因此，还将作进一步的我们对岩爆作进一步研究，以不断探索，使岩爆灾害的治理更加科学和完善。

参考文献：
[1]  张可诚张杰等，秦岭隧道掘机通过岩爆地段的对策，世界隧道，2023（4）  
[2]  张国云编著，地下工程岩爆资料汇编，铁道部隧道工程局科研所情报室
[3]  秦岭终南山专长隧道设计说明   铁道部第一勘察设计院