12-超深埋隧道高（極高）地應力地段巖爆施工工法

1、<p>　　超深埋隧道高(極高)地應力地段巖爆施工工法</p><p>　　中鐵十二局集團有限公司 中鐵十二局集團第三工程有限公司</p><p>　　楊鮮明 李建軍 鄭捷 李宗治</p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　世界各國對巖爆的研究由來已久，在巖爆的發(fā)生機理、巖爆類

2、型和烈度分級、巖爆預報預測方法和巖爆的工程治理等方面都取得了長足的進展，但是，巖石本身性質(zhì)的復雜性和工程地質(zhì)條件的多樣性等原因決定了巖爆問題研究具有相當大的難度，對巖爆的預測預防方法還很不完善。</p><p>　　巖爆問題是一種具有實際工程背景的巖石力學問題，所以，巖爆的工程研究方法是巖爆研究方法的另一個主要方面。在實際工程中，工程研究方法主要集中在巖爆的類型和烈度分級研究、巖爆的預報預測研究和巖爆防治的工程措

3、施等幾個方面。</p><p>　　大相嶺泥巴山隧道屬于超深埋高地應力特長公路隧道，地應力高，極易發(fā)生巖爆，本工法針對大相嶺泥巴山特長公路隧道巖爆事故頻發(fā)的工程現(xiàn)狀，施工中通過對高（極高）地應力環(huán)境下圍巖的地應力及巖石單軸抗壓強度進行檢測，對不同埋深條件下地應力分布進行統(tǒng)計分析，對巖爆烈度進行了預測，在中度巖爆地段采用了打設超前鉆孔進行應力解除、加強光爆控制、噴灑高壓水軟化巖面、縮短循環(huán)進尺、噴射混凝土中外摻超細

4、沸石粉和速凝劑的方法。在極高地應力強烈?guī)r爆地段通過打設超前錨桿鎖定圍巖、增設鋼架、脹殼式錨桿和柔性鋼筋網(wǎng)支護，并輔以中度巖爆施工措施等方法，安全通過了烈度不同的巖爆地段，取得了良好的施工效果。</p><p><b>　　2.工法特點</b></p><p>　　2.1通過對巖爆烈度進行預測，針對不同烈度巖爆合理確定支護參數(shù)，減少了資源浪費，節(jié)約了投資，加快了施工進度

5、。</p><p>　　2.2通過打設超前鉆孔進行應力解除，降低了巖爆可能造成危害的程度，保證了施工安全。</p><p>　　2.3通過采用脹殼式錨桿支護，使錨桿可與不規(guī)則鉆孔面密貼，達到了高地應力地段徹底鎖定圍巖的目的。</p><p>　　2.4通過在噴射混凝土中外摻超細沸石粉，使混凝土在一小時內(nèi)達到終凝，起到了早強支護效果。</p><p

6、>　　2.5該施工方法解決了深埋特長公路隧道高地應力巖爆難題，擴展、豐富了隧道施工領域，對促進我國乃至世界隧道施工技術的發(fā)展具有重要的意義。</p><p><b>　　3.適用范圍</b></p><p>　　本工法適用于所有高地應力隧道。</p><p><b>　　4.工藝原理</b></p>&

7、lt;p>　　施工中對巖爆的防治目前大多數(shù)是從弱化圍巖及改善圍巖的應力條件等方面進行闡述，在這里我們借助醫(yī)學的角度從“防”巖爆及“治”巖爆的角度進行劃分，而“防”又可以細分為“積極的防”和“被動的防"兩種。</p><p>　　“防”巖爆的方法主要有：采用短臺階、超前小導洞開挖法；施工爆破中優(yōu)化爆破設計；隧道掌子面和洞壁噴水或鉆孔注水；提前釋放高地應力；噴射鋼纖維混凝土等施工方法。</p&g

8、t;<p>　　“治”巖爆的方法主要有：采用新型退火鋼絲網(wǎng)；邊墻應力釋放；局部打設脹殼式錨桿等施工方法。</p><p>　　5.施工工藝流程及操作要點</p><p><b>　　5.1施工工藝流程</b></p><p>　　超深埋高（極高）地應力地段巖爆施工工藝流程見圖5.1：</p><p>　　圖

9、5.1 超深埋高（極高）地應力地段巖爆施工工藝框圖</p><p><b>　　5.2操作要點</b></p><p>　　施工中應對巖爆進行認真研究，分析其發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，確定合理的“防”、“治”措施。</p><p>　　5.2.1工中所采取“防”巖爆的方法</p><p>　　1、工法中對巖爆的“防"：

10、臺階法(兩臺階、三臺階等)、超前導洞法；根據(jù)彈性理論計算因開挖產(chǎn)生的高應力在圍巖中的影響是有限的。圍巖中的應力集中最嚴重的區(qū)域為r/ro≈1．5(ro為隧道開挖半徑)。分步開挖時，ro減小則影響區(qū)域減少，由此使圍巖中釋放彈性能的區(qū)域也相應減小，有利于抑制巖爆和降低其程度。且無論在理論上還是實踐上均驗證分部開挖及超前導洞法對于中等巖爆及輕微巖爆有一定的抑制作用，尤其對于輕微巖爆的防治效果非常明顯。</p><p>

11、　　2、光面爆破技術中的“防”： 優(yōu)化爆破設計，減少周邊孔間距，使炮眼間距不大于50cm，采用Φ20小藥卷不偶合裝藥，增加起爆雷管數(shù)以減少同段起爆藥量，提高光爆效果，盡量減少誘發(fā)巖爆的因素。加強對開挖作業(yè)人員的培訓，提高業(yè)務素質(zhì)，使隧道開挖周邊圓順，減少局部的應力集中。需要特別指出的是由于目前我國的生產(chǎn)力水平較低且人工費廉價，造成我國幾乎所有隧道的鉆眼、放炮都采用人工作業(yè)，其職業(yè)素質(zhì)將直接影響光面爆破效果，由此加強隧道施工工人的作業(yè)素質(zhì)

12、是十分必要的。</p><p>　　3、在隧道掌子面和洞壁噴水或鉆孔注水：對已開挖成形的邊墻、頂拱和開挖成形掌子面及時進行噴水，降低脆性，又可除塵，以增強抵抗地應力引起變形的能力，從而減少巖爆的發(fā)生。此外，由于巖體是由含有大量節(jié)理的非連續(xù)介質(zhì)構(gòu)成的，而節(jié)理面是結(jié)構(gòu)弱面的一種，那么鉆孔高壓注水可以使水順著節(jié)理面向巖體的各個方向滲入，提前釋放彈性應變能并將洞壁圍巖最大切向應力向圍巖深處轉(zhuǎn)移，同時劈裂注水可產(chǎn)生新的張裂

13、隙并使原有裂隙繼續(xù)擴展，從而降低巖體儲存彈性應變能的能力。</p><p>　　4、超前應力解除爆破：在巖爆強烈發(fā)生地帶可采取應力釋放措施。即在施工過程中，一邊應力解除，一邊掘進，在洞室未開挖之前使巖體原始應力得以釋放，以減緩開挖后的圍巖應力。其施工方法：從掌子面起沿拱部周邊向前方打超前斜孔，在孔底裝藥爆破形成一定厚度的人工破碎帶，且洞壁保持一定厚度的完整巖層作為安全距離。對巖爆特別劇烈地段，噴水或鉆孔注水促進圍

14、巖軟化，緩釋圍巖應力，降低劇烈?guī)r爆的危險性。</p><p>　　5、噴射混凝土或噴射纖維混凝土：該做法的出發(fā)點是給圍巖一定的徑向約束，使洞室周邊的圍巖狀態(tài)較快的從平面應力轉(zhuǎn)向三維應力狀態(tài)，以達到抑制或延緩巖爆發(fā)生的目的。</p><p>　　6、待避：使用的巖爆預防措施沒有達到預計的效果，當巖爆發(fā)生時，應徹底停機、待避，補充工作面的觀察并記錄巖爆，對掌子面、邊墻及拱項進行仔細檢查，并選取

15、合理的支護加固措施。</p><p>　　7、作業(yè)范圍內(nèi)人員的安全防護：危險期作業(yè)人員穿防砸背心，防砸鞋，可以有效的預防由于巖爆產(chǎn)生的較小石塊的擊傷，并派有經(jīng)驗的人員進行監(jiān)護，發(fā)生異常時及時撤離作業(yè)人員。</p><p>　　5.2.2 施工中所采取“治”巖爆的方法</p><p>　　1、新型退火鋼絲網(wǎng)：在一定條件下，對于采用了“防"的辦法沒有達到預期的

16、效果亦可以采用新型退火鋼絲網(wǎng)進行治理，當巖爆影響的深度較深，可以采用懸掛新型退火鋼絲網(wǎng)及噴射超細沸石粉混凝土相結(jié)合的方式進行治理。</p><p>　　2、邊墻應力釋放孔：通過其他巖爆防治手段不能達到巖爆防治的要求時，可以采用在邊墻打設應力釋放孔的辦法進行治理，且該方法無論是在理論上還是實踐上均得到了驗證，能夠有效的治理巖爆；</p><p>　　3、局部打設脹殼式錨桿：巖爆段存在危石的部

17、位，可以采用脹殼式錨桿進行加固，對圍巖進行膨脹鎖定，防止由于巖爆產(chǎn)生振動造成危石的掉落，降低由于巖爆而產(chǎn)生的附屬影響。</p><p><b>　　6.材料與設備</b></p><p><b>　　6.1主要材料</b></p><p>　　超深埋高地應力隧道巖爆施工工法主要采用的材料有超前錨桿、拱架，脹殼式錨桿、噴射混

18、凝土、超細沸石粉（主要化學成分為Si02+AL203,經(jīng)過機械研磨成粒徑327.7m×10.9的無機中性粉狀材料）、速凝劑、鋼纖維等，以大相嶺泥巴山隧道為例，主要材料及用量見表6.1。</p><p>　　表6.1 主要材料用量表</p><p><b>　　6.2機具設備</b></p><p>　　主要機具設備及數(shù)量見表6.2。&

19、lt;/p><p>　　表6.2 主要機械及器具配備表</p><p><b>　　7.質(zhì)量控制</b></p><p>　　7.1 工程質(zhì)量控制標準</p><p>　　本工法嚴格按照JTGF60-2009《公路隧道施工技術規(guī)范》執(zhí)行。</p><p>　　7.2 質(zhì)量保障措施</p>

20、<p>　　7.2.1嚴格按材料進場程序?qū)γ洑な藉^桿進行抽檢，不合格的產(chǎn)品嚴禁使用。</p><p>　　7.2.2優(yōu)化噴射混凝土配合比設計，嚴格按施工配合比組織施工，尤其是外摻材料與速凝劑的摻量控制要嚴格。</p><p>　　7.2.3鋼筋網(wǎng)、鋼筋拱架或格柵安裝要緊貼巖面。</p><p><b>　　8.安全措施</b><

21、;/p><p>　　8.1 對每次發(fā)生的巖爆進行觀察記錄，記錄包括巖爆發(fā)生在開挖后的時間、里程、地質(zhì)、斷面部位、巖爆前的聲響、爆破數(shù)量、彈射的速度及距離等，進行統(tǒng)計分析，找出本隧道巖爆的一般規(guī)律和特殊規(guī)律，據(jù)此以指導其它巖爆段的施工。</p><p>　　8.2根據(jù)巖爆發(fā)生的規(guī)律，放炮后一定要待巖爆現(xiàn)象穩(wěn)定后才能進入工作面。如作業(yè)時發(fā)生巖爆，及時撤離作業(yè)人員至安全地段待避，巖爆穩(wěn)定后，方可進行

22、作業(yè)。</p><p>　　8.3在掌子面及其附近巖爆地帶加掛鐵絲帷幕，可增加作業(yè)場所的安全，保護鑿巖人員和機具。</p><p>　　8.4在鑿巖臺車、裝載機等機械上設防護頂棚。</p><p>　　8.5洞內(nèi)作業(yè)時設專人值班警戒，重點是易爆地段，人員密集或人員常來回地段。在巖爆危險段增加照明，并設警告牌。 </p><p>　　8.6每次

23、放炮派專人到掌子面監(jiān)聽巖爆發(fā)生前的聲響，以此來分析其巖爆的可能性和嚴重性，決定是否停工待避。 </p><p>　　8.7洞內(nèi)管線設備和人行道布置在巖爆危害較小的一側(cè)。</p><p>　　8.8對進洞施工人員進行巖爆知識普及和安全須知的教育；對臨時進洞人員也向其交待注意事項。</p><p>　　8.9施工中應嚴格按國家、地方相關安全操作規(guī)程進行操作。貫徹執(zhí)行“

24、安全第一、預防為主”的方針。</p><p><b>　　9.環(huán)保措施</b></p><p>　　為確保工程所在地區(qū)的環(huán)境得到有效的保護，嚴格執(zhí)行國家和工程所在政府的環(huán)保政策、法律和法規(guī)，本工法采取以下環(huán)境保護措施。</p><p>　　9.1 成立對應的施工環(huán)境衛(wèi)生管理機構(gòu)，在工程施工過程中，嚴格遵守國家和地方政府下發(fā)的有關環(huán)境保護的法律、

25、法規(guī)和規(guī)章制度。</p><p>　　9.2項目經(jīng)理部組織項目部全體職工進行環(huán)境保護知識學習，增強環(huán)保意識，在施工作業(yè)中對生態(tài)環(huán)境的保護采取有效措施。</p><p>　　9.3噪音防治：施工場所噪聲不得超過90分貝，如有超出，首先應檢查風機消聲器的工作性能，其次是改裝或增設消聲器。</p><p>　　9.4 降低粉塵濃度，可采用通風降塵、灑水降塵、濕式鑿巖、巖壁

26、沖洗等措施。</p><p><b>　　10.效益分析</b></p><p>　　10.1本工法針對不同烈度巖爆地段確定合理的支護參數(shù)，減少了資源浪費，節(jié)約了投資，加快了施工進度。</p><p>　　10.2降低了巖爆發(fā)生時可能造成的危害程度，保證了施工安全。</p><p>　　10.3 該施工方法解決了深埋特長

27、公路隧道高地應力巖爆難題，擴展、豐富了隧道施工領域，對促進我國乃至世界隧道施工技術的發(fā)展具有重要的意義。</p><p><b>　　10.1 經(jīng)濟效益</b></p><p>　　通過打設超前錨桿鎖定圍巖、超前鉆孔進行應力解除、加強光爆控制、噴灑高壓水軟化巖面、縮短循環(huán)進尺、增設鋼架、打設脹殼式錨桿和柔性鋼筋網(wǎng)，在噴射混凝土中外摻超細沸石粉和速凝劑等新型有效的綜合技

28、術應對措施，與傳統(tǒng)施工工藝相比（如單一采用全斷面開挖，采用藥包錨桿，噴射鋼纖維混凝土，在相同的爆破設計前提下），節(jié)約投資50萬元，見表10.1所示。</p><p>　　表10.1 節(jié)約工程投資金額估算表</p><p><b>　　10.2 社會效益</b></p><p>　　本工法由于其安全可靠、經(jīng)濟高效的特點，有利于廣泛推廣應用；該工法

29、在實施過程中，措施得當，從未發(fā)生安全事故，提高了施工進度，得到了建設單位的高度贊賞，取得了良好的社會效益。</p><p><b>　　11.應用實例</b></p><p>　　四川省雅（安）瀘（沽）高速公路大相嶺泥巴山隧道全長10007m，單口掘進5130米，為全國單口隧道掘進之最，地質(zhì)情況極為復雜，隧址區(qū)將穿越多條大斷層和多條支斷層破碎帶，隧道最大埋深1648米