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        高速公路特長隧道施工巖爆的防治技術(shù)

        2016-04-11 06:32:34岳云霄
        鐵道建筑 2016年2期
        關(guān)鍵詞:導坑巖爆掌子面

        岳云霄

        (中鐵十九局集團有限公司,北京 100176 )

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        高速公路特長隧道施工巖爆的防治技術(shù)

        岳云霄

        (中鐵十九局集團有限公司,北京100176 )

        摘要:重慶至長沙高速公路白云隧道工程深埋段施工面臨巖爆問題。為降低該隧道施工安全風險,本文總結(jié)了巖爆發(fā)生的規(guī)律、分類和預測方法,并從施工組織、加快圍巖中高地應力的釋放、避讓巖爆危險、控制開挖進尺與控制爆破、加強初期支護等五個方面闡述了施工過程中所采用的巖爆防治技術(shù)。

        關(guān)鍵詞:隧道施工巖爆高地應力防治技術(shù)

        多數(shù)特長隧道的中段,由于洞身埋置深度大,圍巖的整體性好,施工中往往會有巖爆發(fā)生。這是因為隧道的圍巖被深埋在地下,聚集了很高的地應力,一旦在圍巖中開挖隧道,開挖面四周的巖層突然卸載,圍巖內(nèi)聚集的高地應力瞬間被釋放,因而巖層會發(fā)生片狀、塊狀突然爆裂而被拋射出去,這就是所說的巖爆[1]。巖爆的發(fā)生具有突發(fā)性,拋射的方向、遠近、巖塊的形狀、大小均難以預測,拋射出來的巖塊對施工人員的安全構(gòu)成極大的威脅,還可能砸壞施工機械和設(shè)備,嚴重影響施工進度。

        1 巖爆發(fā)生的規(guī)律

        綜合施工中的經(jīng)驗和專家們的著述,發(fā)現(xiàn)巖爆的發(fā)生有以下規(guī)律[1]:

        1)巖爆一般發(fā)生在隧道埋深較大(例如>800 m)的圍巖之中。圍巖埋置很深,具有很高的地應力,隨著隧道的開挖,圍巖內(nèi)聚集的高地應力得到瞬間釋放,才會發(fā)生巖爆。說明圍巖的埋置深度越大,巖爆發(fā)生的可能性就越大。

        2)巖爆一般發(fā)生在整體性好、級別高、比較硬脆的圍巖之中,如花崗巖、石灰?guī)r、石英巖等圍巖中發(fā)生巖爆的幾率高。說明巖爆的發(fā)生與圍巖的巖性有直接關(guān)系。

        3)斷層破碎帶和裂隙、節(jié)理比較發(fā)育的圍巖之中巖爆一般不會發(fā)生。說明巖爆的發(fā)生與圍巖的構(gòu)造有直接關(guān)系。

        4)相同條件下(埋置深度、巖性、構(gòu)造等),比較干燥的圍巖發(fā)生巖爆的幾率高,而地下水豐富的地段幾乎不會發(fā)生巖爆。這說明巖爆的發(fā)生與圍巖的干燥程度有直接關(guān)系。

        5)隧道開挖面比較圓順,光面爆破效果比較好的地段,發(fā)生巖爆的烈度明顯比超、欠挖較大的地段要低。說明巖爆的發(fā)生與隧道開挖面的圓順程度有較大的關(guān)系。

        6)巖爆發(fā)生概率高的地段大致在距掌子面3倍開挖寬度的范圍內(nèi)。距掌子面越近,巖爆越易發(fā)生,距掌子面越遠,隧道開挖的時間越長,高地應力經(jīng)過一段時間的釋放,巖爆發(fā)生的概率就越低。

        7)在開挖面上,巖爆易發(fā)生的部位主要在拱部和邊墻的上部,距地面越高,發(fā)生巖爆的概率越高。

        8)巖爆發(fā)生的時間規(guī)律為:①從掌子面開挖爆破起3 h以內(nèi),巖爆頻繁發(fā)生,次數(shù)多,強度大。一直到開挖爆破7 d以內(nèi),巖爆仍然不斷發(fā)生,次數(shù)和強度雖然有些減弱,但其危害仍然存在。從掌子面開挖爆破起7 d以內(nèi)一般稱為巖爆嚴重期。②從開挖爆破7 d 到2個月之內(nèi),雖然巖爆的次數(shù)和強度都減小了,但巖爆仍然會時有發(fā)生。這段時間一般稱為巖爆的延續(xù)期。③從掌子面開挖爆破起2個月以后,圍巖高地應力基本得到釋放,巖爆發(fā)生的概率很低。2個月以后一般稱為巖爆的穩(wěn)定期。④隨時間的發(fā)展,巖爆由拱部、邊墻的表層逐漸向巖層深處發(fā)展,表現(xiàn)為巖層內(nèi)部的崩裂(巖層內(nèi)部的悶響)。

        9)巖爆發(fā)生時,巖層內(nèi)部會發(fā)出爆裂的聲響。當發(fā)出清脆的撕裂聲時,巖層內(nèi)部會產(chǎn)生因壓致拉的爆裂類型。此時巖爆僅發(fā)生在圍巖的表層,爆裂縫平行于巖壁,爆裂出來的巖塊呈片狀。當發(fā)出沉悶的爆裂聲時,巖層內(nèi)部會產(chǎn)生因壓致剪切拉裂的爆裂類型。此時爆裂出來的巖塊呈塊狀,爆裂后巖面上能看到楔形、弧形的裂口,裂口處有明顯的擦痕。一般前一種爆裂持續(xù)時間短,破壞性小些,后一種爆裂持續(xù)時間長。

        2 巖爆的分類

        國內(nèi)外學者對巖爆的類型劃分和烈度劃分意見尚不一致。通過總結(jié)白云隧道巖爆發(fā)生段施工經(jīng)驗,本文把巖爆的烈度劃分為三種:①較弱型巖爆,掌子面爆破后圍巖內(nèi)部的爆烈聲響不大,爆裂出來的巖塊塊徑不大、數(shù)量不多,多以掉落的形式出現(xiàn)。②中強型巖爆,掌子面爆破后圍巖內(nèi)部有放鞭炮似的清脆爆烈聲響,爆裂后形成的巖坑直徑可以大到1~2 m,爆裂出來的巖塊數(shù)量較多,多以彈射的形式出現(xiàn)。③較強型巖爆,掌子面爆破后圍巖內(nèi)部有巨大的爆裂聲響,爆裂后形成的巖坑直徑很大,甚至大到2 m以上,爆坑連續(xù),爆裂出來的巖塊數(shù)量很多,多以高速彈射的形式出現(xiàn),石塊多有銳利的尖角。

        3 巖爆的預測

        巖爆的預測方法較多[2-3],典型的如RUSSENS的應力強度比法、KIDYBINSKI的彈性應變能指數(shù)法、陶振宇的強度應力比法、張志強和關(guān)寶樹的應力強度比法等。通過施工實踐,筆者認為張志強和關(guān)寶樹的應力強度比法應用起來較為簡單、方便。該法是用洞壁最大切向應力(σθmax)和巖石單軸抗壓強度(σc)之比來確定巖爆發(fā)生的烈度。當σθmax/σc<0. 15時一般會發(fā)生較弱型巖爆或不發(fā)生巖爆,當其在0. 15~0. 25時一般會發(fā)生中強型巖爆,當其>0. 25時一般會發(fā)生較強型巖爆。

        4 白云隧道巖爆防治技術(shù)

        重慶至長沙高速公路白云隧道工程,設(shè)計為上下行分離雙洞四車道高速公路隧道,左線隧道長7 097. 897 m,右線隧道長7 120 m。隧道最大埋深1 286 m,埋深超過800 m的段落長度約有860 m。

        白云隧道中段的圍巖以厚層石灰?guī)r、灰?guī)r為主,巖層產(chǎn)狀呈厚層狀構(gòu)造,巖體呈大塊砌體結(jié)構(gòu),巖石完整性較好,孔隙度較低,裂隙率較小,抗風化能力較強,風化程度低,自穩(wěn)性較好,基本上無地下水。

        該隧道巖爆發(fā)生段施工過程中發(fā)生中強型巖爆的地段較長,約占巖爆發(fā)生段總長度的63% ;較弱型巖爆地段較少,約占總長度的30% ;較強型巖爆地段最少,約占總長度的7%。巖爆烈度的段落分布與隧道的埋置深度有直接關(guān)系。巖爆段的兩端多發(fā)生較弱型巖爆,隧道的埋置深度一般在800~950 m,中強型巖爆一般發(fā)生在埋置深度950~1 200 m段,較強型巖爆地段集中在巖爆段的中部,隧道的埋置深度一般>1 200 m。

        施工過程中使用了文獻[4]介紹的ESG型微震監(jiān)測系統(tǒng)和實施方法對巖爆進行預測。

        文獻[5]規(guī)定,巖爆發(fā)生段隧道施工過程中必須遵循“以防為主、防治結(jié)合”的原則。根據(jù)對巖爆發(fā)生規(guī)律的分析,施工過程中采取了以下巖爆防治措施。

        1)加強施工組織

        巖爆發(fā)生段施工過程中,全天必須有項目部負責人在掌子面值班;組建安全監(jiān)控組;對所有參建人員進行巖爆防治的安全教育;落實防治工作所需要的材料、設(shè)備等。

        2)加快圍巖中高地應力的釋放

        ①用潛孔鉆機在掌子面上鉆5~8個、長10~30 m、直徑70~90 mm的超前鉆孔,使圍巖中的高地應力提前得到釋放。

        ②在進入較強型巖爆段后,改變開挖方法,將原來采用的全斷面開挖法改為先在斷面的下部開挖一個5 m(寬)×4 m(高)的下導坑,下導坑完成以后再返回來擴大斷面。下導坑的開挖不但能使圍巖中的高地應力提前得到釋放,還因為導坑的斷面小,可以減輕巖爆飛石造成的危害,處理危石也比大斷面方便。這樣處理后,施工中基本上沒有發(fā)生較強的巖爆,只發(fā)生一些輕微的巖爆。施工中下導坑的實際開挖長度為70 m。下導坑開挖過程中,為避開巖爆的強烈爆發(fā),可以采取先護頂、再出砟的施工方法。具體做法是:開挖爆破→在有薄鋼板防護的情況下,先從遠處向暴露出來的拱、墻和掌子面噴射冷水→用噴射機械手對拱、墻、掌子面噴射一層厚70 mm左右、C25鋼纖維混凝土→打拱部和邊墻上部的安全防護錨桿,掛細目鋼絲網(wǎng)→出砟→補做邊墻下部的安全防護錨桿,掛細目鋼絲網(wǎng)。

        ③在較弱型和中強型巖爆地段,在掌子面上向前和向拱、墻四周鉆長10 m,φ70 mm的孔,向鉆孔中高壓注水,同時向掌子面和拱、墻四周圍巖表面噴灑冷水。這些措施能夠軟化圍巖,加快圍巖的應力釋放,減輕巖爆發(fā)生的烈度。

        ④采用松動爆破或震動爆破的方法,在圍巖內(nèi)部造成裂縫,也能使圍巖中的高地應力提前得到釋放。

        3)避讓巖爆的措施

        ①由于從掌子面爆破起3 h以內(nèi)巖爆發(fā)生最為頻繁,因此,在此時段內(nèi)停工以避免傷人事故。

        ②在巖爆發(fā)生段施工時,掌子面處配置專職的安全防護員,負責觀察、記錄巖爆發(fā)生情況,監(jiān)聽圍巖內(nèi)部的爆烈聲響,觀察拱、墻表面圍巖的變化,結(jié)合ESG型微震監(jiān)測系統(tǒng)對巖爆進行判斷,遇有險情立即鳴哨警戒,并組織掌子面上的施工人員迅速撤離。

        ③在較弱型和中強型巖爆地段施工時,采取一些防護措施,如在鉆孔臺車、運輸車輛、裝砟機上安裝防飛石的薄鋼板、在拱部和邊墻上部打臨時錨桿并掛細目鋼絲網(wǎng)、使用噴射機械手對易發(fā)巖爆的拱腰和拱腳等處噴一層厚6~8 cm,C25的鋼纖維混凝土等。

        ④在較強型巖爆發(fā)生段的下導坑中,打@ 1. 0 m× 1. 0 m、長2. 5 m、φ50 mm的楔管式錨桿,帶墊板,掛細目鋼絲網(wǎng),防止飛石傷人。必要時可以采取超前支護、掌子面噴護、增加鋼架支撐等防護措施。

        4)控制開挖進尺和控制爆破措施

        巖爆發(fā)生段施工過程中必須控制開挖進尺。全斷面開挖時每循環(huán)進尺不超過2 m。爆破作業(yè)采用光面爆破和預裂爆破技術(shù),嚴格控制裝藥量,減少超欠挖,盡量使開挖面圓順,避免巖面出現(xiàn)突起和尖銳棱角,加強找頂和清理危石,減少巖爆發(fā)生的條件。

        5)加強初期支護

        加強初期支護,用系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土封閉巖面,是防止巖爆發(fā)生的根本辦法。

        不同巖爆類型加強初期支護的參數(shù)見表1。

        表1不同巖爆類型加強初期支護參數(shù)

        5 結(jié)語

        白云特長公路隧道中段施工中,在長約860 m的段落發(fā)生了巖爆。施工過程中通過總結(jié)已有的巖爆發(fā)生規(guī)律研究成果,并吸取其它施工單位的成功經(jīng)驗,提出了一套巖爆防治技術(shù),有效降低了施工安全風險,順利地完成了施工任務。

        參考文獻

        [1]邊鵬飛,趙宗志.蒼嶺隧道施工巖爆預防與防治[J].公路交通技術(shù),2009( 2) : 137-139.

        [2]張韶華.隧道施工中巖爆形成機理及防治措施[J].甘肅科技,2009( 10) : 114-115.

        [3]張志強,關(guān)寶樹,翁漢民.巖爆發(fā)生條件的基本分析[J].鐵道學報,1998,20( 4) : 82-85.

        [4]李方利.強巖爆隧道施工技術(shù)[J].國防交通工程與技術(shù),2012( 2) : 55-58.

        [5]鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院.TZ 204—2008鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社,2008.

        (責任審編李付軍)

        Prevention-and-treatment technologies against rockburst in super-long tunnel on expressway

        YUE Yunxiao

        ( China Railway 19th Bureau Group Corporation,Beijing 100176,China)

        Abstract:T unnel deeply buried section construction of Chongqing-changsha baiyun tunnel engineering faced the problem of rockburst.T o reduce the safety risk of construction,rockburst rules,classification and prediction methods were summarized in this paper.Prevention-and-treatment technologies against rockburst in baiyun tunnel engineering were introduced from 5 aspects including construction plan,accelerating the release of high ground stress in surrounding rocks,avoiding rockburst hazard,excavation footage control and blasting control,and strengthening primary support.

        Key words:T unnel construction; Rockburst; High ground stress; Prevention-and-treatment technologies

        文章編號:1003-1995( 2016) 02-0066-03

        作者簡介:岳云霄( 1968—),男,高級工程師。

        收稿日期:2015-08-11;修回日期: 2015-11-20

        中圖分類號:U455.4

        文獻標識碼:A

        DOI:10.3969 /j.issn.1003-1995.2016.02.16

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