秦嶺終南山公路隧道巖爆特征及處理措施

1、秦嶺終南山公路隧道巖爆特征及處理措施(原創(chuàng))(2007-05-20 17:12:18)轉(zhuǎn)載Q標(biāo)簽： 分類：橋隧專業(yè)秦嶺終南山公路隧道巖爆特征施工措施秦嶺終南山公路隧道巖爆特征及處理措施張杰中國天津市摘要：介紹秦嶺終南山公路隧道巖爆發(fā)生的條件、巖爆類型及特征，提出了鉆爆 法施工通過巖爆段的處理措施。關(guān)鍵詞：公路隧道巖爆施工措施1、前言秦嶺終南山公路隧道為國家規(guī)劃“四縱四橫”西部大通道中的“銀川一西安 一武漢”和“二連浩特一包頭一西安一北海”兩條大通道公用線上的特大型控 制工程，也是我國目前長度最長達(dá)18.02Km，最大埋深為1600m公路特長隧道。 隧道位于陜西省西安市長安區(qū)石貶峪鄉(xiāng)與柞水縣營盤

2、鎮(zhèn)之間，設(shè)計(jì)為兩座平行雙 車道隧道，分為東、西兩線，兩線間距為30m。該公路隧道東線通過洞口及現(xiàn)有 的秦嶺鐵路隧道II線作為出渣通道施工，實(shí)現(xiàn)了長隧短打，可縮短工期，減少 投資。在施工過程中，遇到了較強(qiáng)烈的巖爆，巖爆是此隧道施工主要的地質(zhì)災(zāi)害。 本文擬通過秦嶺終南山公路隧道出口段柞水境內(nèi)7.6Km地段圍巖的巖爆分析、研 究，提出鉆爆法施工通過巖爆地段的施工處理措施。2、工程地質(zhì)情況秦嶺終南山公路隧道出口段地質(zhì)按巖性主要分為兩段，發(fā)生巖爆地質(zhì)災(zāi)害的 地段主要分布在第二段，具體地質(zhì)、巖爆分布見圖一(圖一見附頁)第一段(K82+816K79+580):巖性以含綠色礦物混合花崗巖為主，間夾蝕 變閃長巖

3、、閃長玢巖、偉晶巖及長英巖等巖脈，除蝕變閃長巖外，其余巖石強(qiáng)度 高、變形?。ㄒ姳?）,巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，斷裂構(gòu)造發(fā)育，有大小斷層 15層，皆為壓性逆斷層，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育一發(fā)育，地下水局部較發(fā)育，主 要為滲水、滴水和小股流水。本段圍巖主要為III-W類，斷層帶及蝕變閃長巖發(fā) 育地段為IIIII類，隧道埋深50600m，具中等地應(yīng)力（見表2），主要地質(zhì)災(zāi) 害是圍巖坍方，局部有輕微的巖爆現(xiàn)象。第二段（K79+580K75+180）:巖性以混合片麻巖為主，間夾角閃片麻巖、 黑云母片巖殘留體、長英巖及偉晶巖巖脈等，巖石強(qiáng)度高、變形小（見表1）， 巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微-較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙不發(fā)育或

4、較發(fā)育，斷層局部發(fā)育， 地下水不發(fā)育，僅少數(shù)地段有滲水、滴水或小股流水。本段圍巖主要為W-V類， 局部斷層帶為II-III類，隧道埋深500-1350m，本段全屬高應(yīng)力區(qū)（見表2），主 要地質(zhì)災(zāi)害是巖爆，局部地段有圍巖破碎所引起的圍巖坍方。3、巖爆發(fā)生條件經(jīng)勘測(cè)及秦嶺鐵路隧道巖爆的研究表明：巖爆的發(fā)生主要由地應(yīng)力和巖性兩 個(gè)因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲(chǔ)能性能的彈脆性巖體，隧道初始應(yīng)力 條件要求達(dá)到高應(yīng)力水平。秦嶺終南山隧道的巖爆主要發(fā)生在第二段（K79+580K76+180）的混合片麻巖段，混合片麻巖屬極硬巖，其彈性能量指數(shù)（Wet）和脆性指數(shù)（Kr）都高。第二段圍巖埋深大，巖體完整性

5、好，受構(gòu)造影 響輕微，圍巖的初始地應(yīng)力及隧道開挖后形成的最大切向應(yīng)力都較高，最大主應(yīng) 力。=34.05Mpa，屬于高地應(yīng)力水平，滿足發(fā)生巖爆的條件。根據(jù)秦嶺鐵路隧道 施工實(shí)際調(diào)查和巖爆課題組的研究成果，得出秦嶺終南山公路隧道巖爆發(fā)生的臨 界條件為： TOC o 1-5 h z RcN15Rt(1)WetN2.0(2)a e 0.3 Rc(3)KvN0.55(4) 其中：Rc巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)。Rt巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)。a e 一隧道洞壁最大切向應(yīng)力，a e = （3a 1-a 3）。Kv一巖體的完整性系數(shù)，由巖體和巖塊的縱波速計(jì)算得到。表1巖石強(qiáng)度及變形參數(shù)測(cè)試結(jié)果取

6、樣位 置巖 性抗壓強(qiáng)度Rc （MPa）抗拉強(qiáng) 度Rt （MPa）彈性模量Et （MPa）泊松比M彈性能量 指數(shù)Wet脆性指數(shù)Kr= (Rc/Rt)K78+980混合花崗LU 巖140.1110.247.8X100.196.2513.68K77+176混合片麻LU 巖131.99(127.12)9.445.1X10(4.8X10)0.177.44(7.12)13.98K76+906混合片麻LU 巖177.8813.275.8X100.176.5313.40表2鐵路隧道II線平導(dǎo)三維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)公路隧道里程主應(yīng)力（MPa）主應(yīng)力傾角（0）主應(yīng)力方位角（0）隧道開挖后最大 切應(yīng)力（MPa）a

7、o = （3a 1-o 3）隧道埋 深H（m）。1。2。3a 1a 2a 3P 1P 2P 3K81+09515.0710578.321.4147633124162-37.4270K76+15634.0527.7514.99747153014323587.169704、巖爆類型及特征4.1巖爆類型。通過對(duì)出口段施工過程圍巖巖爆的觀察、分析研究，將圍巖巖爆的類型按破 裂程度大小特征分為以下4種：4.4.1彈射型巖爆此種類型巖爆發(fā)生在極堅(jiān)硬、極完整的圍巖的巖壁上，呈零星斷續(xù)出現(xiàn)，一 般是在開挖后6-12小時(shí)發(fā)生，發(fā)生時(shí)有清脆的“啪、啪”聲響，隨即有約510cm 大小的中間厚邊緣薄的巖片彈出（彈射距

8、離2-7m）或煙霧狀的巖粉噴射出（即 所謂“冒煙”）。此種類型巖爆無明顯預(yù)兆，持續(xù)時(shí)間短（一般幾個(gè)小時(shí)），對(duì) 隧道破壞和機(jī)械損壞影響不大，但對(duì)施工人員的安全威脅較大。4.4.2爆炸拋射型巖爆此種類型巖爆也是零星斷續(xù)出現(xiàn)，一般也是在開挖后6-12小時(shí)內(nèi)發(fā)生，發(fā) 生時(shí)首先有“啪、啪”聲響，緊接著像放大炮一樣“砰”的一聲巨響，隨著響聲 可見到大小不一的片狀、塊狀巖塊（最大2030cm）和巖粉被拋擲出來，拋擲 距離5-7m,沿爆坑深度一般20-50cm。此種類型巖爆持續(xù)時(shí)間一般也只有幾個(gè)小 時(shí)，但有一定規(guī)模，也具備一定的偶然性和突然性，對(duì)機(jī)械和施工人員的安全有 較大影響，對(duì)隧道的破壞也有一定影響。4.

9、4.3破裂剝落型巖爆此種巖爆在圍巖開挖30分鐘即發(fā)生，局部地段開挖后一年后還能發(fā)生，巖 爆發(fā)生時(shí)有時(shí)能聽到“啪”或“嘎”，或“啪、啪、啪”或“嘎、嘎、嘎”聲響， 隨即出現(xiàn)巖面開裂，然后發(fā)生剝落。巖爆坑規(guī)模較大，最大為長X寬X深達(dá) 10X7X2.5(m),剝落的巖塊為片狀、板狀，大小不一，最大為3.0X3.5X0.8(m)。 此種類型巖爆從出現(xiàn)響聲一開裂一剝落有一個(gè)持續(xù)過程，但因其規(guī)模大、歷程長， 對(duì)隧道的破壞、對(duì)機(jī)械和施工人員的安全等都有很大的影響。4.4.4沖擊地壓型巖爆此種類型巖爆出現(xiàn)在條帶狀混合片麻巖中含黑云母片巖地段，黑云母片巖厚 度為5-10cm的薄層狀、條帶狀，與緩傾斜的片麻節(jié)理產(chǎn)

10、狀基本一致。隧道開挖 后，線路左側(cè)拱部、邊墻出現(xiàn)與開挖面基本一致的塌落邊幫，并伴有沉悶的爆落 響聲。在實(shí)際施工中，為了方便施工將巖爆按規(guī)模和烈度分為：輕微巖爆、中等巖爆、 強(qiáng)烈?guī)r爆三種類型。輕微巖爆規(guī)模小，一般多為彈射型、沖擊地壓型巖爆。巖爆 坑較淺，厚度一般小于10 cm，巖爆坑沿隧道軸向長度小于10m，呈零星分布。 中等巖爆多為爆炸拋射型和破裂剝落型巖爆，巖爆坑呈三角形、弧形及梯形，連 續(xù)分布，規(guī)模較大，巖爆坑一般幾十厘米深，最大達(dá)150 cm，沿隧道軸線長1020m， 成片分布。強(qiáng)烈?guī)r爆多為破裂剝落性巖爆，巖爆坑連續(xù)分布，最深可達(dá)4.3 m， 沿隧道軸線長大于20 m。剝落的巖塊尺寸大，

11、數(shù)量多，生成大量超挖現(xiàn)象，洞 形不規(guī)則，對(duì)正常施工及洞室穩(wěn)定影響大。4.2巖爆特征4.2.1終南山特長公路隧道出口開挖段圍巖中發(fā)生的巖爆，主要分布在靠近 秦嶺嶺脊。隧道埋深較大(500-1350m)及地應(yīng)力最高處(K76+156主地應(yīng)力值 O 1、O 2、o 3 分別為 34.05Mpa、27.75 Mpa、14.99 Mpa)的地段。4.2.2強(qiáng)烈?guī)r爆多發(fā)生在掌子面后方12倍洞徑范圍內(nèi)。此范圍正是開挖后 地應(yīng)力場調(diào)整最強(qiáng)烈、地應(yīng)力高度集中的區(qū)域。強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生時(shí)間一般在響炮后 30分鐘一8小時(shí)左右出現(xiàn)，24小時(shí)后烈度及頻率開始不同程度降低。4.2.3終南山特長公路隧道出口開挖段，巖爆主要發(fā)生在

12、巖性為條帶狀混合 片麻巖夾角閃長英巖、花崗偉晶巖、黑云母片麻巖的第二巖性段中，并且主要集 中在隧道中連續(xù)分布長度較長、堅(jiān)硬完整的V類圍巖中，這可能與這些地段的巖 體對(duì)地應(yīng)力的積蓄、貯藏有利有關(guān)。條帶狀混合片麻巖中的角閃片麻巖、長英巖、 花崗偉晶巖等巖脈的尖端往往是巖爆起爆點(diǎn)，這是因?yàn)檫@些地方既是應(yīng)力集中地 帶又是圍巖中的高地應(yīng)力容易釋放的地帶。4.2.4在隧道中巖爆主要發(fā)生在線路左側(cè)拱腳及右側(cè)墻腳附近，左側(cè)拱腳附 近圍巖剝落較嚴(yán)重，巖爆坑規(guī)模較大，而右側(cè)墻腳圍巖只出現(xiàn)片狀開裂。這可能 與該段最大主地應(yīng)力的方向?yàn)镹30E，傾角為74。有關(guān)，同時(shí)也可能受到重力 的影響。4.2.5終南山特長公路隧道

13、出口開挖段發(fā)生的巖爆，主要是破裂剝落型巖 爆。其特點(diǎn)是爆落的巖塊多，巖爆坑深、規(guī)模大，持續(xù)的時(shí)間長。因此，這種類 型的巖爆在隧道的正常掘進(jìn)、底部清渣、圍巖支護(hù)及出渣等作業(yè)都有很大的影響。5、巖爆段施工處理措施5.1巖爆地段的防護(hù)措施5.1.1在巖爆段開挖前，注意收集秦嶺鐵路隧道II線在開挖過程中的巖爆 地質(zhì)資料，包括巖爆類型、規(guī)模、分布里程與巖爆具體位置，作到事先預(yù)報(bào)，提 前做好巖爆防治的技術(shù)準(zhǔn)備和施工準(zhǔn)備工作。5.1.2給施工人員配戴鋼盔、穿防彈背心，主要防止彈射型巖爆傷人。在支 護(hù)區(qū)設(shè)專職安全員，隨時(shí)觀察圍巖狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，及時(shí)向帶班干部匯報(bào)，作 到及時(shí)支護(hù)或組織人、機(jī)暫時(shí)躲避。5.1.

14、3在巖爆地段，開挖后及時(shí)向掌子面及洞壁進(jìn)行噴灑高壓水，降溫除塵， 潤濕巖面，提高圍巖的塑性，這在一定程度可以減輕巖爆的強(qiáng)烈程度。5.1.4對(duì)施工打眼臺(tái)車進(jìn)行改造，在臺(tái)車上方及側(cè)面設(shè)立鋼筋防護(hù)網(wǎng)。在進(jìn) 行鉆眼施工時(shí)必要在掌子面處也設(shè)立鋼筋防護(hù)網(wǎng)，以確保施工人員的安全。5.2開挖措施5.2.1加強(qiáng)光面爆破，保證開挖洞室輪廓圓順，避免造成局部應(yīng)力集中而加 劇巖爆。5.2.2在中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆地段采取短進(jìn)尺（2m/循環(huán)）、多循環(huán)、弱爆 破措施。5.2.3針對(duì)巖爆類型及大小，提前打應(yīng)力釋放孔或超前摩擦錨桿支護(hù)。超前 摩擦錨桿采用40鋼管，長度3 m，用三臂液壓臺(tái)車施工，安設(shè)的位置主要在 拱頂及左右邊墻

15、的上部，間距11.5 m。在巖爆地段的洞壁上打應(yīng)力釋放孔， 孔徑?5，孔深23m，間距11.5m，以達(dá)到減弱巖爆的強(qiáng)度。5.2.4改變開挖方式，預(yù)留巖爆層。在K76+345 K76+392發(fā)生過強(qiáng)烈?guī)r爆， 整個(gè)拱頂及右邊墻上部處圍巖被爆下來的巖層厚達(dá)0.5m 3m，造成了大量超挖， 處理困難。施工中采用短進(jìn)尺2m/循環(huán)，預(yù)留2m厚的巖爆處理層，巖爆過后再 進(jìn)行二次擴(kuò)挖爆破、支護(hù)，較好地通過強(qiáng)烈了巖爆段。5.3支護(hù)措施5.3.1發(fā)生輕微巖爆時(shí)，仔細(xì)對(duì)洞壁及掌子面進(jìn)行危巖清撬后，及時(shí)噴3cm 厚混凝土進(jìn)行封閉圍巖。初噴完后進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，錨桿為0 22,長度2.5m， 間距0.81.5m。在拱部掛鋼筋網(wǎng)(0 8鋼筋，間距25 cm)，后進(jìn)行二次噴射 混凝土，厚度9cm。5.3.2發(fā)生中等巖爆時(shí)，支護(hù)與發(fā)生輕微巖爆時(shí)處理措施類似，不同點(diǎn)是掛 網(wǎng)后在錨桿外露端頭進(jìn)行橫焊0 22的鋼筋加固后再進(jìn)行二次噴射混凝土施工。5.3.3強(qiáng)烈?guī)r爆對(duì)施工人員及施工設(shè)備的威脅最大，必要時(shí)進(jìn)行避讓，等巖 爆強(qiáng)度基本平靜下來再進(jìn)行支護(hù)。對(duì)強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域必須進(jìn)行鋼拱架支撐、錨噴掛 鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，鋼拱架1棉/m，與噴錨網(wǎng)形成聯(lián)合支護(hù)體系。6、結(jié)束語通過對(duì)秦嶺終南山公路隧道出口段7600m長度范圍內(nèi)的巖爆研究、分析及處 理，較好地通過了巖爆段，沒有發(fā)生人員傷亡事故。經(jīng)施工過后對(duì)巖爆段進(jìn)行的 觀察，洞壁未再產(chǎn)生各種