陳照海

摘要 公路隧道工程地質(zhì)狀況復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)、施工難度大，極易產(chǎn)生施工安全事故，尤其對(duì)于深埋隧道而言，巖爆等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅施工安全，施工中加強(qiáng)巖爆防控尤為重要。鑒于此，文章針對(duì)公路深埋隧道巖爆防控技術(shù)展開綜合探究，闡述了巖爆類型、機(jī)制、評(píng)價(jià)預(yù)警與防控原則，提出了巖爆的主動(dòng)防控和被動(dòng)防控技術(shù)措施。主動(dòng)防控技術(shù)措施主要有鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、設(shè)置先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)等。被動(dòng)防控技術(shù)措施有噴錨支護(hù)、鋼支撐、柔性鋼絲網(wǎng)等。文章針對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高的隧道工程，提出了主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控措施，具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞 公路隧道項(xiàng)目；深埋隧洞；巖爆防控；防控技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類號(hào) TV554文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0093-03

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，公路隧道項(xiàng)目建設(shè)取得突出成就，運(yùn)營(yíng)里程越來(lái)越長(zhǎng)，埋置深度越來(lái)越大，有效推動(dòng)了交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展。但由于深埋隧道地質(zhì)狀況復(fù)雜，受高地應(yīng)力、高地溫、地下水及施工影響較大，極易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害，其中以巖爆最為典型，嚴(yán)重影響施工安全?，F(xiàn)階段，大部分深埋隧道施工時(shí)，結(jié)合自身實(shí)際特征，采取了科學(xué)有效的巖爆防控技術(shù)，且取得了顯著成效。但實(shí)際施工中，各隧道工程地質(zhì)、水文、環(huán)境及施工方式存在顯著差異，巖爆情況也各不相同，因此，對(duì)深埋隧道巖爆防控技術(shù)實(shí)施全面分析，具有十分重要的實(shí)踐意義。

1 巖爆類型、機(jī)制、評(píng)價(jià)預(yù)警

1.1 巖爆類型和孕育機(jī)制

按照巖爆出現(xiàn)的時(shí)間不同，可將其劃分成即時(shí)型巖爆和時(shí)滯型巖爆兩種類型。按照產(chǎn)生機(jī)理不同，又分為應(yīng)變型、斷裂滑移型2類。按照破壞程度不同，劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)等4個(gè)等級(jí)。

應(yīng)變型巖爆實(shí)質(zhì)是指巖體脆性破壞，其孕育機(jī)制為隧道圍巖在開挖過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂縫并逐漸發(fā)展、延伸，最終造成巖體破壞，當(dāng)巖體內(nèi)部彈性應(yīng)變能高于圍巖破壞釋放能量時(shí)，殘余能量將破碎石塊彈射出去，形成巖爆。而斷裂滑移型巖爆實(shí)質(zhì)是圍巖剪切滑移破壞，因圍巖結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性較為復(fù)雜，當(dāng)前對(duì)于此種類型巖爆的孕育機(jī)制尚不明確[1-3]。

1.2 巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)預(yù)警

隧道工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施綜合評(píng)估，并在施工階段對(duì)巖爆實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，能有效提升隧道項(xiàng)目巖爆防控的科學(xué)性和有效性，保證隧道施工的順利進(jìn)行。

巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)巖爆強(qiáng)度理論、剛度理論及能力理論等，提出針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，主要包含經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)與數(shù)值指標(biāo)。而巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警則是根據(jù)實(shí)際檢測(cè)方法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施預(yù)警，主要方法包括微震法、聲發(fā)射法、電磁波檢測(cè)法等。當(dāng)前使用最為普遍的方法是微震法，通過(guò)對(duì)微震情況實(shí)施全面分析，得到圍巖破壞時(shí)機(jī)、部位、能量等相關(guān)指標(biāo)，從而對(duì)圍巖狀態(tài)及破壞情況實(shí)施評(píng)估。

2 巖爆防控原則

通過(guò)對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，科學(xué)判定巖爆可能出現(xiàn)的部位及危害程度，從而采取科學(xué)有效的防控技術(shù)，以有效降低巖爆危害。巖爆防控原則包含釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力作用、改善巖體力學(xué)特性、對(duì)圍巖實(shí)施加固處理等。此外，在巖爆高發(fā)區(qū)段施工時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況對(duì)施工工藝、參數(shù)等實(shí)施優(yōu)化，以有效提升巖爆防控成效，例如采取“短進(jìn)尺、多循環(huán)”掘進(jìn)方式，或采用水壓爆破等先進(jìn)技術(shù)，合理控制爆破深度，提高爆破成型質(zhì)量[2-6]。

根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)預(yù)警及防控技術(shù)等各方面分析結(jié)果，得到深埋隧道巖爆防控整體框架，具體如圖1所示。

3 巖爆的主動(dòng)防控和被動(dòng)防控

巖爆防控主要包括主動(dòng)防控和被動(dòng)防控兩個(gè)方面。其中，主動(dòng)防控主要是在隧道施工前或施工初期采取的預(yù)防措施，通過(guò)改變巖體應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)特性，或采取超前支護(hù)等控制手段，達(dá)到消除巖爆的目的。而被動(dòng)防控則是在隧道施工過(guò)程中實(shí)施防控，主要是通過(guò)設(shè)置支護(hù)體系，提高隧道圍巖穩(wěn)定性及抗沖擊能力，達(dá)到控制巖爆目的[7-10]。

3.1 巖爆的主動(dòng)防控技術(shù)

3.1.1 鉆孔應(yīng)力釋放和超前應(yīng)力解除爆破

鉆孔應(yīng)力釋放主要是在隧道開挖過(guò)程中，通過(guò)在洞體側(cè)壁或開挖面設(shè)置孔洞，消除圍巖內(nèi)部應(yīng)力。超前應(yīng)力解除爆破則是在鉆孔達(dá)不到巖爆要求的應(yīng)力釋放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在鉆孔釋放前提下采取的爆破降壓措施。

（1）鉆孔應(yīng)力釋放技術(shù)原理是利用鉆孔變形釋放隧洞巖體內(nèi)部應(yīng)力及應(yīng)變能，并使巖體應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)移至內(nèi)部巖體中。因應(yīng)力釋放程度較低，該方法通常應(yīng)用于輕微－中等巖爆防控處理，實(shí)際防控成效與鉆孔深度、孔徑、布設(shè)間距等密切相關(guān)，以孔徑影響最為顯著。

（2）超前應(yīng)力解除爆破技術(shù)原理主要是在開挖面前方區(qū)域設(shè)置破碎帶，有效消除掌子面周圍應(yīng)力作用，并使應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)移至巖體最深處。該技術(shù)能顯著降低圍巖內(nèi)部壓力、應(yīng)力，常用于強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆防控，能有效消除應(yīng)力集中部位圍巖應(yīng)力，效果顯著。

3.1.2 先導(dǎo)洞

先導(dǎo)洞是隧道施工前，利用鉆爆法在開挖面前方預(yù)先開設(shè)的小型作業(yè)面。先導(dǎo)洞通常直徑比較小，因此洞體較為穩(wěn)定，產(chǎn)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)較低，能有效釋放掌子面前方巖體內(nèi)部應(yīng)力，并且可用作超前探洞。

先導(dǎo)洞技術(shù)原理與鉆孔應(yīng)力釋放基本相同，由于其洞徑較大，因此應(yīng)力釋放效果更加顯著。

3.1.3 高壓噴水和鉆孔注水

隧道開挖過(guò)程中，對(duì)側(cè)壁高壓噴水或鉆孔注高壓水，能夠使隧道巖體軟化，改善巖體力學(xué)性能，從而有效防止巖爆產(chǎn)生。

高壓注水會(huì)形成水楔效應(yīng)，有效減弱巖體表面強(qiáng)度，并且水體能夠加速巖體內(nèi)部應(yīng)力釋放，消除殘余應(yīng)變能，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1.4 超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)

超前錨桿支護(hù)主要是在隧道爆破施工前，在開挖面前方巖層中提前打入錨桿，從而起到加固圍巖的作用。目前，常用的超前支護(hù)措施主要有超前小導(dǎo)管、超前管棚等，而對(duì)于水工隧道施工，超前支護(hù)為超前錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)則是利用錨頭形成的錨固力對(duì)隧道巖體加以約束，提高圍巖穩(wěn)定性。

超前錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿工作原理：①錨孔具有釋放圍巖內(nèi)部應(yīng)力的作用；②隧道開挖后，能夠迅速完成應(yīng)力轉(zhuǎn)移；③能夠有效發(fā)揮對(duì)隧道巖體的加固補(bǔ)強(qiáng)作用，提高圍巖穩(wěn)定性、承載性能及抗沖擊能力。

3.2 巖爆的被動(dòng)防控技術(shù)

3.2.1 噴錨支護(hù)

噴錨支護(hù)在隧道支護(hù)及巖爆防控中較為常用，采取噴射混凝土+錨桿支護(hù)方式，聯(lián)合完成對(duì)隧道巖體的加固，包含初期支護(hù)、二次襯砌支護(hù)等。主要工作原理為通過(guò)設(shè)置錨桿并噴射混凝土，形成共同承載系統(tǒng)，提高隧道圍巖整體穩(wěn)定性和承載性能，降低巖爆等級(jí)及危害程度。

對(duì)于各種強(qiáng)度等級(jí)的巖爆，應(yīng)采取不同種類的混凝土與錨桿。針對(duì)輕微－中等巖爆的防控，選用常規(guī)混凝土及砂漿錨桿進(jìn)行支護(hù)加固。而對(duì)于強(qiáng)烈－極強(qiáng)巖爆地段，對(duì)混凝土及錨桿性能要求較高，混凝土必須具備較強(qiáng)的韌性及抗壓強(qiáng)度，因此，混凝土應(yīng)選用鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土等性能優(yōu)良的復(fù)合型混凝土；錨桿則選用具有較強(qiáng)變形特性的消能錨桿，如水脹式錨桿等。

3.2.2 柔性鋼絲網(wǎng)

柔性鋼絲網(wǎng)是較為常用的巖爆柔性防控措施，主要工作原理如下：采取錨桿+掛網(wǎng)+噴射混凝土的方式，形成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，共同完成對(duì)圍巖的支撐、緩沖及消能，達(dá)到防控巖爆的目的，具體工藝流程如圖2所示。

3.2.3 鋼支撐

鋼支撐在隧道初期支護(hù)中應(yīng)用較為普遍，是永久支護(hù)的重要組成部分，對(duì)巖爆造成的圍巖坍塌具有良好的防護(hù)效果，主要包含鋼拱架和鋼格柵兩種類型。其中鋼拱架具有剛度大、支護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)在隧洞內(nèi)設(shè)置鋼拱架，為洞體圍巖提供較強(qiáng)的環(huán)向支撐，有效防止洞體變形，增強(qiáng)隧道圍巖穩(wěn)定性，提高承載能力。相較于鋼拱架，鋼格柵為柔性支護(hù)，能有效釋放圍巖初期變形，施工簡(jiǎn)便，成本低，但承載能力較差。

3.3 主動(dòng)+被動(dòng)聯(lián)合防控

通過(guò)上文對(duì)巖爆主動(dòng)防控及被動(dòng)防控措施的分析能夠看出，主動(dòng)防控主要包括兩個(gè)方面：①對(duì)隧道巖體自身的防控處理。如鉆孔應(yīng)力釋放、鉆孔注水等；②對(duì)隧道巖體加固處理。如超前錨桿支護(hù)等。被動(dòng)防控主要依據(jù)隧道開挖后洞體結(jié)構(gòu)變形、破壞采取的加固措施，如噴錨支護(hù)、柔性防護(hù)、鋼支撐等。鋼支撐按照剛度大小采用的防護(hù)材料差異，可分為剛性支護(hù)與柔性支護(hù)兩種形式。巖爆主動(dòng)、被動(dòng)典型防控措施如圖3所示。

通常狀況下，巖爆主動(dòng)防控措施對(duì)工期影響較大，因此對(duì)于巖爆風(fēng)險(xiǎn)較低的項(xiàng)目，僅需實(shí)施被動(dòng)防控即可。而對(duì)于巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高的項(xiàng)目，應(yīng)采取主動(dòng)+被動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行防控，采用鉆孔應(yīng)力釋放降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)支護(hù)提高隧道圍巖穩(wěn)定性和抗沖擊性能。科學(xué)有效的應(yīng)力釋放能顯著提升巖爆防控效率，同時(shí)完善的支護(hù)體系能充分發(fā)揮主動(dòng)、吸能作用，增強(qiáng)巖爆防控效果。

4 結(jié)論

綜上所述，巖爆作為深埋隧道施工較為常見的地質(zhì)災(zāi)害，加強(qiáng)巖爆防控對(duì)保證隧道施工安全具有重要作用。該文基于巖爆類型、孕育機(jī)制及防控原則，系統(tǒng)分析了巖爆防控技術(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）巖爆防控主要包括主動(dòng)防控和被動(dòng)防控兩個(gè)方面，針對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高的項(xiàng)目，應(yīng)采取主動(dòng)+被動(dòng)相結(jié)合的方式進(jìn)行防控，有效降低強(qiáng)烈－極強(qiáng)巖爆危害程度。

（2）主動(dòng)防控技術(shù)包括鉆孔應(yīng)力釋放、超前應(yīng)力解除爆破、設(shè)置先導(dǎo)洞、高壓噴水、鉆孔注水、超前錨桿和預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，其中超前應(yīng)力解除爆破應(yīng)用最為普遍。

（3）被動(dòng)防控技術(shù)包括噴錨支護(hù)、鋼支撐、柔性鋼絲網(wǎng)等，目前較為常用的支護(hù)體系為“復(fù)合型混凝土+吸能錨桿+柔性鋼絲網(wǎng)”，效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]林道遠(yuǎn). 基于能量耗散機(jī)制的深埋隧洞巖爆防控技術(shù)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2022.

[2]趙毅. TBM強(qiáng)巖爆掘進(jìn)段小導(dǎo)洞超前應(yīng)力釋放施工技術(shù)[J]. 隧道與地下工程災(zāi)害防治， 2022（1）： 78-85.

[3]鞏江峰， 田四明， 楊治剛. 我國(guó)高地應(yīng)力區(qū)隧道巖爆研究現(xiàn)狀及分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2022（5）： 95-99+105.

[4]汪珂. 深埋隧道巖爆預(yù)測(cè)及防治技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J]. 隧道建設(shè)（中英文）， 2021（2）： 212-224.

[5]杜立杰， 洪開榮， 王佳興， 等. 深埋隧道TBM施工巖爆特征規(guī)律與防控技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)（中英文）， 2021（1）： 1-15.

[6]劉寧， 張春生， 單治鋼， 等. 巖爆風(fēng)險(xiǎn)下深埋長(zhǎng)大隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2019（S1）： 2934-2943.

[7]井錦旭. 隧洞工程鉆爆法和TBM法的造價(jià)編制和比選[J]. 廣西水利水電， 2021（1）： 64-67.

[8]周韋. 小斷面長(zhǎng)隧洞掘進(jìn)鉆爆法通風(fēng)技術(shù)研究[C]//上海筱虞文化傳播有限公司， 中國(guó)智慧工程研究會(huì)智能學(xué)習(xí)與創(chuàng)新研究工作委員會(huì). Proceedings of 2022 Shanghai Forum on Engineering Technology and New Materials（ETM2022）（VOL. 3），

2022： 187-188.

[9]楊春燦， 謝強(qiáng)， 鄧選滔， 等. 深埋隧洞盾構(gòu)接收施工技術(shù)[C]//《施工技術(shù)》雜志社， 亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司. 2022年全國(guó)土木工程施工技術(shù)交流會(huì)論文集（中冊(cè)）， 《施工技術(shù)（中英文）》編輯部， 2022： 27-32.

[10]田林昌. 深埋軟巖隧洞圍巖及襯砌變形規(guī)律和應(yīng)力特點(diǎn)研究[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2023（3）： 64-67+88.