秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理参考措施
时间：2020-11-02 16:45:34 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理方法(原创)
(20XX-05-20 17:12:18)
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秦岭终南山公路隧道
岩爆特征
施工方法
分类： 桥隧专业
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秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理方法
? 张 杰
中国天津市?
摘要：介绍秦岭终南山公路隧道岩爆发生条件、岩爆类型及特征，提出了钻爆法施工经过岩爆段处理方法。
关键词：公路隧道 岩爆 施工方法
1、序言
秦岭终南山公路隧道为国家计划“四纵四横”西部大通道中“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特大型控制工程，也是中国现在长度最长达18.02Km，最大埋深为1600m公路专长隧道。隧道在陕西省西安市长安区石贬峪乡和柞水县营盘镇之间，设计为两座平行双车道隧道，分为东、西两线，两线间距为30m。该公路隧道东线经过洞口及现有秦岭铁路隧道II线作为出渣通道施工，实现了长隧短打，可缩短工期，降低投资。在施工过程中，碰到了较强烈岩爆，岩爆是此隧道施工关键地质灾难。本文拟经过秦岭终南山公路隧道出口段柞水境内7.6Km地段围岩岩爆分析、研究，提出钻爆法施工经过岩爆地段施工处理方法。
2、工程地质情况
秦岭终南山公路隧道出口段地质按岩性关键分为两段，发生岩爆地质灾难地段关键分布在第二段，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，其它岩石强度高、变形小（见表1），岩体受地质结构影响严重，断裂结构发育，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，关键为渗水、滴水和小股流水。本段围岩关键为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，具中等地应力（见表2），关键地质灾难是围岩坍方，局部有轻微岩爆现象。
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），岩体受地质结构影响轻微-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。本段围岩关键为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），关键地质灾难是岩爆，局部地段有围岩破碎所引发围岩坍方。
3、岩爆发生条件
经勘测及秦岭铁路隧道岩爆研究表明：岩爆发生关键由地应力和岩性两个原因决定，岩性条件要求岩石含有良好储能性能弹脆性岩体，隧道初始应力条件要求达成高应力水平。秦岭终南山隧道岩爆关键发生在第二段（K79+580—K76+180）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）全部高。第二段围岩埋深大，岩体完整性好，受结构影响轻微，围岩初始地应力及隧道开挖后形成最大切向应力全部较高，最大主应力σ1=34.05Mpa，属于高地应力水平，满足发生岩爆条件。依据秦岭铁路隧道施工实际调查和岩爆课题组研究结果，得出秦岭终南山公路隧道岩爆发生临界条件为：
Rc≥15Rt （1）
Wet≥2.0? （2）
σθ≥0.3 Rc? ?（3）
? Kv≥0.55? （4）
其中：Rc—岩石单轴抗压强度，在试验室实测。
Rt—岩石单轴抗拉强度，在试验室实测。
σθ—隧道洞壁最大切向应力，σθ=(3σ1-σ3)。
Kv—岩体完整性系数，由岩体和岩块纵波速计算得到。
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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
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表2? 铁路隧道II线平导三维地应力测试结果
对应公路隧道里程
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
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4、岩爆类型及特征
4.1 岩爆类型。
经过对出口段施工过程围岩岩爆观察、分析研究，将围岩岩爆类型按破裂程度大小特征分为以下4种：
4.4.1弹射型岩爆
此种类型岩爆发生在极坚硬、极完整围岩岩壁上，呈零星断续出现，通常是在开挖后6-12小时发生，发生时有清脆“啪、啪”声响，随即有约5~10cm大小中间厚边缘薄岩片弹出（弹射距离2-7m）或烟雾状岩粉喷射出（即所谓“冒烟”）。此种类型岩爆无显著预兆，连续时间短（通常多个小时），对隧道破坏和机械损坏影响不大，但对施工人员安全威胁较大。
4.4.2爆炸抛射型岩爆
此种类型岩爆也是零星断续出现，通常也是在开挖后6-12小时内发生，发生时首先有“啪、啪”声响，紧接着像放大炮一样“砰”一声巨响，伴随响声可见到大小不一片状、块状岩块（最大20—30cm）和岩粉被抛掷出来，抛掷距离5-7m，沿爆坑深度通常20-50cm。此种类型岩爆连续时间通常也只有多个小时，但有一定规模，也含有一定偶然性和忽然性，对机械和施工人员安全有较大影响，对隧道破坏也有一定影响。
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，局部地段开挖后十二个月后还能发生，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，对隧道破坏、对机械和施工人员安全等全部有很大影响。
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薄层状、条带状，和缓倾斜片麻节理产状基础一致。隧道开挖后，线路左侧拱部、边墙出现和开挖面基础一致塌落边帮，并伴有沉闷爆落响声。
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、中等岩爆、强烈岩爆三种类型。轻微岩爆规模小，通常多为弹射型、冲击地压型岩爆。岩爆坑较浅，厚度通常小于10 cm，岩爆坑沿隧道轴向长度小于10m，呈零星分布。中等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，岩爆坑通常几十厘米深，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 岩爆特征
4.2.1终南山专长公路隧道出口开挖段围岩中发生岩爆，关键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）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、地应力高度集中区域。强烈岩爆发生时间通常在响炮后30分钟—8小时左右出现，二十四小时后烈度及频率开始不一样程度降低。
4.2.3终南山专长公路隧道出口开挖段，岩爆关键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、黑云母片麻岩第二岩性段中，而且关键集中在隧道中连续分布长度较长、坚硬完整Ⅴ类围岩中，这可能和这些地段岩体对地应力积蓄、贮藏有利相关。条带状混合片麻岩中角闪片麻岩、长英岩、花岗伟晶岩等岩脉尖端往往是岩爆起爆点，这是因为这些地方既是应力集中地带又是围岩中高地应力轻易释放地带。
4.2.4在隧道中岩爆关键发生在线路左侧拱脚及右侧墙脚周围，左侧拱脚周围围岩剥落较严重，岩爆坑规模较大，而右侧墙脚围岩只出现片状开裂。这可能和该段最大主地应力方向为N30°E，倾角为74°相关，同时也可能受到重力影响。
4.2.5终南山专长公路隧道出口开挖段发生岩爆，关键是破裂剥落型岩爆。其特点是爆落岩块多，岩爆坑深、规模大，连续时间长。所以，这种类型岩爆在隧道正常掘进、底部清渣、围岩支护及出渣等作业全部有很大影响。
5、岩爆段施工处理方法
5.1岩爆地段防护方法
5.1.1在岩爆段开挖前，注意搜集秦岭铁路隧道II线在开挖过程中岩爆地质资料，包含岩爆类型、规模、分布里程和岩爆具体位置，作到事先预报，提前做好岩爆防治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，关键预防弹射型岩爆伤人。在支护区设专职安全员，随时观察围岩状态。如发觉险情，立即向带班干部汇报，作到立即支护或组织人、机临时躲避。
5.1.3在岩爆地段，开挖后立即向掌子面及洞壁进行喷洒高压水，降温除尘，润湿岩面，提升围岩塑性，这在一定程度能够减轻岩爆强烈程度。
5.1.4对施工打眼台车进行改造，在台车上方及侧面设置钢筋防护网。在进行钻眼施工时必需在掌子面处也设置钢筋防护网，以确保施工人员安全。
5.2开挖方法
5.2.1加强光面爆破，确保开挖洞室轮廓圆顺，避免造成局部应力集中而加剧岩爆。
5.2.2在中等岩爆、强烈岩爆地段采取短进尺（2m/循环）、多循环、弱爆破方法。
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。超前摩擦锚杆采取Φ40钢管，长度3 m，用三臂液压台车施工，安设位置关键在拱顶及左右边墙上部，间距1—1.5 m。在岩爆地段洞壁上打应力释放孔，孔径?5，孔深2—3m，间距1—1.5m ，以达成减弱岩爆强度。
5.2.4改变开挖方法，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岩层厚达0.5m —3m，造成了大量超挖，处理困难。施工中采取短进尺2m/循环，预留2m厚岩爆处理层，岩爆过后再进行二次扩挖爆破、支护，很好地经过强烈了岩爆段。
5.3支护方法
?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，立即喷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发生中等岩爆时，支护和发生轻微岩爆时处理方法类似，不一样点是挂网后在锚杆外露端头进行横焊Φ22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威胁最大，必需时进行避让，等岩爆强度基础平静下来再进行支护。对强烈岩爆区域必需进行钢拱架支撑、锚喷挂钢筋网进行支护，钢拱架1榀/m，和喷锚网形成联合支护体系。
6、结束语
经过对秦岭终南山公路隧道出口段7600m长度范围内岩爆研究、分析及处理，很好地经过了岩爆段，没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行观察，洞壁未再产生多种类型岩爆，所喷混凝土未发生开裂、剥落，钢拱架也未产生显著变形，围岩收敛变形基础稳定，对岩爆段处理是比较成功。但因为大家对岩爆发生机理认识不是很深，怎样愈加好地经过岩爆这种地质灾难，中国外隧道可借鉴资料不多，所以，还将作深入我们对岩爆作深入研究，以不停探索，使岩爆灾难治理愈加科学和完善。
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参考文件：
[1]? 张可诚张杰等，秦岭隧道掘机经过岩爆地段对策，世界隧道，20XX（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
