高馮明

【摘 要】在中西部地區(qū)，修建特長隧道是實現(xiàn)陸路交通一體化的重要措施。特長隧道的施工方法主要有鉆爆法和隧道掘進機法。目前的研究對特長隧道的施工方法中的鉆爆法研究比較少，但是應(yīng)用又比較多，本文以某特長公路隧道為研究對象對公路隧道巖爆預(yù)測和防治方法進行研究。

【關(guān)鍵詞】特長隧道，公路隧道，巖爆分析

1.公路隧道巖爆預(yù)測

某特長公路隧道具有如埋深大、地應(yīng)力高等特點。其巖性堅硬并且較脆，這就決定了其巖爆的可能性大大增加。在現(xiàn)場勘測的基礎(chǔ)上，結(jié)合對該特長隧道特點的分析，可以得出巖爆的兩個決定性因素包括地應(yīng)用及巖性。巖性條件指的是儲能性能優(yōu)良的彈脆性巖體，隧道初始應(yīng)力條件最好是地應(yīng)力較高。在該項目中，混合片麻巖屬極硬巖，各項指標滿足上述分析的巖爆條件，因此發(fā)生巖爆的可能性較大。

根據(jù)施工經(jīng)驗以及本區(qū)域其它工程相關(guān)研究成果，在本試驗段，最大主應(yīng)力角度近90度，最大主應(yīng)力的值，地應(yīng)力較高。最大水平主應(yīng)力為N34W左右，應(yīng)力值約12.0MPa～28.0MPa，這一結(jié)果和隧道軸線大致相同，這充分說明隧道所受的力主要來自重應(yīng)力，水平側(cè)壓力影響不大。

根據(jù)相關(guān)的研究成果以及具體的實踐經(jīng)驗，可以將該特長公路隧道巖爆發(fā)生的臨界條件用下式表示：

式中：Rc-巖石的單軸抗壓強度，MPa；Rt一巖石的單軸抗拉強度，MPa：Wet磷廠巖石的彈性能量指數(shù)，MPa；σt隧道洞壁最大切向應(yīng)力，MPa，σt=3（σ1～σ3）；kv一巖體的完整性系數(shù)。

根據(jù)巖體及巖塊縱波速計算結(jié)果，同時結(jié)合有關(guān)測試結(jié)果，可以得出公路隧道可能發(fā)生的巖爆等級在輕微至中等之間。

如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為清脆，巖爆力學機制表現(xiàn)為壓致拉裂型破壞類型，多平行洞壁發(fā)生且僅涉及表層巖體，巖爆巖塊以薄片狀、透鏡狀、板狀等形狀爆裂剝離下來；如果圍巖內(nèi)部發(fā)生的爆裂聲響較為沉悶并且渾濁，則巖爆力學機制主要表現(xiàn)為剪切拉裂型破壞，具有新鮮的楔形、弧形斷口，它持續(xù)時間較長且具有累進性發(fā)育特征，破壞性較大。

2.有限元分析

利用數(shù)值計算的方法可以對巖爆進行較為精確的預(yù)測，可以為實踐提供良好的理論指導(dǎo)。在該隧道中，巖性以混合花崗巖、混合片麻巖為主。在隧道開挖中，由于隧道上相關(guān)部位的受力更加復(fù)雜，同時由于鐵路隧道的施工，巖爆發(fā)生的可能性大大增加。

為了施工安全，提早作好預(yù)防措施。率先施工試驗段，從開辟橫通道，此處洞身最大埋深1275.0m，VI類混合片麻巖，彈性模量E為5.4～9.9×104Mpa，干容重Y為2.63～2.75t/m3，內(nèi)摩擦角Ψ為33.9°～38.7°，內(nèi)聚力C為18.9～25.0MPa。根據(jù)彈性力學的理論，選取模型范圍為：橫通道取35m。采用ANSYS6.1計算軟件對隧道正洞和橫通道建立模型并進行有限元分析。采用地層與結(jié)構(gòu)模式進行加載計算。試驗段20通處為Ⅵ類混合片麻巖，其物理力學性質(zhì)如表2所示。

（1）計算結(jié)果

從上述的計算中，可以看出：

①橫通道施工的過程中，在施工至中間時，周圍圍巖應(yīng)力變化較小，但隨著施工的進行，圍巖應(yīng)力逐漸增加，特別是在橫通道拱角向上部位。

②對主洞擴展挖掘時，在橫通道邊墻與主洞初襯外側(cè)交叉部位的應(yīng)力較為集中。

③在施工過程中，往西安方向的主洞邊墻附近的應(yīng)力較為集中。

④在施工過程中，往安康方向的拱頂與墻趾附近的應(yīng)力較為集中。

⑤在開挖工作結(jié)束后，Y方向的變形不顯著，這一現(xiàn)象的出象和20通W類混合片麻巖的脆硬性質(zhì)存在一定的聯(lián)系。另外橫通道的水平應(yīng)力較大，豎直應(yīng)力也較大，主洞邊墻圍巖也存在類似的現(xiàn)象。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因主要是應(yīng)力重分布導(dǎo)致的。

（2）預(yù)測

①在橫通道施工時，不會出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。但施工至與主洞交叉部位時，在拱角處可能會產(chǎn)生巖爆。

②在主洞進行擴展挖掘過程中，在交叉位置相近處，橫通道邊墻與主洞兩側(cè)掌子面均可能產(chǎn)生巖爆。

③在施工過程中，分別在邊墻及拱頂與強制墻趾處可能產(chǎn)生巖爆。

④在整體開挖工作結(jié)束后，橫通道產(chǎn)生巖爆的可能性較大。

3.公路隧道巖爆防治方法

根據(jù)我國公路隧道的巖爆特征和地下工程巖爆防治的經(jīng)驗，在終南山公路隧道施工實踐中提出了與表2中巖爆烈度分級相對應(yīng)的各級巖爆防治措施。

在表1中，在易發(fā)生巖爆部分開挖之后，需要根據(jù)實際情況掛網(wǎng)噴錨支護，從而大幅減少巖爆的可能性；同時，換個角度看，如果進行了掛網(wǎng)噴錨支護，如果發(fā)生巖爆，實際上該作業(yè)即可構(gòu)成第一道屏障，從而保護了施工人員及施工設(shè)備。筆者認為，在初期支護加固圍巖和開挖掘進施工時，采取的措施主要包括：

1、可以根據(jù)實際情況采取分步循環(huán)作業(yè)的方式噴C20混凝土。通常，在進行鉆爆及排煙作業(yè)之后，首先應(yīng)當進行找頂及找到危石并排除，拱頂先進行一次噴注（混凝土的厚度為5cm）。在初噴完成后，即可進行出碴作業(yè)，這一過程構(gòu)成了完整的循環(huán)。二次開挖過程中，首先進行砂漿錨桿作業(yè)，再掛鋼筋網(wǎng)，隨后進行二次噴注（混凝土的厚度依然為5cm），再進行鉆爆-排煙-出碴，同時根據(jù)情況進行側(cè)邊墻的加固作業(yè)。如果再次開挖，則根據(jù)巖爆的實際情況選擇是否進行補噴，補噴時，混凝土的厚度控制在4至5cm；如果巖爆較為嚴重，則應(yīng)當對破壞了的鋼筋網(wǎng)進行修補或加掛，從而保障施工時的人員及設(shè)備安全。

2、在臺架安裝完畢后，通常即可進行系統(tǒng)錨桿作業(yè)。多年的施工經(jīng)驗表明，對于巖爆易發(fā)部位，錨桿應(yīng)當短一點，通常在2至3.5m之間，按梅花型進行布置，相對于普通錨桿密度較大，根據(jù)巖爆烈度實際情況確定錨桿的長度及間距。錨桿密度較大的主要原因包括：第一，方便未來掛網(wǎng)施工；第二，能夠有效避免巖爆巖石松脫、剝離等情況的出現(xiàn)；第三，與噴網(wǎng)構(gòu)成有機整體，有效加固圍巖。

3、在系統(tǒng)錨桿施工完畢后應(yīng)當立刻進行鋼筋網(wǎng)安裝工作。多年的施工經(jīng)驗表明，在實際施工時，可以不采取原設(shè)計時的分片狀掛網(wǎng)方式，而采取掛"整體網(wǎng)"：也就是利用多個長鋼筋與錨桿焊接一起形成骨架，與此同時再將片狀掛網(wǎng)焊接在一起從而構(gòu)成整體，布置時貼近周壁巖石。這一方法的優(yōu)點包括：由于鋼筋網(wǎng)形成了整體，可以有效避免巖爆時發(fā)生失效的現(xiàn)象；形成的整體網(wǎng)由于連接更加牢固，對于噴、錨、網(wǎng)均有良好的作用。

4、為了增強光面爆破效果，可以采取導(dǎo)洞超前全斷面跟進的方法來進行施工。在選擇炸藥時，應(yīng)當選擇與硬巖相似的、猛度較高、威力較強的水膠炸藥。對于巖爆發(fā)生可能性非常低的部位，可以增加周邊眼的密度，周邊眼采用20小藥卷不耦合裝藥，以便降低爆破產(chǎn)生的影響。另外增強光面爆破技術(shù)管理，從而保障開挖輪廓線圓順，同時降低應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

5、采取一定的方式將部分能量釋放。例如，如果巖爆較為輕微，可以用高壓水對巖石進行沖洗，從而潤濕巖石，釋放部分能量。

6、采取短進尺，多循環(huán)，弱爆破、強支護的措施，以方便找頂，對危石進行有效處理，如果巖爆較為猛烈，應(yīng)當進行回避，同時施工過程中需要采取適當措施保障施工設(shè)備的安全。

7、在開挖面施工后應(yīng)當立即進行初期支護施工，具體措施是在爆破后，緊接著即將混凝土噴射至拱部及側(cè)壁，隨后需要加錨桿及鋼筋網(wǎng)進行初期支護。控制巖層暴露的時間，保障人員及施工設(shè)備安全。

參考文獻：

[1]徐則民，黃潤秋.深埋特長隧道及其施工地質(zhì)災(zāi)害.西南交通大學出版社，2000.5