高原山区隧道穿越强岩爆地层施工技术探讨
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【摘要】岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象，即在隧洞开挖后,发生的一种带有爆裂声响的岩层开裂,岩片或岩块沿一定方向弹射出或坠落下来。根据发生的规模和剧烈程度岩爆可分为：轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和剧烈岩爆。本文主要以新疆下坂地水利枢纽工程引水发电洞开挖过程中出现的中等岩爆现象,提出了防治施工措施。
【关键词】隧洞、岩爆、防治
1岩暴及其危害
岩爆是一种极为复杂的动力失稳现象岩爆。它是处于高应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体,在开挖活动的扰动下,其内部储存的应变能瞬间释放,造成开挖空间周围部分岩石从母岩体中急剧、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。在深埋隧洞的勘察设计和施工过程中,高地应力及其诱发的频繁岩爆,是影响隧道洞室稳定的重要因素之一[1]，直接威胁施工安全和施工进度,已成为地下工程的难题。
下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游，其引水发电洞自开工以来,因受岩体强度、爆破开挖等的影响,岩爆频繁发生，岩爆主要发生在右侧拱顶、,其次是侧墙、掌子面上、左侧底脚。虽然采取了一些防治技术措施,但仍对隧洞掘进造成一定的影响,并对机械及人身安全造成极大威胁。曾发生砸坏钻孔台车、出渣车辆及施工作业人员的事故。为减少岩爆对隧洞施工的影响以及避免对机械、人员的损伤,本文结合引水发电洞岩爆的情况,浅谈岩爆的防治问题。
2工程概述
下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游。该工程是塔里木河流域近期综合治理中的唯一重点山区水库工程。下坂地水利枢纽工程为Ⅱ等工程，大（2）型规模，主要建筑物拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞进水口为2级建筑物，引水隧洞、调压室、压力管道、电站厂房为3级建筑物，年发电量4.644亿KW.h。
引水发电洞全长4637m，断面为圆形，洞径5.2m，引水隧洞设计最大流量89.69m3/s。该隧洞岩层走向330°，倾向SW，倾角60°，洞线与岩层夹角60°，围岩岩性主要以片麻状黑云斜长花岗岩为主，新鲜完整，岩质坚硬，饱和单轴抗压强度为126MPa。隧洞高程约为2899m，洞顶围岩厚度100m～1380m，山顶高程在3000m以上。根据推测在引水隧洞最大埋深1380m时，围岩应力可能会以自重应力为主，最大主应力量值预计将大于20MPa，水平应力也有所增大，方向基本稳定在NW10°左右，属高地应力区，施工中岩爆时有发生。
3引水发电洞岩爆特征
3.1岩爆声响特征
岩爆声响既发生在掌子面，也发生在正在发生岩爆的岩体处。高地应力段隧洞施工中，在刚开挖的工作面可听到岩体内部沉闷的岩体开裂声，声响大时如炮声。引水发电洞掌子面处开挖至4+260处，出完碴扒碴时，掌子面及右侧壁发生岩爆，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声；右侧壁发出“喀喀”的声响。据统计岩爆发生时间可以持续8―46小时，有时具有周期性。在距掌子面40米处已经开挖完8天，间隔发生岩爆，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“啪、啪”的声响；中等岩爆地段便可听到“澎、澎”，同时夹有“噼、噼”的声响。
3.2岩爆暴落体特征
由于岩爆剧烈程度的不同，岩爆的爆落体也各有不同。剥落型岩爆岩爆体多为一边薄一边厚，如砍刀状；轻微弹射型岩爆多为细长的椭圆片体，该片体中心厚周边薄。
3.3岩爆对称性特征
岩爆发生在洞壁的右拱部及左下角。
3.4岩爆发生处特征
岩石新鲜完整，极少或看不出明显的裂隙；产生岩爆时，岩石表面干燥；出现片状弹射、崩落或呈薄片剥落。见图2。
3.5岩爆坑特征
岩爆过后，隧洞断面形状多为“A”字形，形成的岩爆坑边沿多为阶梯面。
3.6岩爆与施工条件有关，如爆破、切削，钻孔都能在掘进开挖诱发岩爆的产生。
4 岩爆的作用机理及产生条件
4.1 岩爆形成机理
岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖隧洞，使地应力重新分布、围岩应力能量进一步集中，在围岩应力作用下产生张－剪脆性破坏，并伴随声响和震动，而消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态平衡失稳发展，造成碎片状或片块状的岩块脱离母体，获得有效弹射能量，以向临空方向弹射为特征，是经历“劈裂成板－剪断成块－块片弹射”渐进过程的动力破坏现象，这就是岩爆的作用机理。
4.2 岩爆的产生条件
一般情况下,岩爆产生应具备以下基本条件：
（1）岩体的高地应力：无地下水、岩体干燥；开挖断面形状不规则，造成局部应力集中。
（2）新鲜、完整及坚硬的岩石中，储存应变能的能力高。
（3）隧洞埋藏深度多大于200m。
关于岩爆形成机理，各国学者在实验室研究和现场调查的基础上,从不同的角度先后提出了:强度理论、能量理论、冲击倾向理论、刚度理论和失稳理论等一系列重要的理论[2],但这些理论只是依托于假设和经验。强度理论给出了岩爆发生的必要条件,并未指出在什么条件下会发生岩爆。刚度理论认为矿山结构矿体的刚度大于矿山负荷围岩的刚度是产生岩爆的必要条件。但它未对矿山结构与矿山负荷系统的划分及其刚度给出明确的概念。刚度理论简单、直观,但要广泛应用于实践存在着不足之处。能量理论从能量角度解释了岩爆的破坏机理,但它并未说明平衡状态的性质和破坏条件。岩爆倾向理论的突出优点是岩爆倾向性评价所需数据主要是室内岩石力学试验结果,是用一个或一组与岩石本身力学性质有关的指标衡量岩石的岩爆倾向强弱,它是一种既有效又经济的方法。缺点是这些指标的离散度较大。这些理论从不同的角度阐述岩爆发生的机理,有的还能在一定程度上定量地给出发生岩爆的判据。
B.F.Russeness 根据岩爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征将岩爆划分为四级：
（1）0级，无岩爆；（2）1级，轻微岩爆(岩石有松脱、破裂现象，声响微弱)；（3）2级，中等岩爆(岩石有不容忽视的片落、松脱，有随时间发展趋势，有发自岩体内部的强烈炸爱声)；（4）3级，严重岩爆(爆破之后，顶板、两絮岩石即严重崩落、底板隆起，周边大量超挖和变形，可以听到强烈声响)。
5岩爆防治措施
根据岩爆的特征和从地应力角度分析、岩爆的临界埋深判据计算，综合判定引水发电洞的岩爆等级为中等岩爆。结合现场的实际情况，岩爆段在施工过程中我们采取了以下几种防治措施。
5.1增设临时防护设施
给装载机、挖掘机（扒渣使用）、简易钻孔台车安装高强钢丝SNS防护网，给施工人员配发钢盔、防弹背心等，掌子面与钻孔台车配套设计一个滑行加固装置，在掌子面钻孔作业时，此装置滑出将防护网加固在掌子面上。这样，避免了岩爆飞石伤及各种作业人员。
5.2锚网喷联合支护
在岩爆易发地段，待岩爆破坏三个阶段结束后及时施做锚杆、挂钢筋网片及喷射砼，锚杆梅花型布置，间距1m，长度3m；喷砼厚度不小于10cm。
5.3喷洒高压水
爆破后采用高压水枪及时向掌子面及附近洞壁喷射高压水，以降低岩体的强度，增强塑性，减弱岩体的脆性，降低岩爆的剧烈程度，同时起到降温除尘的作用缩短通风时间。也可利用炮孔和锚杆孔向岩体深处注水。
5.4超前应力释放
在开挖过程中增设超前应力释放孔，减弱岩爆、缩短岩爆释放时间。超前应力释放孔钻孔深度4.5米,右侧拱角处超前应力释放孔外插角度为35度,隔孔装药；掌子面超前应力孔垂直基岩面造孔，均进行装药，每孔装乳化炸药5.05kg，并与掌子面同时起爆。这样，可以在拱部2―3m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈，截断岩体内部应力的集中。
5.5径向应力释放
在岩爆地段，使用风枪径向垂直岩面钻孔，深度2-3m，也可向孔内高压注水，以达到缓减应力集中、减弱岩爆的目的。
5.6爆破方式改变
采用“短进尺、弱爆破”的爆破施工方式，控制诱发岩爆发生的条件。
5.7躲避及清除危石
岩爆发生时，不要进入岩爆发生区段，在安全地带观察岩爆的动态，直至岩爆平静为止。之后，对岩爆地段拱部、侧壁进行爆裂危石的清理，确保施工人员的安全。
6结语
从工程实践来看，以上几种处理措施的综合使用对防治中等岩爆是行之有效的，确保了引水发电洞掘进安全地通过了岩爆危险区。
参考文献
[1] 伍颖,王颖,李俊. 基于岩性与应力的岩爆条件试验研究[J]. 爆破, 2009,(02) .[2] 边鹏飞,赵宗智. 苍岭隧道施工岩爆预防与防治[J]. 公路交通技术, 2009,(02) .[3] 傅瑶. 小孤山水电站引水隧洞及高压流道岩爆综述[J]. 甘肃水利水电技术, 2007,(03) .[4] 唐宝庆,曹平. 矿山岩爆机理的探讨[J]. 江西有色金属, 2000,(02) .[5] 张杰,董祥丽. 终南山公路隧道岩爆特征与处理措施[J]. 山西建筑, 2007,(31) . [6] 唐宝庆,曹平. 回归分析法在建立岩爆数学模型上的应用[J]. 数学理论与应用, 2003,(02) .