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) 转载标签： 秦岭终南山公路隧道岩爆特征施工措施分类： 桥隧专业 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“银川西安武汉”和“二连浩特包头西安北海”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镇之

2、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、闪长玢岩、伟

3、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-类，断层带及蚀变闪长岩发育地段为类，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，节理裂隙不发育或较发育，断层局部发育，地下水不发育，仅少数地段

4、有渗水、滴水或小股流水。本段围岩主要为-类，局部断层带为-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

5、较高，最大主应力1=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： Rc15Rt （1） Wet2.0 （2） 0.3 Rc （3） Kv0.55 （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。 隧道洞壁最大切向应力，=(31-3)。 Kv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）泊松比弹性能量指数Wet脆 性 指 数Kr=（Rc

6、/Rt）K78+980混合花岗岩140.1110.247.8100.196.2513.68K77+176混合片麻岩131.99(127.12)9.445.110(4.810)0.177.44(7.12)13.98K76+906混合片麻岩177.8813.275.8100.176.5313.40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）=(31-3)隧道埋深H(m)123123123K81+09515.0710578.321.414763312416237.4270K76+15634.0527.751

7、4.99747153014323587.169704、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

8、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。 4.4.3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，最大为长宽深

9、达1072.5（m）,剥落的岩块为片状、板状，大小不一，最大为3.03.50.8(m)。此种类型岩爆从出现响声开裂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

10、，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，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1、2、3分别为3

11、4.05Mpa、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

12、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

13、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。 5.1.3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

14、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

15、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22，长度2.5m，间距0.81.5m。在拱部挂钢筋网（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榀/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，洞壁未再产生各种类型的岩爆，所喷的混