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)載標(biāo)簽： 秦嶺終南山公路隧道巖爆特征施工措施分類： 橋隧專業(yè) 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“銀川西安武漢”和“二連浩特包頭西安北?！眱蓷l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)與柞水縣營盤鎮(zhèn)之

2、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、閃長玢巖、偉

3、晶巖及長英巖等巖脈，除蝕變閃長巖外，其余巖石強(qiáng)度高、變形小（見表1），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-類，斷層帶及蝕變閃長巖發(fā)育地段為類，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?。ㄒ姳?），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)育或較發(fā)育，斷層局部發(fā)育，地下水不發(fā)育，僅少數(shù)地段

4、有滲水、滴水或小股流水。本段圍巖主要為-類，局部斷層帶為-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)力和巖性兩個因素決定，巖性條件要求巖石具有良好儲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

5、較高，最大主應(yīng)力1=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： Rc15Rt （1） Wet2.0 （2） 0.3 Rc （3） Kv0.55 （4）其中：Rc巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測。 Rt巖石的單軸抗拉強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測。 隧道洞壁最大切向應(yīng)力，=(31-3)。 Kv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)測試結(jié)果取樣位置巖 性抗壓強(qiáng)度Rc（MPa）抗拉強(qiáng)度Rt（MPa）彈性模量Et（MPa）泊松比彈性能量指數(shù)Wet脆 性 指 數(shù)Kr=（Rc

6、/Rt）K78+980混合花崗巖140.1110.247.8100.196.2513.68K77+176混合片麻巖131.99(127.12)9.445.110(4.810)0.177.44(7.12)13.98K76+906混合片麻巖177.8813.275.8100.176.5313.40表2 鐵路隧道II線平導(dǎo)三維地應(yīng)力測試結(jié)果對應(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）=(31-3)隧道埋深H(m)123123123K81+09515.0710578.321.414763312416237.4270K76+15634.0527.751

7、4.99747153014323587.169704、巖爆類型及特征 4.1 巖爆類型。 通過對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小時發(fā)生，發(fā)生時有清脆的“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)時間短（一般幾個小時），對隧道破壞和機(jī)械損壞影響不大，但對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

8、續(xù)出現(xiàn)，一般也是在開挖后6-12小時內(nèi)發(fā)生，發(fā)生時首先有“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)時間一般也只有幾個小時，但有一定規(guī)模，也具備一定的偶然性和突然性，對機(jī)械和施工人員的安全有較大影響，對隧道的破壞也有一定影響。 4.4.3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)生時有時能聽到“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，最大為長寬深

9、達(dá)1072.5（m）,剝落的巖塊為片狀、板狀，大小不一，最大為3.03.50.8(m)。此種類型巖爆從出現(xiàn)響聲開裂剝落有一個持續(xù)過程，但因其規(guī)模大、歷程長，對隧道的破壞、對機(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)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

10、，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，數(shù)量多，生成大量超挖現(xiàn)象，洞形不規(guī)則，對正常施工及洞室穩(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1、2、3分別為3

11、4.05Mpa、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)生時間一般在響炮后30分鐘8小時左右出現(xiàn)，24小時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)硬完整的類圍巖中，這可能與這些地段的巖體對地應(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@

12、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)，同時也可能受到重力的影響。 4.2.5終南山特長公路隧道出口開挖段發(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

13、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，隨時觀察圍巖狀態(tài)。如發(fā)現(xiàn)險情，及時向帶班干部匯報(bào)，作到及時支護(hù)或組織人、機(jī)暫時躲避。 5.1.3在巖爆地段，開挖后及時向掌子面及洞壁進(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對施工打眼臺車進(jìn)行改造，在臺車上方及側(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)

14、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，用三臂液壓臺車施工，安設(shè)的位置主要在拱頂及左右邊墻的上部，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

15、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，仔細(xì)對洞壁及掌子面進(jìn)行危巖清撬后，及時噴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22，長度2.5m，間距0.81.5m。在拱部掛鋼筋網(wǎng)（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，支護(hù)與發(fā)生輕微巖爆時處理措施類似，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爆對施工人員及施工設(shè)備的威脅最大，必要時進(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榀/m，與噴錨網(wǎng)形成聯(lián)合支護(hù)體系。6、結(jié)束語通過對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)施工過后對巖爆段進(jìn)行的觀察，洞壁未再產(chǎn)生各種類型的巖爆，所噴的混