公路隧道轻微、中等岩爆成因分析及防控措施

福建建设科技2018. No. 1

■施工与质量管理

公路隧道轻微、中等岩爆成因分析及防控措施

赖轩明许赞渊丘兴鹏（中建海峡建设发展有限公司福建福州350015)

[摘要]通过目前在施工的花瓶山隧道发生的岩爆现象，分析其发生的原因，从超前地质预报、释放应力、加强支护这三 个方面提出了隧道轻微、中等岩爆区的防控措施。

[关键词]隧道岩爆;成因分析；防控措施

Cause analysis and prevention measures of minor and medium rock burst in hi^^hway tunnel

Abstract # Based on

the

phenomenon

of rock burst

in

the

Huapingshan

Mountain Tunnel $

and puts forward the prevention and control measures of tlie slight and medium rock burst area from the three asjDects such as advanced geo­logical prediction, releasing stress and strengthening support.Key words: Tunnel rock burst，Cause analysis，Preventive measures

t

1

岩爆发生的过程4376.5m， 道最大 体总体裂

，：

隧道。根据地质勘探报告显示，花瓶山隧

围岩为

花岗岩，为坚硬岩，岩

2016年11月30日上午，花瓶山隧道出口右洞掘进至 YK24 +725

410m，

，开挖出渣后，掌子及已揭露围岩发生 ，多为”啪、啪”和”嘎、嘎”的碎裂声，随后

发育〜不发育，岩体较完整〜完整，岩体呈块体

为

薄片状石块 脱落，脱

岩弹出。石块呈中间厚、周边薄、不规则片状岩壁平行。

围岩表层轻微岩爆，多发生在间围岩及掌子面。 闷，类

，岩爆烈

”曝、曝”

掘

并

〜大块状，围岩表面干燥，未见 水，具备高应力变形特征，

花瓶山隧道总体 如图1。隧道YK24 + 653〜YK24 +736段 岩，强 段

现 爆

沟谷，存应力集中现象，围岩为 高，整体 如 2。分析：

围岩的岩性方

花岗能性，

洞方向的左侧拱腰

，围岩 ”啪、啪”

掘机

，围岩较干燥，存岩爆

逐步提高。2016年12月段隧道围岩的岩性、地理位置及施工工艺对岩

1 晚10点左右，开挖出渣后，掌子桩号为YK24 +718,挖

理掌子面碎渣时，YK24 +718〜YK24 +719段围岩

，随后

段左拱腰以上至隧道中心线之间约

巨大

和大量碎块状岩

1m

V型爆坑。

2.1

发生较大 围岩坚硬新鲜完整，裂 和 ，应

，能储存能量， 后，

变

少或仅有隐裂隙， 变 小。岩石

有高破坏类

3m 围内发生较强烈岩爆， 石瞬间喷射而出，

和抗压强度

图

2

1

花瓶山隧道总体断面图

岩爆成因分析RC >60〜80MPa的坚硬岩体中易发生岩爆。根据地质勘探

104国道连江至晋安改线工程的花瓶山隧道为一级公路 隧道，采用分离式双洞 ，单向三车道，单洞最大开挖跨径

17. 69m，最大开挖 积157 }。该隧道位于福州市晋安区和马尾

，左洞长4414m，右洞长4339,左右洞平均长

)，男，大学本科学历，助理工程师，主要

报告，花瓶山隧道大部分围岩岩石 和抗压强度RC >

90MPa，最高达到110MPa。掌子面YK24 +718揭 围岩为中 水， 岩体

花岗岩，岩质较坚硬〜坚硬，且围岩表面干

大。

方

：

2.27

理

作者简介:赖轩明！ 1988. 9 -从事公路工程施工。

由于近代构造活动，山体内地应力较高，岩体内储存着很

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福建建设科技2018. No. 1

65

大的应变能， 分能量超过硬岩石 强 ，会发生工流程图如图3:

3.1 施工准备

岩爆。花瓶山隧道 段围岩为花岗岩，最大 H =

410m,容重/ = 26kN/m3，单轴饱和抗压强度6 =90MPa;最 大竖向主应力amax =10.7MP<测区最大水平主应力侧压系 数为1. 25，最小水平主应力侧压系数为1. 1;水平最大主应力

隧道轻微、中岩爆区，先用 ，用

水枪喷出的高压水先

、增强

子面充份 程

3

9

水枪连接隧道高压水子面5〜10分，

，使掌

变岩石表面物到减弱岩爆剧烈便于进行围岩表面

，撒水喷头水柱不小于10m， ，同将围岩表面冲洗干

6 = 1. 25MPa，a=ax = 13. 4MPa;水平最小主应力 6 = 1. 1MPa， 6max = 11. 8MPa;为坚硬岩，岩体较完整〜完整，岩体呈块状〜 大块状，水平最大主应力a=ax =13. 4MPa，接近0. 156 =0. 15

x90 = 13.5MPa。

理力学性质，降低岩石 检查，便判断。

超前预报

围岩各向同 应 变性、

沟 能存在应力集中， 发生岩爆。 发生轻度岩爆的YK24 +725( 68m，距离 沟谷最低点约45m，岩为 (

岗岩），均临近

2.3施工工艺方

采用超前钻探法。沿隧道掘进方向 扇形超前钻孔，

在隧道掌子面开挖 1. 5m位置，左右两侧各钻1孔，中间各钻3孔（如图4)，探孔直径390mm， 2

循 替钻进，通过明前方围岩地质状况，

岩石

，通过观察（

子

，

方向）找出可能发生岩爆 质勘察报

5〜6m，每隧道地

，三

花岗岩），到发生中度岩爆的YK24 +718

沟谷最低点约38m，岩为微风化花沟谷，具备应力集中的条件。线表

平，超欠挖较严重，超欠挖部

61m，距离

，总本隧道围岩在钻探

方岩爆存在与否

；

隧道开挖

造成围岩 应力高度集中， 发岩爆。另外，花瓶山

隧道为单向三车道隧道，单洞最大开挖跨径17. 69m，开挖净

大， 发生岩爆 能

大。

根据以上分析，花瓶山隧道深埋段（埋深超过200m): ZK21 +540 〜ZK22 g 480、ZK23 + 320 〜ZK24 + 400、YK21 +

过程中的物理响应，

预。

开挖

况，以判 描，

3

9

超前

子面和左右边墙揭示的围岩产状、岩

方10〜20m

进行观察、地质描，分析判

分析判

释放

围的围岩情

能存在岩爆。每一个开挖循环都作地质素

续性。

520 〜YK22 g 520、YK23 + 340 〜YK24 g 400,深切沟谷段 ZK22 +920 〜ZK22 + 960、ZK23 + 020 〜ZK23 + 060、YK22 +

920 〜YK22 + 960、YK23 + 020 〜YK23 + 060、YK24 + 620 〜 YK24+660、YK24 +700〜YK24 +740,存在发生岩爆的较大

100mm，

能发生岩爆区域用液压潜孔钻机 钻孔，孔径

20m，根据 能发生岩爆 域的大小，每

。钻

束后立即向 子面直至充分

线

高压水直。

出，同用高压水

区域钻1〜3

3. 4

优化光面爆破

能。

3

岩爆防控措施

针对花瓶山隧道该段岩爆 爆烈度级别，

分析，

。

生岩爆地数和降低岩

措施施

面不规则造 岩

超欠挖，使隧道开挖

爆破钻爆设计，采用“短

，减少因为开挖

I级围

段采取如下预处理措施，尽量减少岩爆发生

施工人员安全，减少财

应力集中而诱发岩爆。

，弱爆破”，减小揭露围岩

66

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■施工与质量管理

图3隧道轻微、中等岩爆区防控措施施工流程图

面积，每循环进尺由原来的3=减少到2 5m，减少一次用药 量;适 周边眼部分 由面，减少对围岩的振动和

再破坏，周边眼间距由原来65cm降低至25cm;周边眼采取隔 方式， 17提高至18,底眼

段位，

应

由'周边眼 段位由原来的

段位由原 18提高至19,拉大雷 ，

爆发裂

生成，

由爆

和强度。 后的&级围岩

后&级围岩全 开挖炮眼

开挖主要技术经

破诱发岩爆， 低岩爆

全如图5，

标如表2。

图4

花瓶山隧道超前地质预报钻眼分布图

数汇总表如表1，优化后&级围岩全

图5优化后的！级围岩全断面炮孔实布图

■施工与质量管理

表

编号

炮眼名称掏槽眼掏槽眼

福建建设科技2018. Nal

67

1

优化后！级围岩全断面开挖炮眼参数汇总表

雷管段别

炮眼深度()

炮眼数目

1 -6

7-1213-1819-3132-4243-5657-7374-9293-114115-167168-184

m

线装药密度(/)

kgm

0.850.850.850.600.600.600.600.600.600.250.60

12

槽眼 3辅助眼辅助眼助眼助眼助眼助周边眼底眼

6

66

13

1

3579

1.30

2.00

3.002.502.502.502.502.502.502.502.60

k1.11

量

(/)1.702.551.501.501.501.501.501.500.631.56

合计药量 (/)

k

6.63

10.20

15.3019.5016.50

11

141719

11

1315161819

21.00

25.5028.5033.0033.1324.96

22

5316表

2

优化后！级围岩全断面开挖主要技术经济指标循环进尺( )

围岩级别

&

3.5高压水喷淋

每循环开挖方量

)

(m3m

287.42.5

炮眼个数

(个）183

量(/)

k

(

k/m3

0.82

量 )单位孔深()

m/m3

1.57

235.2

支护等级提高，初期支护类型由原设计的Z3(B)调整为Z4 (B)，初期支护采用025 x5mm胀壳式预应力中空锚杆、钢筋 网、钢支撑、掺超细沸石粉喷射砼，此过程加强了初期支护附 加径向压力，有效抵抗了岩爆的发生。

4

结束语

确保掌子面安全后立即向掌子面及其以后约30m范围 内隧道围岩喷洒高压水，每次相隔5 ~ 10分钟，至少喷洒三 次，使开挖面充份湿润，以改变岩石表面物理力学性质，降低 岩石脆性、增强塑性，既可降尘又可以缓解围岩应力。注水能 使裂纹尖端能量降低，并使裂纹突然传播的可能性减小，裂纹 传播速度的降低，使裂纹周围的势能转为爆裂能的效率随之 降低，从而减小剧烈爆裂的可能性。

3.6加强初期支护

由于岩爆的突发性、不确定性，从严格意义上讲，现行的 规范与相关的科研成果较难指导隧道岩爆施工，因此，对隧道 的岩爆施工问题进行系统深人的研究具有重要的意义。花瓶 山隧道运用科学的理论分析，依据并结合实际情况，采用超前 地质预报+释放应力+加强支护的施工方法来处理隧道轻 微、中等岩爆段，减少了围岩应力，加强了支护效果，确保了施 工安全，提高了施工效率，降低了工程成本，可以为类似工程

提。

参考文献

[1] 中交第一公路工程局有限公司

高压水喷淋后，立即对暴露岩面（包括掌子面）进行初喷

4cm厚的掺超细沸石粉混凝土封闭，喷射砼掺人超细沸石粉， 环保性能好，无污染和腐蚀性，能改变混凝土的微观结构，使 混凝土快速终凝，起到早强支护效果，同时减少了水泥用量。 根据对花瓶山隧道出口岩爆发生情况的观察，爆破后2 ~5个 小时是岩爆发生频率较高的时间段。因此宜在此时间段前给 洞壁围岩一个附加的径向压力，虽然初喷砼能提供的附加径 向压力不大，但能控制围岩继续变形和有效控制围岩表层片 帮的发生。

做好初喷砼支护后，并不能完全消除岩爆安全隐患，此时 的围岩处于应力的重新分布、岩爆能量积累的过程，一旦积累 到一定程度，必然导致初喷砼支护的失效。针对这种情况，将

(上接第52页）5术规范[].北京：人民交通出版社,2009.

[] 邱道宏，陈剑平，张秉鹤，肖云华.深埋长大公路隧道岩爆预测及

防治研究[].地下空间与工程学报,2006(06).

[3] 刘曰华.隧洞岩爆施工措施[].西部探矿工程,2010(09).[4 ]徐则民，黄润秋，罗杏春，李睿,孙静怡.静荷载理论在岩爆研究中

的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析[].岩石力学与工 程学报，2003(08).

2

S

.JTG F60 -2009公路隧道施工技

J

J

J

承载力建议按本文式（5) ~ (7)进行。此时该拱门式外脚手 架体系承载力可满足规范JYJ 128 -2010所要求的安全系数

结论

(1) 拱门架平面内失稳模式属于我国现行标准（JYJ128 2. 0~3.0的要求。

参考文献[] 哈尔滨大学

-2010)中允许出现的失稳形式。其失稳形态与JYJ 128 - 2010中的MF0817型标准门架相似。属于门架所在平面内，

.YJ 128 -2010建筑施工门式钢管脚手架安全技术

规范[S] •北京：中国建筑工业出版社，2010.以连墙件及水平加固杆为支点的鼓曲失稳。

徐崇宝，那路，张铁铮等.门式脚手架整架加荷试發研究[J]•建 (2) 由于该门架立杆缺乏加强杆，导致其失稳段立杆长 [2]

筑技术，2015，21 (8): 474 - 476

细比数值较大，稳定性偏弱，因此建议该门架体系的连墙件应

能影响分析[].工程质量，2015(7): 44 -47.

1

加密布置，连墙件及水平加固杆的设置间距应在2步以内，搭 设高度限制在30m以下。

(3) 在满足第(2)条建议的前提下，该拱门架体系的计算

[3] 王云波，李洪丰，史春高等•连墙件对扣件式钢管脚手架稳定性

J