秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理措施

1、秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理措施(原创)(2007-05-20 17:12:18)转载Q标签： 分类：桥隧专业秦岭终南山公路隧道岩爆特征施工措施秦岭终南山公路隧道岩爆特征及处理措施张杰中国天津市摘要：介绍秦岭终南山公路隧道岩爆发生的条件、岩爆类型及特征，提出了钻爆 法施工通过岩爆段的处理措施。关键词：公路隧道岩爆施工措施1、前言秦岭终南山公路隧道为国家规划“四纵四横”西部大通道中的“银川一西安 一武汉”和“二连浩特一包头一西安一北海”两条大通道公用线上的特大型控 制工程，也是我国目前长度最长达18.02Km，最大埋深为1600m公路特长隧道。 隧道位于陕西省西安市长安区石贬峪乡与柞水县营盘

2、镇之间，设计为两座平行双 车道隧道，分为东、西两线，两线间距为30m。该公路隧道东线通过洞口及现有 的秦岭铁路隧道II线作为出渣通道施工，实现了长隧短打，可缩短工期，减少 投资。在施工过程中，遇到了较强烈的岩爆，岩爆是此隧道施工主要的地质灾害。 本文拟通过秦岭终南山公路隧道出口段柞水境内7.6Km地段围岩的岩爆分析、研 究，提出钻爆法施工通过岩爆地段的施工处理措施。2、工程地质情况秦岭终南山公路隧道出口段地质按岩性主要分为两段，发生岩爆地质灾害的 地段主要分布在第二段，具体地质、岩爆分布见图一(图一见附页)第一段(K82+816K79+580):岩性以含绿色矿物混合花岗岩为主，间夹蚀 变闪长岩

3、、闪长玢岩、伟晶岩及长英岩等岩脉，除蚀变闪长岩外，其余岩石强度 高、变形小（见表1）,岩体受地质构造影响严重，断裂构造发育，有大小断层 15层，皆为压性逆断层，岩体节理裂隙较发育一发育，地下水局部较发育，主 要为渗水、滴水和小股流水。本段围岩主要为III-W类，断层带及蚀变闪长岩发 育地段为IIIII类，隧道埋深50600m，具中等地应力（见表2），主要地质灾 害是围岩坍方，局部有轻微的岩爆现象。第二段（K79+580K75+180）:岩性以混合片麻岩为主，间夹角闪片麻岩、 黑云母片岩残留体、长英岩及伟晶岩岩脉等，岩石强度高、变形小（见表1）， 岩体受地质构造影响轻微-较严重，节理裂隙不发育或

4、较发育，断层局部发育， 地下水不发育，仅少数地段有渗水、滴水或小股流水。本段围岩主要为W-V类， 局部断层带为II-III类，隧道埋深500-1350m，本段全属高应力区（见表2），主 要地质灾害是岩爆，局部地段有围岩破碎所引起的围岩坍方。3、岩爆发生条件经勘测及秦岭铁路隧道岩爆的研究表明：岩爆的发生主要由地应力和岩性两 个因素决定，岩性条件要求岩石具有良好储能性能的弹脆性岩体，隧道初始应力 条件要求达到高应力水平。秦岭终南山隧道的岩爆主要发生在第二段（K79+580K76+180）的混合片麻岩段，混合片麻岩属极硬岩，其弹性能量指数（Wet）和脆性指数（Kr）都高。第二段围岩埋深大，岩体完整性

5、好，受构造影 响轻微，围岩的初始地应力及隧道开挖后形成的最大切向应力都较高，最大主应 力。=34.05Mpa，属于高地应力水平，满足发生岩爆的条件。根据秦岭铁路隧道 施工实际调查和岩爆课题组的研究成果，得出秦岭终南山公路隧道岩爆发生的临 界条件为： TOC o 1-5 h z RcN15Rt(1)WetN2.0(2)a e 0.3 Rc(3)KvN0.55(4) 其中：Rc岩石的单轴抗压强度，在实验室实测。Rt岩石的单轴抗拉强度，在实验室实测。a e 一隧道洞壁最大切向应力，a e = （3a 1-a 3）。Kv一岩体的完整性系数，由岩体和岩块的纵波速计算得到。表1岩石强度及变形参数测试结果取

6、样位 置岩 性抗压强度Rc （MPa）抗拉强 度Rt （MPa）弹性模量Et （MPa）泊松比M弹性能量 指数Wet脆性指数Kr= (Rc/Rt)K78+980混合花岗LU 岩140.1110.247.8X100.196.2513.68K77+176混合片麻LU 岩131.99(127.12)9.445.1X10(4.8X10)0.177.44(7.12)13.98K76+906混合片麻LU 岩177.8813.275.8X100.176.5313.40表2铁路隧道II线平导三维地应力测试结果对应公路隧道里程主应力（MPa）主应力倾角（0）主应力方位角（0）隧道开挖后最大 切应力（MPa）a

7、o = （3a 1-o 3）隧道埋 深H（m）。1。2。3a 1a 2a 3P 1P 2P 3K81+09515.0710578.321.4147633124162-37.4270K76+15634.0527.7514.99747153014323587.169704、岩爆类型及特征4.1岩爆类型。通过对出口段施工过程围岩岩爆的观察、分析研究，将围岩岩爆的类型按破 裂程度大小特征分为以下4种：4.4.1弹射型岩爆此种类型岩爆发生在极坚硬、极完整的围岩的岩壁上，呈零星断续出现，一 般是在开挖后6-12小时发生，发生时有清脆的“啪、啪”声响，随即有约510cm 大小的中间厚边缘薄的岩片弹出（弹射距

8、离2-7m）或烟雾状的岩粉喷射出（即 所谓“冒烟”）。此种类型岩爆无明显预兆，持续时间短（一般几个小时），对 隧道破坏和机械损坏影响不大，但对施工人员的安全威胁较大。4.4.2爆炸抛射型岩爆此种类型岩爆也是零星断续出现，一般也是在开挖后6-12小时内发生，发 生时首先有“啪、啪”声响，紧接着像放大炮一样“砰”的一声巨响，随着响声 可见到大小不一的片状、块状岩块（最大2030cm）和岩粉被抛掷出来，抛掷 距离5-7m,沿爆坑深度一般20-50cm。此种类型岩爆持续时间一般也只有几个小 时，但有一定规模，也具备一定的偶然性和突然性，对机械和施工人员的安全有 较大影响，对隧道的破坏也有一定影响。4.

9、4.3破裂剥落型岩爆此种岩爆在围岩开挖30分钟即发生，局部地段开挖后一年后还能发生，岩 爆发生时有时能听到“啪”或“嘎”，或“啪、啪、啪”或“嘎、嘎、嘎”声响， 随即出现岩面开裂，然后发生剥落。岩爆坑规模较大，最大为长X宽X深达 10X7X2.5(m),剥落的岩块为片状、板状，大小不一，最大为3.0X3.5X0.8(m)。 此种类型岩爆从出现响声一开裂一剥落有一个持续过程，但因其规模大、历程长， 对隧道的破坏、对机械和施工人员的安全等都有很大的影响。4.4.4冲击地压型岩爆此种类型岩爆出现在条带状混合片麻岩中含黑云母片岩地段，黑云母片岩厚 度为5-10cm的薄层状、条带状，与缓倾斜的片麻节理产

10、状基本一致。隧道开挖 后，线路左侧拱部、边墙出现与开挖面基本一致的塌落边帮，并伴有沉闷的爆落 响声。在实际施工中，为了方便施工将岩爆按规模和烈度分为：轻微岩爆、中等岩爆、 强烈岩爆三种类型。轻微岩爆规模小，一般多为弹射型、冲击地压型岩爆。岩爆 坑较浅，厚度一般小于10 cm，岩爆坑沿隧道轴向长度小于10m，呈零星分布。 中等岩爆多为爆炸抛射型和破裂剥落型岩爆，岩爆坑呈三角形、弧形及梯形，连 续分布，规模较大，岩爆坑一般几十厘米深，最大达150 cm，沿隧道轴线长1020m， 成片分布。强烈岩爆多为破裂剥落性岩爆，岩爆坑连续分布，最深可达4.3 m， 沿隧道轴线长大于20 m。剥落的岩块尺寸大，

11、数量多，生成大量超挖现象，洞 形不规则，对正常施工及洞室稳定影响大。4.2岩爆特征4.2.1终南山特长公路隧道出口开挖段围岩中发生的岩爆，主要分布在靠近 秦岭岭脊。隧道埋深较大(500-1350m)及地应力最高处(K76+156主地应力值 O 1、O 2、o 3 分别为 34.05Mpa、27.75 Mpa、14.99 Mpa)的地段。4.2.2强烈岩爆多发生在掌子面后方12倍洞径范围内。此范围正是开挖后 地应力场调整最强烈、地应力高度集中的区域。强烈岩爆发生时间一般在响炮后 30分钟一8小时左右出现，24小时后烈度及频率开始不同程度降低。4.2.3终南山特长公路隧道出口开挖段，岩爆主要发生在

12、岩性为条带状混合 片麻岩夹角闪长英岩、花岗伟晶岩、黑云母片麻岩的第二岩性段中，并且主要集 中在隧道中连续分布长度较长、坚硬完整的V类围岩中，这可能与这些地段的岩 体对地应力的积蓄、贮藏有利有关。条带状混合片麻岩中的角闪片麻岩、长英岩、 花岗伟晶岩等岩脉的尖端往往是岩爆起爆点，这是因为这些地方既是应力集中地 带又是围岩中的高地应力容易释放的地带。4.2.4在隧道中岩爆主要发生在线路左侧拱脚及右侧墙脚附近，左侧拱脚附 近围岩剥落较严重，岩爆坑规模较大，而右侧墙脚围岩只出现片状开裂。这可能 与该段最大主地应力的方向为N30E，倾角为74。有关，同时也可能受到重力 的影响。4.2.5终南山特长公路隧道

13、出口开挖段发生的岩爆，主要是破裂剥落型岩 爆。其特点是爆落的岩块多，岩爆坑深、规模大，持续的时间长。因此，这种类 型的岩爆在隧道的正常掘进、底部清渣、围岩支护及出渣等作业都有很大的影响。5、岩爆段施工处理措施5.1岩爆地段的防护措施5.1.1在岩爆段开挖前，注意收集秦岭铁路隧道II线在开挖过程中的岩爆 地质资料，包括岩爆类型、规模、分布里程与岩爆具体位置，作到事先预报，提 前做好岩爆防治的技术准备和施工准备工作。5.1.2给施工人员配戴钢盔、穿防弹背心，主要防止弹射型岩爆伤人。在支 护区设专职安全员，随时观察围岩状态。如发现险情，及时向带班干部汇报，作 到及时支护或组织人、机暂时躲避。5.1.

14、3在岩爆地段，开挖后及时向掌子面及洞壁进行喷洒高压水，降温除尘， 润湿岩面，提高围岩的塑性，这在一定程度可以减轻岩爆的强烈程度。5.1.4对施工打眼台车进行改造，在台车上方及侧面设立钢筋防护网。在进 行钻眼施工时必要在掌子面处也设立钢筋防护网，以确保施工人员的安全。5.2开挖措施5.2.1加强光面爆破，保证开挖洞室轮廓圆顺，避免造成局部应力集中而加 剧岩爆。5.2.2在中等岩爆、强烈岩爆地段采取短进尺（2m/循环）、多循环、弱爆 破措施。5.2.3针对岩爆类型及大小，提前打应力释放孔或超前摩擦锚杆支护。超前 摩擦锚杆采用40钢管，长度3 m，用三臂液压台车施工，安设的位置主要在 拱顶及左右边墙

15、的上部，间距11.5 m。在岩爆地段的洞壁上打应力释放孔， 孔径?5，孔深23m，间距11.5m，以达到减弱岩爆的强度。5.2.4改变开挖方式，预留岩爆层。在K76+345 K76+392发生过强烈岩爆， 整个拱顶及右边墙上部处围岩被爆下来的岩层厚达0.5m 3m，造成了大量超挖， 处理困难。施工中采用短进尺2m/循环，预留2m厚的岩爆处理层，岩爆过后再 进行二次扩挖爆破、支护，较好地通过强烈了岩爆段。5.3支护措施5.3.1发生轻微岩爆时，仔细对洞壁及掌子面进行危岩清撬后，及时喷3cm 厚混凝土进行封闭围岩。初喷完后进行锚杆挂网支护，锚杆为0 22,长度2.5m， 间距0.81.5m。在拱部挂钢筋网(0 8钢筋，间距25 cm)，后进行二次喷射 混凝土，厚度9cm。5.3.2发生中等岩爆时，支护与发生轻微岩爆时处理措施类似，不同点是挂 网后在锚杆外露端头进行横焊0 22的钢筋加固后再进行二次喷射混凝土施工。5.3.3强烈岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大，必要时进行避让，等岩 爆强度基本平静下来再进行支护。对强烈岩爆区域必须进行钢拱架支撑、锚喷挂 钢筋网进行支护，钢拱架1棉/m，与喷锚网形成联合支护体系。6、结束语通过对秦岭终南山公路隧道出口段7600m长度范围内的岩爆研究、分析及处 理，较好地通过了岩爆段，没有发生人员伤亡事故。经施工过后对岩爆段进行的 观察，洞壁未再产生各种