巴玉隧道施工中岩爆风险动态管控措施

韩侃 杨文斌 陈贤丰 王秉勇

（1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.中铁十二局集团第二工程有限公司，太原 030000；3.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；4.中国中铁科学研究院有限公司，成都 611731）

1 工程概况

巴玉隧道位于藏南谷地，隧址区地面标高3 260～5 500 m，高差达2 300 m，为典型的高山峡谷地貌。隧道起讫里程为DK190+388—DK203+461，巴玉隧道为重难点控制性工程，全长13 073 m。隧址区地层以花岗岩、闪长岩等坚硬岩石为主，地质构造复杂，最大埋深2 080 m，存在岩爆、放射性、危岩落石、冻害等不良地质，特别是岩爆问题突出，施工安全风险极大，属于Ⅰ级风险隧道。

巴玉隧道正洞预测岩爆段共计12 242 m，占其长度的94%，其中轻微岩爆段4 106 m，中等岩爆段5 922 m，强烈岩爆段2 214 m。岩爆发生的强度、持续时间、频率不一，形态多样，在世界隧道施工史上均属罕见。为有效应对隧道岩爆，对掌子面前方的地应力、岩爆预警和预防、岩爆等级进行深入分析，探讨高原隧道岩爆施工风险动态管控措施。

2 隧道岩爆定义、分类及危害

2.1 岩爆的定义、分类

岩爆是高地应力区隧道开挖后岩体内部存储的应变能突然释放，或者是原本处于极限平衡状态的岩体由于外部扰动，开挖临空面岩块剧烈弹射或脱离母岩的动力学现象。隧道开挖前后，围岩处于高应力状态，当应力超过岩石强度时岩爆现象会突然发生［1］。

依据岩石单轴抗压强度Rc、最大主应力σ1和洞壁最大切向应力σmax，将岩爆划分为4个等级：轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、剧烈岩爆［2］。岩爆预判标准见表1。

表1 岩爆预判标准

隧道掌子面的岩性条件和岩层地应力的大小是产生岩爆的2个决定性因素。岩爆的发生必须在岩体中先存储能量再释放能量，直到岩体最终被破坏并脱离母岩。因此，岩爆是否发生及其表现主要取决于岩体中是否储存有足够的能量，是否具有释放能量的条件和方式［3］。

2.2 岩爆发生位置、危害及等级判定

2.2.1 岩爆发生位置

岩爆在未发生前并无明显的预兆，但在隧道开挖施工时突然发生，大部分岩爆发生在掌子面及后方2～3 个洞径范围内，有时在掌子面后方几百米处仍会发生。岩爆发生时间主要集中在爆破后2～6 h。岩爆发生时岩石呈棱片状、薄片状、块状和板状，伴随着劈啪声和清脆的爆裂声，岩体深处偶有闷雷声传出，零星间断或持续时间较长（有的岩爆持续数天）。巴玉隧道随着掘进的进行，埋深越来越大，正洞各掌子面均已进入中等或强烈岩爆区域，施工中岩爆频发，严重影响施工生产安全与进度［4］。

通过对已发生岩爆事件的大量统计，巴玉隧道岩爆常发生在地质结构较完整的Ⅱ级和Ⅲ级围岩段和构造应力较集中的破碎带。据现场统计，岩爆发生部位以拱腰为主，占比75%以上，边墙、掌子面、拱顶发生概率较小。

2.2.2 岩爆的危害

①岩爆弹射的石块对施工现场作业人员的身体和心理都会造成伤害；②对大型机械设备如钻孔台车、湿喷机、挖掘机、装载机、自卸车等施工机械造成损坏，维修和更换设备的频率增加；③中等及强烈岩爆地段，伴随着拱顶、拱腰垮塌，施工安全风险增加；④岩爆发生时，作业人员及机械设备需要停机等待，造成工效严重降低，工期不可控；⑤岩爆产生的爆坑，引发的垮塌区域，需要钢拱架、钢筋网片、混凝土等填充，造成材料浪费成本增加［5］。

2.2.3 岩爆等级的判定

施工过程中对硬岩段的岩性、岩石的物理力学性能、地应力、开挖、爆破方式等因素进行综合分析，综合考虑岩爆的发生范围、影响深度、岩石形态及运动特征、持续时间、危害程度等多方面因素，参考微震监测数据及现场地质条件，结合已有的岩爆判据判定岩爆等级［6］。

3 隧道岩爆段施工措施

3.1 轻微岩爆段

在巴玉隧道进口DK190+997—DK191+047，DK191+237—DK191+287 等段落，经岩爆预测发生轻微岩爆的概率为88.1%，无岩爆的概率为11.9%，说明有轻微岩爆的风险。

开挖至DK191+020—DK191+030 和DK191+248—DK191+275 段时，掌子面发出轻微噼啪声、撕裂声，岩体表面出现分层、松脱、剥离现象，持续时间短，对施工干扰小，人员机械停机，等待应力释放。

现场采取的措施：①开挖每循环不得超过3 m，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。②及时在掌子面和洞壁喷洒高压水，洒水量在0.8～1.2 m3∕m，降低围岩应力。③在岩爆发生段落拱墙布设长2 mϕ22的砂浆锚杆，环向和纵向间距均为1.5 m。锚杆注浆材料使用普通硅酸盐水泥或者硅酸盐和砂子（要求粒径小于2.5 mm），水灰比0.38～0.45，胶骨比1∶0.5～1∶1，且砂浆强度等级不应小于M20。④在岩爆发生段落拱墙布设ϕ6 钢筋网，网格间距25 cm×25 cm。采用厚8 cm 锚网喷射混凝土支护，混凝土必须满足设计的强度、厚度及其与岩面黏结力要求。

采取锚网喷支护后，由于加入了钢纤维，初喷混凝土强度和整体性得到了提高，有利于抵抗轻微岩爆造成的破坏，深入岩层的系统锚杆可将岩体黏结起来，增加岩体强度，抵抗岩体张裂破坏［7-8］。

3.2 中等岩爆段

在巴玉隧道进口DK191+439—DK191+489、出口DK201+443—DK201+493 等段落，经岩爆预测发生强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆的概率分别为0.5%，55.3%，28.1%。无岩爆的概率为16.1%，说明有中等岩爆的风险。

开挖至DK191+445—DK191+478 和DK201+460—DK201+480 段时发生中等岩爆，掌子面发出清脆的爆裂声，岩体表面松脱、剥离严重，岩爆持续时间长，有随时间推移向深处发展的趋势。剥落岩体呈透镜状、棱板状。爆坑最大深度0.7 m，岩块弹射最大距离3 m。现场采取的施工措施：①掌子面初喷10 cm 厚CF25 钢纤维混凝土封闭，进尺控制在2.5 m 以内，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。②及时在掌子面和洞壁喷洒高压水，洒水量为1.0～1.5 m3∕m。采用超前钻孔应力解除法释放部分围岩应力。③爆破后开挖面及时初喷5 cm 厚CF25 钢纤维混凝土，钢纤维混凝土用量为1.0 m3∕m，采用ϕ6钢筋网，网格间距25 cm×25 cm。打设长3 mϕ25 涨壳式中空注浆锚杆，锚杆间距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。安装时锚杆垫板要将钢筋网压住后再复喷C25 混凝土5 cm，混凝土用量为1.0 m3∕m。

通过加密加深涨壳式锚杆，增加钢纤维混凝土初喷厚度，达到快速支护效果，基本控制了中等岩爆。

3.3 强烈岩爆段

在巴玉隧道进口DK193+569—DK193+599、出口DK201+490—DK201+525 等段落，经岩爆预测发生强烈岩爆、中等岩爆、轻微岩爆的概率分别为65.5%，25.5%，7.2%，无岩爆的概率为1.8%，说明有强烈岩爆的风险。

开挖至DK193+570—DK193+588 段时发生强烈岩爆，掌子面大量岩体碎块出现弹射现象，岩体深处发出强烈的岩爆声，持续时间长且具有延续性，并且岩爆迅速向深部扩展。岩爆岩体呈块状、板状，岩体中出现较大的弧形凹坑，影响深度达2 m。

现场采取的施工措施：①掌子面初喷CF25 钢纤维混凝土封闭，进尺控制在2 m，尽可能全断面开挖，一次成形，减少对围岩的扰动。②及时在掌子面和洞壁喷洒高压水，洒水用量1.2～1.8 m3∕m。③为提前释放应力和降低围岩应力，在掌子面沿拱墙开挖轮廓线施作ϕ76 超前应力释放孔，环向、纵向间距分别为1.5，20.0 m，单孔长25 m。④施作ϕ25 超前锚杆，环向、纵向间距分别为0.5，2.0 m，单根长3.5 m。⑤在超前锚杆（或系统锚杆）孔、超前应力释放孔及炮孔进行高压注水，或在松动围岩应力释放孔内装药爆破来提前释放应力。⑥爆破后开挖面初喷5 cm 厚CF25 钢纤维混凝土，钢纤维混凝土用量为1.0 m3∕m；采用ϕ6钢筋网，网格间距25 cm×25 cm。打设长4.0 mϕ25涨壳式中空注浆锚杆，锚杆间距1.0 m × 1.0 m，梅花形布置。架设12 cm×12 cm格栅钢架，纵向间距1 m，复喷厚15 cm的C25混凝土。

通过施作超前应力释放孔、施作超前锚杆及掌子面喷洒高压水，提前释放了岩体储存应力，快速锚网支护形成稳定结构后再增设型钢支护，有效防止了应力二次释放［9］。

3.4 剧烈岩爆段

岩爆预测结果表明4 处有发生剧烈岩爆的风险，但现场开挖后实际发生的是中等～强烈岩爆。岩爆预警区域与实际发生区域均一致。

现场采取的施工措施：隧道开挖前在掌子面和洞壁喷洒高压水，并在掌子面上打超前应力释放孔（见图1（a））。开挖后采取喷射钢纤维混凝土、施作预应力涨壳式锚杆（见图1（b））、全环铺挂钢筋网等措施，强烈岩爆段架设I18工字钢等加强支护。

图1 岩爆防护措施

4 岩爆隧道机械化配套施工

高原地区隧道钻爆法施工总体上遵循“多电少油，多机少人”的原则［10］，综合考虑隧道的地质条件、施工长度、断面大小、辅助坑道设置、工期要求和施工装备对高原施工环境的适应性，进行机械化配置。

针对高原地区地质条件复杂，气候环境恶劣，施工风险大的特点，巴玉隧道推行机械化配套施工作业，见图2。开挖生产线采用三臂凿岩台车进行钻孔作业；出渣生产线采用装载机、挖掘机扒渣装渣，北方奔驰大容量自卸运输车出渣；初期支护生产线采用普茨迈斯湿喷机械手进行喷射混凝土作业。

图2 机械化配套施工

鉴于巴玉隧道工程地质及施工条件的特殊性，在其机械化配套施工时还应注意：①掌子面所有施工及管理人员佩戴防爆服及防爆头盔。对主要施工设备采取设置防护网、防护钢板等安全防护措施。②台架安装防护网或钢板，或设置移动防护棚架防止岩块飞落，有效保障施工人员及设备的安全。③严格控制每循环进尺，加强钻爆控制；尽可能采用全断面开挖，一次成形。严格控制超欠挖，保证开挖面的圆顺和平整度，减少临空面，降低岩爆发生的概率。④加强超前地质预报和地应力测试工作，现场配备专业地质工程师，准确判别掌子面前方围岩特性，力争提前预判岩爆等级，采取针对性措施。⑤开挖采用直眼掏槽和水压爆破工艺，一方面提高光爆效果，降低对围岩的扰动；另一方面水压爆破产生的水汽有助于软化围岩，降低围岩应力，减少岩爆发生［11］。

采用机械化配套施工不但加快了施工进度，提高了施工效率，而且减轻了劳动强度，减少了人员投入，确保了隧道施工安全。

5 岩爆隧道施工管理

针对现场技术人员和作业人员，应从如下几方面加强施工管理：①设置专职安全人员全天候巡视警戒及监测（见图3），当听到围岩发出类似闷雷的声音时，尽快撤离施工人员和设备；②加强对施工人员的安全纪律教育，加强施工人员关于岩爆的常识和防护知识的学习；③严格执行相关技术和安全操作规程，危险区域增加照明设施并设置明显的警告标志；④每个工作面安装监控摄像装置，清晰记录岩爆发生情况，为后续岩爆机理研究积累素材；⑤每次岩爆发生时，作业人员及设备均应及时躲避一段时间，待岩爆平静后方可施工；⑥加强机械化配套施工，减少作业人员，降低安全风险；⑦施工前全面做好应急演练，施工现场做好应急物资储备工作。

图3 巡视警戒及监测

6 结论

巴玉隧道的工程地质环境、地应力条件、岩体的储能和释放能量的差异，决定了其有轻微～强烈的岩爆倾向。结合岩爆预测结果，现场采用以下措施对岩爆区段施工风险进行动态防控：

1）采用“三步走”策略，即优化工程布置和开挖参数，减少开挖引起的岩体内部能量集中程度；采用应力释放措施，释放和转移储存在岩体中的部分能量；利用支护系统，吸收岩体释放的能量。

2）主动预防和被动防护相结合。提前释放围岩应力，同时采取喷射钢纤维混凝土、施作预应力锚杆、全环铺挂钢筋网等被动防护措施。

3）采用直眼掏槽和水压爆破工艺，提高光爆效果，降低对围岩的扰动；水压爆破产生的水汽有助于软化围岩，降低围岩应力，减少岩爆发生。

4）隧道岩爆段采用机械化配套施工，既可加快施工进度，提高施工效率，又可最大限度地减少施工作业人数，确保隧道施工安全。