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摘要：文章通过对乌兹别克斯坦QAMCHIQ隧道岩爆的预测、控制措施、安全评价等方面工作的研究与总结，揭示了对岩爆危险源辨识、评价和管控的全过程控制，保障了施工期间的安全，为岩爆隧道施工安全积累经验并为同类工程提供借鉴。
关键词：隧道；岩爆；危险源；安全管控
引言
岩爆是高地应力地区地下洞室中围岩遭脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象。岩爆的发生对人身安全、设备安全和施工进度等都造成了极大的威胁和影响。
刘学增[1]等通过对事故的机理和分类进行总结，对岩爆安全指标进行识别，形成了岩爆安全评价量化指标体系。杨秀权[2]等通过对隧道施工安全管理对策的探讨，引发了对隧道及地下工程施工危险源辨识系统的思考。李红军[3]等通过对强烈岩爆发生的原因进行分析，总结了强烈岩爆段施工处理技术。
本文通过对乌兹别克斯坦QAMCHIQ隧道岩爆预测、岩爆控制措施、岩爆安全评价等方面工作的研究与总结，揭示了危险源辨识、管控与评价的全过程控制，保障了施工期间的安全，也为岩爆隧道施工安全提供了积累经验和同类工程提供借鉴。
1 工程概况
乌兹别克斯坦安革连(Angren)～琶布(Pop)电气化铁路全长169km，QAMCHIQ隧道为全线最重要的控制性工程。项目主要工程为一条长19.2km的主隧道和一条平行于主隧道的长19.268km的安全隧道。设置有3座斜井辅助正洞施工,其中1#斜井长1532m,2#斜井长3500m，3#斜井长1845m，全部采用钻爆法开挖。隧道埋深超过700m的地段长达7km，最大埋深达1275m。大埋深地段围岩为石英斑岩、花岗岩及花岗正长岩等脆性岩层，发生岩爆的可能性极高。
2 岩爆预测
岩爆在QAMCHIQ隧道施工过程中频繁发生，对现场作业人员的心理和生理均造成较大影响，已成为QAMCHIQ隧道施工中的头号危险源。若能预先知道岩爆发生的位置、时间以及强度，再根据岩爆形成机制制定相应的控制措施，将会大大降低岩爆的风险等级。
2.1岩爆烈度分级
目前一般从工程实践出发，依据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩爆的危害方式、危害程度以及防治对策等，对岩爆进行分类，可分为以下三种。
（1）轻微岩爆 围岩劈裂呈块状、板状、鳞片状，厚度一般小于10cm，个别大于10cm。爆裂声响微弱，弹射距离很小，岩壁上形成破裂坑，顶板岩爆的石块主要是坠落，破裂坑的深度主要受围岩应力和强度的控制，零星分布。
（2）中等岩爆 岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声如枪响，弹射岩片体积一般不超过1/3m3，直径5~10cm。洞室开挖后，一般出现片状岩石弹射、崩落或呈笋皮状的薄片剥落。主要危害是弹射的岩片伤人，对机械设备无多大影响。
（3）强烈岩爆 岩爆发生使岩石抛射，其声响如同抛弹爆炸，抛射岩块的体积数立方米到数十立方米，抛射距离几米到二十几米，岩爆坑多连续或成片分布。对机械、支撑造成大的破坏。
2.2 岩爆预测流程
QAMCHIQ隧道岩爆预测程序为：首先对岩体结构观察进行宏观初步判断，在此基础上使用电磁辐射监测仪进一步确认岩爆发生的可能性及强度。基本流程如图1所示。
图 1
2.3 岩爆发生的基本条件
（1）围岩为花岗岩的Ⅱ、Ⅲ级围岩段。
（2）地下水不发育，结构面干燥、呈密闭状态。
2.4 岩爆可能性及强度预测
通过对现场发生岩爆的情况进行观察分析发现QAMCHIQ隧道岩爆具有以下规律：
（1）轻微岩爆：只有1组构造节理，节理走向与隧道纵向的夹角＞65°或与隧道轴线接近平行，节理的倾角＞70°。
（2）中等岩爆：2组节理中，一组节理的走向与隧道纵向的夹角＞65°，另一组与隧道轴线接近平行，至少有1组节理的倾角＞70°。
（3）强烈岩爆：2组节理中，一组节理的走向与隧道纵向的夹角＞65°，另一组与隧道纵向接近平行，至少有1组节理倾角＞80°。
（4）构造结构面走向与隧道纵向或横向越接近平行、倾角越大发生岩爆的可能性越大。
2.5 岩爆可能性及强度确认
在对现场围岩观察，发现存在岩爆可能性后，进一步对围岩情况进行检测，本隧道主要使用电磁辐射仪监测固定时长内岩体的电磁辐射射脉冲次数、强度及能量来判断岩体是否会发生破坏或岩爆。其监测原理为：聚集大量应变能的岩体的破坏过程是一个能量耗散过程。它是一个微细裂纹逐渐开展、增多、扩大，裂纹间相互作用的过程。在此过程中除会发声、发热，以声、热等形式耗散能量外，微细裂纹的尖端还会产生电磁辐射，以电磁辐射形式耗散能量。岩体越接近破坏，微细裂纹越多，声、电反应越强，因此，可通过监测固定时长内岩体的电磁辐射脉冲次数、强度及能量来判断岩体是否会发生破坏或岩爆。其中，强度反映岩体的受载程度，强度值越高，表示岩体受载程度越高；能量越大，表明岩体越接近破坏；脉冲反映岩体开裂的频次，脉冲值越高，岩体开裂越剧烈。
在对QAMCHIQ隧道岩爆进行预测时，通过多次实验综合得出表1所列的各级岩爆电磁辐射监测预警值。在对监测结果进行判释时，现场坚持能量为主、脉冲为辅的原则。主要是考虑到岩爆是硬脆性围岩聚集的弹性应变能快速释放的动力地质灾害，能量的释放其实是将其聚集的弹性能转化成其它能量的过程。因此，采用能量来对岩爆进行判释，物理意义明确。现场监测实践也表明，采用能量进行判释更加准确。
表格 1 各级岩爆电磁辐射监测预警值
2.6预测范围
通过以上宏观定性分析加仪器定量监测，可以预测掌子面前方7—10m有效监测范围内是否可能发生岩爆。
3.岩爆控制措施
在预测到岩爆的发生过后，即需采取各种措施减弱岩爆发生的烈度，减少人员在岩爆环境停留的时间，以控制岩爆伤人事故的发生。
3.1机械化施工
钻孔作业时采用三臂凿岩台车代替人工风钻，可以大幅减少人员在掌子面停留的时间。
3.2 进尺控制
岩爆洞段要遵循合适的循环进尺、合适的药量，若进尺大时，一次暴露的表面积太大，应力集中的程度就会加剧，岩爆的发生就会频繁，烈度也会加大，进尺太短也不行，频繁扰动也是岩爆洞段施工的大忌。轻微至中等岩爆段一次进尺控制在2.5米是合适的，严重岩爆段进尺控制在2米。
3.3 加密岩爆部位的炮孔密度
通过对现场发生岩爆部位的观察发现，在相当一段长度内，岩爆出现的响声、剥落掉块、岩片弹射部位非常有规律，开挖工作中，在这些部位适当的加密炮孔，减少装药量，对于开挖后减小岩爆频率，降低岩爆烈度效果明显。
3.4 超前小导管施作
通过在拱顶～拱腰段施作超前小导管，以减少拱顶～拱腰段岩板的无支承段长度，提高岩板的脆断临界失稳应力，从而防止和减弱岩爆。
3.5完善系统支护措施
开挖完成后，及时初喷混凝土，减少岩块脱落。
轻微岩爆地段采用锚网喷支护，喷射纤维混凝土，设立局部锚杆+钢筋网或局部地段拱墙系统锚杆+钢筋网。
中等岩爆地段采用拱部或拱墙系统锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护，必要时设立格栅钢架。
强烈岩爆地段应采用格栅钢架（或者型钢钢架）+喷射混凝土支护，钢架之间打设系统锚杆及钢筋网。
3.6 增设临时防护
在掌子面及其附近岩爆地段加挂铁丝帷幕, 可防止岩爆飞石伤人和砸毁机器设备，增加作业场所安全感，保护施工人员和机具。在挖掘机及装载机后配套安装“铁甲”，构成一个“防石棚”，以避免岩爆石块塌落伤人及砸坏设备。
3.7 待避及找顶
待避是一种有效的安全措施。一般在岩爆猛烈的时候，为防止飞石造成事故，可以在安全处躲避一段时间，待避到平静为止。找顶也是简单有效的安全措施。在掌子面2倍洞跨范围内，加强巡回找顶，清除岩爆产生的浮石，避免石块坍落伤人，且需专人负责此项工作。
3.8 管理控制措施
现场设立岩爆观察员，密切关注围岩变化情况，发现异常及时通知人员撤离至安全地带；值班安全员督促现场作业人员佩戴好各种劳动防护用品。
3.9 应急管理
针对岩爆施工编制专项应急预案，并定期组织演练，包括人员撤离、停机待避、伤员急救、岩爆现场辨识、岩爆控制措施等。
4 岩爆安全评价
在进行了岩爆预测并采取相应控制措施后，需对控制措施进行效果分析，本文采用LEC评价法对岩爆采取控制措施前后情况进行半定量安全评价。
4.1 采取控制措施前
通过岩爆预测后，掌子面前方将要发生岩爆，则根据LEC评价法量化分值标准，各参数取值情况如下：
（1）事故发生的可能性（L）：因已经预测到前方将要发生岩爆，所以岩爆发生是相当可能的，所以L值取6；
（2）人员暴露于危险环境中的频繁程度（E）：钻孔、装药、立拱等作业人员每天工作时间内均会暴露在该环境中，所以E值取6；
（3）一旦发生事故可能造成的后果（C）：轻微岩爆可能会导致人员伤残，C值取3；中等岩爆可能导致严重后果，如人员重伤乃至死亡，C值取15；强烈岩爆会引发隧道塌方，后果非常严重，甚至会发生群死群伤，C值取40.
从而得出，轻微岩爆时D=LEC=6×6×3=108，评价结论为D值108处于70—160之间，危险程度属于“显著危险，需要整改”；
中等岩爆时D=LEC=6×6×7=252，评价结论为D值252处于160--320之间，危险程度属于“高度危险，要立即整改”；
强烈岩爆时D=LEC=6×6×40=1440，评价结论为D值1440大于320，危险程度属于“极其危险，不能继续作业”。
所以，不管是何种程度的岩爆，均需采取控制措施。
4.2 采取控制措施后
在采取相应岩爆控制措施之后，岩爆发生的强度和可能性均会降低，根据LEC评价法量化分值标准，各参数取值情况如下：
（1）事故发生的可能性（L）：因采取了上文3.2/3.3/3.4条等措施后，会减弱和防止岩爆的发生，所以岩爆发生虽然仍是可能的，但不经常，所以L值取3；
（2）人员暴露于危险环境中的频繁程度（E）：钻孔、装药、立拱等作业人员每天工作时间内均会暴露在该环境中，所以E值取6；
（3）一旦发生事故可能造成的后果（C）：轻微岩爆可能会导致人员伤残，C值取3；中等岩爆和强烈岩爆在采取了上文3.2/3.3/3.4条等控制措施后，烈度会下降，产生的后果也会减轻，且强烈岩爆发生前，会先伴有剧烈的响声，留给现场设立岩爆观察员通知人员撤离的时间，所以中等岩爆和强烈岩爆在采取了控制措施后，发生事故的后果可以大幅减轻，可能会导致人员伤残，所以C值取3；
从而得出，在采取控制措施后发生岩爆时，D=LEC=3×6×3=54，评价结论为D值54处于20—70之间，危险程度属于“一般危险，需要注意”。
表格 2采取措施前后，岩爆危险程度对比
5 结论与体会
危险源辨识在项目安全管理工作中起至关重要的作用，危险源辨识的准确性直接关系到其管控措施的制定，从而影响危险源的可控性。对岩爆的预测准确程度，同样也关系着岩爆能否得到有效控制。在QAMCHIQ隧道施工期间，从首次发现岩爆现象开始，项目即着手研究岩爆预防措施，并逐步形成了以对岩体结构观察进行宏观初步判断为基础，以电磁辐射监测仪监测数据进一步确认为准的预测方法。运用该预测方法，多次成功预测掌子面前方岩爆情况，从而为制定控制措施赢得先机，大大降低了施工安全风险。然而在成功探索该预测方法之前，岩爆造成了多起伤人事故，成为施工安全挥之不去的痛。
若能在开工之初增加安全风险评估环节，系统地辨识项目各种危险源，尤其是岩爆这种对施工安全造成极大影响的危险源，尽早采取预测、预防措施，则可减少项目生产安全事故发生。
参考文献(references)：
[1] 刘学增，苏云帆. 隧道施工岩爆安全评价量化指标体系研究[J]. 公路交通科技，2010，27（11）：88--93
[2]杨秀权，平正杰. 复杂地址条件下长大隧道施工安全管理对策探讨[J]. 隧道建设，2009,29（增刊2）:7--12
[3]李红军，郭志武，刘洪震，赵海龙. 安琶铁路隧道强烈岩爆段施工处理技术[J]. 隧道建设，2015，35 (S2): 63—67
作者简介：张德尚（1986---）男，江苏沭阳人，2009年毕业于太原理工大学，安全工程专业，本科，工程师，从事安全管理工作，先后参加过重庆至利川铁路、乌兹别克斯坦QAMCHIQ铁路隧道、新加坡地铁CCL6 C885标段工程建设。
论文作者:张德尚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/15
标签：隧道论文; 围岩论文; 措施论文; 节理论文; 危险源论文; 发生论文; 电磁辐射论文; 《防护工程》2018年第30期论文;