韓侃 楊文斌 陳賢豐 王秉勇
(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730000;2.中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司,太原 030000;3.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;4.中國(guó)中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 611731)
巴玉隧道位于藏南谷地,隧址區(qū)地面標(biāo)高3 260~5 500 m,高差達(dá)2 300 m,為典型的高山峽谷地貌。隧道起訖里程為DK190+388—DK203+461,巴玉隧道為重難點(diǎn)控制性工程,全長(zhǎng)13 073 m。隧址區(qū)地層以花崗巖、閃長(zhǎng)巖等堅(jiān)硬巖石為主,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,最大埋深2 080 m,存在巖爆、放射性、危巖落石、凍害等不良地質(zhì),特別是巖爆問(wèn)題突出,施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大,屬于Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。
巴玉隧道正洞預(yù)測(cè)巖爆段共計(jì)12 242 m,占其長(zhǎng)度的94%,其中輕微巖爆段4 106 m,中等巖爆段5 922 m,強(qiáng)烈?guī)r爆段2 214 m。巖爆發(fā)生的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、頻率不一,形態(tài)多樣,在世界隧道施工史上均屬罕見。為有效應(yīng)對(duì)隧道巖爆,對(duì)掌子面前方的地應(yīng)力、巖爆預(yù)警和預(yù)防、巖爆等級(jí)進(jìn)行深入分析,探討高原隧道巖爆施工風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控措施。
巖爆是高地應(yīng)力區(qū)隧道開挖后巖體內(nèi)部存儲(chǔ)的應(yīng)變能突然釋放,或者是原本處于極限平衡狀態(tài)的巖體由于外部擾動(dòng),開挖臨空面巖塊劇烈彈射或脫離母巖的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。隧道開挖前后,圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度時(shí)巖爆現(xiàn)象會(huì)突然發(fā)生[1]。
依據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc、最大主應(yīng)力σ1和洞壁最大切向應(yīng)力σmax,將巖爆劃分為4個(gè)等級(jí):輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆[2]。巖爆預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 巖爆預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)
隧道掌子面的巖性條件和巖層地應(yīng)力的大小是產(chǎn)生巖爆的2個(gè)決定性因素。巖爆的發(fā)生必須在巖體中先存儲(chǔ)能量再釋放能量,直到巖體最終被破壞并脫離母巖。因此,巖爆是否發(fā)生及其表現(xiàn)主要取決于巖體中是否儲(chǔ)存有足夠的能量,是否具有釋放能量的條件和方式[3]。
2.2.1 巖爆發(fā)生位置
巖爆在未發(fā)生前并無(wú)明顯的預(yù)兆,但在隧道開挖施工時(shí)突然發(fā)生,大部分巖爆發(fā)生在掌子面及后方2~3 個(gè)洞徑范圍內(nèi),有時(shí)在掌子面后方幾百米處仍會(huì)發(fā)生。巖爆發(fā)生時(shí)間主要集中在爆破后2~6 h。巖爆發(fā)生時(shí)巖石呈棱片狀、薄片狀、塊狀和板狀,伴隨著劈啪聲和清脆的爆裂聲,巖體深處偶有悶雷聲傳出,零星間斷或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(有的巖爆持續(xù)數(shù)天)。巴玉隧道隨著掘進(jìn)的進(jìn)行,埋深越來(lái)越大,正洞各掌子面均已進(jìn)入中等或強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域,施工中巖爆頻發(fā),嚴(yán)重影響施工生產(chǎn)安全與進(jìn)度[4]。
通過(guò)對(duì)已發(fā)生巖爆事件的大量統(tǒng)計(jì),巴玉隧道巖爆常發(fā)生在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較完整的Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖段和構(gòu)造應(yīng)力較集中的破碎帶。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì),巖爆發(fā)生部位以拱腰為主,占比75%以上,邊墻、掌子面、拱頂發(fā)生概率較小。
2.2.2 巖爆的危害
①巖爆彈射的石塊對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的身體和心理都會(huì)造成傷害;②對(duì)大型機(jī)械設(shè)備如鉆孔臺(tái)車、濕噴機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸車等施工機(jī)械造成損壞,維修和更換設(shè)備的頻率增加;③中等及強(qiáng)烈?guī)r爆地段,伴隨著拱頂、拱腰垮塌,施工安全風(fēng)險(xiǎn)增加;④巖爆發(fā)生時(shí),作業(yè)人員及機(jī)械設(shè)備需要停機(jī)等待,造成工效嚴(yán)重降低,工期不可控;⑤巖爆產(chǎn)生的爆坑,引發(fā)的垮塌區(qū)域,需要鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、混凝土等填充,造成材料浪費(fèi)成本增加[5]。
2.2.3 巖爆等級(jí)的判定
施工過(guò)程中對(duì)硬巖段的巖性、巖石的物理力學(xué)性能、地應(yīng)力、開挖、爆破方式等因素進(jìn)行綜合分析,綜合考慮巖爆的發(fā)生范圍、影響深度、巖石形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特征、持續(xù)時(shí)間、危害程度等多方面因素,參考微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,結(jié)合已有的巖爆判據(jù)判定巖爆等級(jí)[6]。
在巴玉隧道進(jìn)口DK190+997—DK191+047,DK191+237—DK191+287 等段落,經(jīng)巖爆預(yù)測(cè)發(fā)生輕微巖爆的概率為88.1%,無(wú)巖爆的概率為11.9%,說(shuō)明有輕微巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。
開挖至DK191+020—DK191+030 和DK191+248—DK191+275 段時(shí),掌子面發(fā)出輕微噼啪聲、撕裂聲,巖體表面出現(xiàn)分層、松脫、剝離現(xiàn)象,持續(xù)時(shí)間短,對(duì)施工干擾小,人員機(jī)械停機(jī),等待應(yīng)力釋放。
現(xiàn)場(chǎng)采取的措施:①開挖每循環(huán)不得超過(guò)3 m,盡可能全斷面開挖,一次成型,減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。②及時(shí)在掌子面和洞壁噴灑高壓水,灑水量在0.8~1.2 m3∕m,降低圍巖應(yīng)力。③在巖爆發(fā)生段落拱墻布設(shè)長(zhǎng)2 m?22的砂漿錨桿,環(huán)向和縱向間距均為1.5 m。錨桿注漿材料使用普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽和砂子(要求粒徑小于2.5 mm),水灰比0.38~0.45,膠骨比1∶0.5~1∶1,且砂漿強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)小于M20。④在巖爆發(fā)生段落拱墻布設(shè)?6 鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。采用厚8 cm 錨網(wǎng)噴射混凝土支護(hù),混凝土必須滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、厚度及其與巖面黏結(jié)力要求。
采取錨網(wǎng)噴支護(hù)后,由于加入了鋼纖維,初噴混凝土強(qiáng)度和整體性得到了提高,有利于抵抗輕微巖爆造成的破壞,深入巖層的系統(tǒng)錨桿可將巖體黏結(jié)起來(lái),增加巖體強(qiáng)度,抵抗巖體張裂破壞[7-8]。
在巴玉隧道進(jìn)口DK191+439—DK191+489、出口DK201+443—DK201+493 等段落,經(jīng)巖爆預(yù)測(cè)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為0.5%,55.3%,28.1%。無(wú)巖爆的概率為16.1%,說(shuō)明有中等巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。
開挖至DK191+445—DK191+478 和DK201+460—DK201+480 段時(shí)發(fā)生中等巖爆,掌子面發(fā)出清脆的爆裂聲,巖體表面松脫、剝離嚴(yán)重,巖爆持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),有隨時(shí)間推移向深處發(fā)展的趨勢(shì)。剝落巖體呈透鏡狀、棱板狀。爆坑最大深度0.7 m,巖塊彈射最大距離3 m?,F(xiàn)場(chǎng)采取的施工措施:①掌子面初噴10 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土封閉,進(jìn)尺控制在2.5 m 以內(nèi),盡可能全斷面開挖,一次成型,減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。②及時(shí)在掌子面和洞壁噴灑高壓水,灑水量為1.0~1.5 m3∕m。采用超前鉆孔應(yīng)力解除法釋放部分圍巖應(yīng)力。③爆破后開挖面及時(shí)初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土,鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m,采用?6鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。打設(shè)長(zhǎng)3 m?25 漲殼式中空注漿錨桿,錨桿間距1.0 m × 1.0 m,梅花形布置。安裝時(shí)錨桿墊板要將鋼筋網(wǎng)壓住后再?gòu)?fù)噴C25 混凝土5 cm,混凝土用量為1.0 m3∕m。
通過(guò)加密加深漲殼式錨桿,增加鋼纖維混凝土初噴厚度,達(dá)到快速支護(hù)效果,基本控制了中等巖爆。
在巴玉隧道進(jìn)口DK193+569—DK193+599、出口DK201+490—DK201+525 等段落,經(jīng)巖爆預(yù)測(cè)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆、中等巖爆、輕微巖爆的概率分別為65.5%,25.5%,7.2%,無(wú)巖爆的概率為1.8%,說(shuō)明有強(qiáng)烈?guī)r爆的風(fēng)險(xiǎn)。
開挖至DK193+570—DK193+588 段時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆,掌子面大量巖體碎塊出現(xiàn)彈射現(xiàn)象,巖體深處發(fā)出強(qiáng)烈的巖爆聲,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且具有延續(xù)性,并且?guī)r爆迅速向深部擴(kuò)展。巖爆巖體呈塊狀、板狀,巖體中出現(xiàn)較大的弧形凹坑,影響深度達(dá)2 m。
現(xiàn)場(chǎng)采取的施工措施:①掌子面初噴CF25 鋼纖維混凝土封閉,進(jìn)尺控制在2 m,盡可能全斷面開挖,一次成形,減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。②及時(shí)在掌子面和洞壁噴灑高壓水,灑水用量1.2~1.8 m3∕m。③為提前釋放應(yīng)力和降低圍巖應(yīng)力,在掌子面沿拱墻開挖輪廓線施作?76 超前應(yīng)力釋放孔,環(huán)向、縱向間距分別為1.5,20.0 m,單孔長(zhǎng)25 m。④施作?25 超前錨桿,環(huán)向、縱向間距分別為0.5,2.0 m,單根長(zhǎng)3.5 m。⑤在超前錨桿(或系統(tǒng)錨桿)孔、超前應(yīng)力釋放孔及炮孔進(jìn)行高壓注水,或在松動(dòng)圍巖應(yīng)力釋放孔內(nèi)裝藥爆破來(lái)提前釋放應(yīng)力。⑥爆破后開挖面初噴5 cm 厚CF25 鋼纖維混凝土,鋼纖維混凝土用量為1.0 m3∕m;采用?6鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。打設(shè)長(zhǎng)4.0 m?25漲殼式中空注漿錨桿,錨桿間距1.0 m × 1.0 m,梅花形布置。架設(shè)12 cm×12 cm格柵鋼架,縱向間距1 m,復(fù)噴厚15 cm的C25混凝土。
通過(guò)施作超前應(yīng)力釋放孔、施作超前錨桿及掌子面噴灑高壓水,提前釋放了巖體儲(chǔ)存應(yīng)力,快速錨網(wǎng)支護(hù)形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后再增設(shè)型鋼支護(hù),有效防止了應(yīng)力二次釋放[9]。
巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果表明4 處有發(fā)生劇烈?guī)r爆的風(fēng)險(xiǎn),但現(xiàn)場(chǎng)開挖后實(shí)際發(fā)生的是中等~強(qiáng)烈?guī)r爆。巖爆預(yù)警區(qū)域與實(shí)際發(fā)生區(qū)域均一致。
現(xiàn)場(chǎng)采取的施工措施:隧道開挖前在掌子面和洞壁噴灑高壓水,并在掌子面上打超前應(yīng)力釋放孔(見圖1(a))。開挖后采取噴射鋼纖維混凝土、施作預(yù)應(yīng)力漲殼式錨桿(見圖1(b))、全環(huán)鋪掛鋼筋網(wǎng)等措施,強(qiáng)烈?guī)r爆段架設(shè)I18工字鋼等加強(qiáng)支護(hù)。
圖1 巖爆防護(hù)措施
高原地區(qū)隧道鉆爆法施工總體上遵循“多電少油,多機(jī)少人”的原則[10],綜合考慮隧道的地質(zhì)條件、施工長(zhǎng)度、斷面大小、輔助坑道設(shè)置、工期要求和施工裝備對(duì)高原施工環(huán)境的適應(yīng)性,進(jìn)行機(jī)械化配置。
針對(duì)高原地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,氣候環(huán)境惡劣,施工風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn),巴玉隧道推行機(jī)械化配套施工作業(yè),見圖2。開挖生產(chǎn)線采用三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè);出渣生產(chǎn)線采用裝載機(jī)、挖掘機(jī)扒渣裝渣,北方奔馳大容量自卸運(yùn)輸車出渣;初期支護(hù)生產(chǎn)線采用普茨邁斯?jié)駠姍C(jī)械手進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。
圖2 機(jī)械化配套施工
鑒于巴玉隧道工程地質(zhì)及施工條件的特殊性,在其機(jī)械化配套施工時(shí)還應(yīng)注意:①掌子面所有施工及管理人員佩戴防爆服及防爆頭盔。對(duì)主要施工設(shè)備采取設(shè)置防護(hù)網(wǎng)、防護(hù)鋼板等安全防護(hù)措施。②臺(tái)架安裝防護(hù)網(wǎng)或鋼板,或設(shè)置移動(dòng)防護(hù)棚架防止巖塊飛落,有效保障施工人員及設(shè)備的安全。③嚴(yán)格控制每循環(huán)進(jìn)尺,加強(qiáng)鉆爆控制;盡可能采用全斷面開挖,一次成形。嚴(yán)格控制超欠挖,保證開挖面的圓順和平整度,減少臨空面,降低巖爆發(fā)生的概率。④加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地應(yīng)力測(cè)試工作,現(xiàn)場(chǎng)配備專業(yè)地質(zhì)工程師,準(zhǔn)確判別掌子面前方圍巖特性,力爭(zhēng)提前預(yù)判巖爆等級(jí),采取針對(duì)性措施。⑤開挖采用直眼掏槽和水壓爆破工藝,一方面提高光爆效果,降低對(duì)圍巖的擾動(dòng);另一方面水壓爆破產(chǎn)生的水汽有助于軟化圍巖,降低圍巖應(yīng)力,減少巖爆發(fā)生[11]。
采用機(jī)械化配套施工不但加快了施工進(jìn)度,提高了施工效率,而且減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了人員投入,確保了隧道施工安全。
針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和作業(yè)人員,應(yīng)從如下幾方面加強(qiáng)施工管理:①設(shè)置專職安全人員全天候巡視警戒及監(jiān)測(cè)(見圖3),當(dāng)聽到圍巖發(fā)出類似悶雷的聲音時(shí),盡快撤離施工人員和設(shè)備;②加強(qiáng)對(duì)施工人員的安全紀(jì)律教育,加強(qiáng)施工人員關(guān)于巖爆的常識(shí)和防護(hù)知識(shí)的學(xué)習(xí);③嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)技術(shù)和安全操作規(guī)程,危險(xiǎn)區(qū)域增加照明設(shè)施并設(shè)置明顯的警告標(biāo)志;④每個(gè)工作面安裝監(jiān)控?cái)z像裝置,清晰記錄巖爆發(fā)生情況,為后續(xù)巖爆機(jī)理研究積累素材;⑤每次巖爆發(fā)生時(shí),作業(yè)人員及設(shè)備均應(yīng)及時(shí)躲避一段時(shí)間,待巖爆平靜后方可施工;⑥加強(qiáng)機(jī)械化配套施工,減少作業(yè)人員,降低安全風(fēng)險(xiǎn);⑦施工前全面做好應(yīng)急演練,施工現(xiàn)場(chǎng)做好應(yīng)急物資儲(chǔ)備工作。
圖3 巡視警戒及監(jiān)測(cè)
巴玉隧道的工程地質(zhì)環(huán)境、地應(yīng)力條件、巖體的儲(chǔ)能和釋放能量的差異,決定了其有輕微~強(qiáng)烈的巖爆傾向。結(jié)合巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果,現(xiàn)場(chǎng)采用以下措施對(duì)巖爆區(qū)段施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)防控:
1)采用“三步走”策略,即優(yōu)化工程布置和開挖參數(shù),減少開挖引起的巖體內(nèi)部能量集中程度;采用應(yīng)力釋放措施,釋放和轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存在巖體中的部分能量;利用支護(hù)系統(tǒng),吸收巖體釋放的能量。
2)主動(dòng)預(yù)防和被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合。提前釋放圍巖應(yīng)力,同時(shí)采取噴射鋼纖維混凝土、施作預(yù)應(yīng)力錨桿、全環(huán)鋪掛鋼筋網(wǎng)等被動(dòng)防護(hù)措施。
3)采用直眼掏槽和水壓爆破工藝,提高光爆效果,降低對(duì)圍巖的擾動(dòng);水壓爆破產(chǎn)生的水汽有助于軟化圍巖,降低圍巖應(yīng)力,減少巖爆發(fā)生。
4)隧道巖爆段采用機(jī)械化配套施工,既可加快施工進(jìn)度,提高施工效率,又可最大限度地減少施工作業(yè)人數(shù),確保隧道施工安全。