深埋隧道岩爆灾害及其预防的关键技术研究陈书锋

深埋隧道岩爆灾害及其预防的关键技术研究陈书锋

陈书锋

海南交通建设咨询有限公司海口570100

摘要：现如今，随着我国经济的飞速发展，隧道工程发展的也十分迅速。岩爆是深埋隧道建设面临的一类危害性极大的地质灾害，这类灾害制约了深埋隧道的建设并引起了学术界和工程实践的广泛关注。基于理清岩爆的特征和系统的总结岩爆灾害的预防技术的目的，通过对已有相关研究成果和工程实践经验进行了全面的总结梳理。结果表明，岩爆的影响因素非常多且机制复杂，工程实践中已形成了单一判据、复合多元判据及系统工程判据的多种预判方法。通过预测圈定岩爆的时间、地点、危险程度等，可在不同阶段有针对性的采取防治措施以降低岩爆带来的危害。

关键词：深埋隧道；岩爆；灾害；预防；关键技术

引言

深埋隧道施工过程中，由于各种因素的影响，出现地质灾害的情况时有发生，严重威胁了人民群众的生命财产安全，也间接地阻碍了我国进行城市建设，加速经济发展的步伐。因此，相关深埋隧道施工的工作人员应及时分析地质灾害发生的原因，并根据实际情况，研究出具体的防治对策，这样才可以保障我国的深埋隧道施工质量，为我国深埋隧道工程发展保驾护航。

1项目工程概况

九寨沟至绵阳高速公路是位于四川和甘肃两省之间的一条南北向快速通道，木皮隧道左线隧道起讫桩号为ZK124+351～ZK126+502，长2151米；右线隧道起讫桩号K124+355～K126+482，长2127米，最大埋设707m，隧道存在岩爆现象。隧道掌子面围岩以筛子岩侵入体为主，岩性为黑云母石英闪长岩，呈微~中风化，岩质坚硬，以块状为主，岩体较完整~完整，受构造影响，岩体内微裂隙较发育，并夹少量方解石细脉，岩体呈块状一整体结构为主但因岩质坚硬，埋深较大，局部有产生岩爆的条件。

2岩爆的形成过程

岩爆的本质是洞室围岩高应力集中区内大量弹性应变能突然释放导致的剧烈脆性破坏，其根源反映了“围岩积蓄的比能超过岩石破坏耗散的比能”。岩爆的形成机制复杂，现有的代表性研究成果主要包括以下内容。岩爆现象发生过程的阶段划分。研究表明，白云岩和灰岩中的岩爆渐进形成破坏过程包含“劈裂成板→剪切成块→块、片弹射”3个阶段，其对应了“稳定破坏（内部原生裂隙启裂并稳定扩展）→加速破坏（非稳定扩展）→动力弹射、震动过程（宏观破坏和弹射、震动）”的时序渐进破坏过程。关于木皮隧道的工程实践与上述理论基本吻合，即岩爆经历了“张性劈裂、破裂成块和岩块弹射”3个变形破坏阶段。鉴于岩爆灾害常伴随微震现象，岩爆的破坏机理也被归纳为“岩体破裂导致岩体体积膨胀的破坏机理”“地震的震动引起岩块崩塌机理”和“地震能传播导致岩块弹射破坏机理”。岩爆是复杂力学性质作用的产物。已有研究表明，“压致拉裂型”、“弯曲鼓折（溃屈）型”和“压致剪切拉裂型”3种基本形式和几种基本形式的不同组合是岩爆发生的基本力学机制。研究表明，脆性岩石随着埋置深度的增加而表现出更为明显的脆性破坏特征。当岩爆发生时，巷道内壁面形成的张性破裂面基本平行并表现为近似于板状的岩片，这反映了隧洞围岩体内与洞壁基本平行的主应力迹线。与此同时，切向应力作用形成劈裂松脱型岩爆，这主要归因于切向应力导致岩片产生溃屈折断或岩片边缘形成局部斜向剪断。岩石卸围压后的行为受控于多种因素。岩石卸荷破坏比连续加载破坏的变形大且所需要的应力小，这是因为卸荷时存在裂纹张开而导致了无摩擦滑动和变形模量的减小。以具有脆性特征的大理岩为例，这类岩石主要受控于初始围压水平且轴向变形和扩容过程受到较为显著的围压卸载速率影响，岩石的宏观破裂性质在卸荷速率递增过程中会呈现为“剪切、拉剪复合→张拉劈裂”的发展过程并表现为“卸荷速率越快、对应初始围压就越高”则主破裂面越起伏粗糙。卸荷条件下的岩石的破坏具有较强的张性破裂特征，而该条件下的岩石破坏表现为显著的扩容现象，其中卸荷速率及初始围压越大则岩石脆性及张性断裂特征愈明显。对比结果显示，峰前卸围压时“c值降低和φ值增加”并具有“高围压时单一剪切破坏、中等围压X形共轭剪切破坏和低围压劈裂破坏”几种破坏形式，而峰后卸围压则通常呈现出单一的剪切破坏伴随“c值增加和φ值降低”。

3岩爆灾害的对策

3.1塌方灾害的防治

针对深埋隧道工程施工中塌方自然灾害的防治，我们必须做到未雨绸缪，以将损失降至最低。第一，施工单位在正式动工之前，委派专业人员对于要施工的区域进行地质结构的考察，将其数据的具体情况汇报回来，以供施工设计人员参考；第二，施工设计人员在进行施工进程的规划时，需要在第一步的基础上，对于可能出现塌方的地理位置进行准且判断和精准定位，并制定相应的解决措施，巩固塌方位置的强度，降低坍塌的概率；第三，在后期的施工过程中，施工人员利用已有的先进技术，如锚杆支护技术，对导管注入浆液等技术对岩体层进行加固操作，保障岩体的稳定性，从而保证深埋隧道工程的整体质量。

3.2改善围岩的应力条件

改善围岩条件主要是采用超前应力释放孔法，它是隧道开挖后通过在洞壁内钻孔以达到释放出部分应力的一种超前应力释放措施，是进行岩爆控制常用的有效方法。其作用机理是挖孔后，孔的变形起到释放围岩应力的作用，尤其是对洞壁围岩切向应力。其岩爆控制的效果与钻孔的大小、长度及间距等直接相关。通过改善围岩的物理性能也可以改变围岩的应力状态，该方法主要是通过向围岩表面洒水或向围岩内钻孔注水来实现的。其效果与围岩本身的吸水性有很大关系。

3.3改善围岩物力性能

利用超前钻孔向非坚硬岩体进行高压注水或喷撒冷水，这将有助于降低掌子面和洞壁表层围岩的强度。该方法防治岩爆的原理如下。（1）软化、降低岩体的强度，即高压注水的楔劈作用可以软化和降低岩体的强度。（2）释放能量和应力转化，即释放应变能并同时将最大切向应力转移至围岩深部。（3）降低了岩体储存应变能的能力，即通过高压注水导致新的张裂隙产生，这些新裂隙会使原有裂隙继续扩展以降低岩体储存应变能的能力。事实上，将水注入在具有高地应力的坚硬岩体裂隙内产生的润滑效果非常有限，这一般很难实现围岩的软化而且还存在引发“地震”的可能性。

3.4减小对围岩的扰动

在一定程度上降低岩爆灾害发生的风险或等级，但并没有从根本上减小岩爆发生所带来的严重后果。因此，在现场施工时还要对施工工艺进行优化。根据以往的工程经验，易发生岩爆的地段宜采用短进尺掘进。为了使开挖断面尽可能的规则，减小围岩表层的应力集中，可以采用光面爆破，特别要控制好光面爆破的效果。对于轻微、中等岩爆地段应尽可能采用全断面开挖。而对于强烈岩爆地段，也可以采用上下台阶法开挖，但在施工中应尽量减少钻爆施工引发连锁性岩爆的可能性。还可以采用加固围岩的方法进行岩爆防治，常用的方法是进行喷锚支护。该方法能填塞岩缝裂隙，并与岩面可靠粘结，以较高强度和紧靠洞壁的一圈围岩组成整体，共同受力，从而降低岩爆发生的可能性。

结语

在深埋地下隧道的工程中，比较突出的几大地质难题包括高地应力及岩爆问题、高压涌水突水问题、高地温问题等。此外，还有像地震震害、瓦斯有害气体爆炸以及涌水突泥、围岩塌方、岩溶塌陷、泥屑流等。于是，在这个复杂的、系统的深埋隧道工程中，关于灾害地质的研究，对隧道工程能否顺利开展是关键的一步，在隧道工程施工前应按照隧道工程的各方面具体情况，采取有效、有针对性的防御措施。

参考文献：

[1]钱七虎.岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型[J].岩土力学，2018，35（1）：1–6.

[2]李红中，张修杰，马占武，等.地质灾害对高速公路隧道工程长度及埋深激增的响应研究[J].建筑技术开发，2018，45（12）：6–8.

[3]王兰生，李天斌，徐进，等.二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级[J].公路，2017，28（2）：41–45.

[4]徐则民，黄润秋，范柱国，等.长大隧道岩爆灾害研究进展[J].自然灾害学报，2018，13（2）：16–24.