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摘要：针对高埋深隧道开挖过程易出现的岩爆灾害，本文以雷公山隧道为背景工程，介绍了目前岩爆灾害发生的机理，由于雷公山隧道复杂地质条件对现场施工带来巨大难度，文章结合岩爆发生机理对隧道施工工艺进行优化，以达到高埋深隧道开挖过程的岩爆治理，从而解决复杂地质条件下的隧道开挖遇到的灾害问题。
关键词：高埋深；隧道开挖；岩爆治理；高地应力
1 前言
高埋深长大隧道的开挖过程一般处于高地应力状态下，由于开挖卸荷和复杂地质构造作用，围岩中的集中应力会突然释放，使坚硬脆性岩体发生爆裂、松脱、剥离、弹射乃至抛射性破坏等岩爆现象，给隧道围岩的稳定性和人员设备安全造成严重威胁，对于高埋深公路隧道开挖出现的岩爆问题是急需解决的。
2 工程概况
雷公山隧道地处云贵高原的东南侧向湘桂丘陵盆地过渡的斜坡台地。场区地貌类型属侵蚀-剥蚀型低山地貌，地表受侵蚀作用强烈，地势起伏较大，最大埋深约681m，地质条件基岩按岩体节理裂隙发育及风化程度分为强、中风化层；灰褐色，薄~中层状，节理裂隙很发育且富水，结构面结合性差，岩体破碎，岩芯呈碎块状，围岩总体围岩为凝灰质板岩且富水主要为Ⅵ级围岩。
3 技术难点
3.1 围岩破碎、风险高
雷公山隧道地质条件基岩按的下降。由此，岩体内部各种因素的相互作用促使岩体的卸荷时表现出了溃决式破坏，导致岩爆的发生。根据以往现场岩爆观测资料，结合室内三轴卸围压岩石力学试验，认为岩爆发生过程是能量积聚–释放的过程，据此可分为：能量积聚、微裂纹形成与扩展、裂纹贯通与爆裂。
4.1 能量积聚
隧道开挖前，岩体在三向应力平衡状态下，处于“压密”状态，储存有大量的弹性应变能。隧道开挖，岩体径向应力解除、岩体径向约束减小，岩体沿径向方向向隧道内发生移动，但由于围岩二次应力分异，尤其是切向应力增加，以及围岩沿径向向隧道发生位移的约束端应力岩体节理裂隙发育及风化程度分为强、中风化层；灰褐色，薄~中层状，节理裂隙很发育且富水，结构面结合性差，岩体破碎，岩芯呈碎块状，围岩总体围岩为凝灰质板岩且富水主要为Ⅳ级围岩，施工过程中易造成局部掉块甚至坍塌等重大安全风险。
3.2 高地应力、施工难度大
雷公山隧道单线长4700m，埋深681m，属于超深埋特长隧道，施工时围岩经扰动后在高地应力条件下极易产生岩爆，造成重大安全风险。
3.3 隧道施工时，对环境保护难度大
雷公山隧道为国家5A级景点，同时也位于大塘镇景区内的水资源保护区，施工时对环境保护要求特别高、管控特别严。
3.4 结构防水要求高
隧道防水等级为二级，由于隧道施工工艺繁杂，分多步开挖，分段模筑二衬，砼浇筑时混凝土的供应不及时，以及施工振捣不密实等原因，极易造成混凝土形成施工冷缝，影响结构防水质量。
4岩爆发生机理介绍
隧道在开挖卸荷过程中，隧道周边围岩的径向应力被卸除，应力发生重分布。当调整后的应力状态达到岩体极限状态时，岩体发生破坏。卸荷作用使得岩体的承载力快速集中，局部能量增加。
4.2 微裂纹形成与扩展
岩石内部存在大量的微缺陷，由于开挖卸荷，围岩应力发生重分布，在裂纹的尖端应力发生高度集中，当尖端的集中应力大于岩石的临界破坏强度，微裂纹扩展，同时释放应变能，当释放出来的弹性应变能大于形成新的微裂纹所需的能量，微裂纹发生不稳定扩展。
4.3 裂纹贯通
裂纹不断扩展增大，最后贯穿。岩爆的发生与卸围压的速率密切相关。地下洞室开挖时，一次开挖的进度愈大，释放的能量也愈大；开挖的速率愈高，能量释放速率也愈高。
5 雷公山隧道开挖过程的岩爆治理施工技术
5.1 应力解除法
地下隧道工程采用爆破技术治理岩爆，一般来说有两种做法。第一种做法就是在开挖岩体中超前钻孔爆破。在掌子面上，向掌子面推进的方向钻直孔，炮孔方向平行于隧道轴线，炮孔的延伸深度必须超过下一次爆破循环。图1为雷公山隧道掌子面直孔应力释放爆破法孔位布置图，在掌子面距开挖轮廓线1.5m的圆周上，钻凿与洞轴线平行的超前应力释放爆破孔，单孔深6m，孔径60mm，布置7个孔，在孔内爆破，形成一个与洞壁有一定安全距离和厚度的人工破碎带。
图1 掌子面直孔应力释放爆破法孔位布置图
第二种方法是在保留岩体里面钻孔爆破，在应力集中的部位钻孔实爆，使应力集中得到释放或转移。该方法需要配合全线范围内的应力监测设备共同使用，与第一种方法相比，这种方法要在保留岩体中钻孔施爆，优点是不仅可以解决掌子面的岩爆问题，也可以解决已经成型洞段的岩爆问题。缺点是要在保留岩体中施爆，对保留岩体的完整性有不利影响，爆破不当甚至会有诱发岩爆的可能。所以雷公山隧道采用弱能量爆破，所产生的破坏力较小，可控性好，适合在保留岩体中施爆，且当应力释放孔与掌子面孔一起起爆时，也能够控制隧道开挖断面的超欠挖。
5.2 高地应力隧道支护新技术
针对雷公山隧道高地应力大变形采取增大预留变形量，采用先柔后刚、边支边让、多次支护等措施，具体措施为加强超前支护，采用R51自进式锚杆，初采用U25型让位吸能可缩式钢拱架（全环封闭），并在I18型工字钢及24cm厚C25聚丙烯纤维喷射混凝土二次支护，系统锚杆采用8m长R32自进式锚杆与4.5m长R25自进式锚杆梅花形隔排布置，二次衬砌为60cm厚C30钢筋混凝土。
5.3 隧道开挖过程中的监测新技术
针对Ⅳ级围岩高地应力岩爆灾害采取微震仪器对隧道开挖过程的围岩变形导致的破损区域及能量释放特征进行24小时监测。通过现场的微震监测数据结合中心实验室对板岩受加载速率、含水率等因素影响下的力学行为、声发射-电荷等信号特征规律总结出高地应力板岩隧道开挖过程的力学性质及信号变化规律，得出高埋深隧道的最大开挖速率，理论成果可用于指导高埋深隧道施工时岩爆灾害的治理。
6 结语
本文以雷公山隧道为背景工程，介绍了岩爆产生机理，并针对隧道本身地质条件提出了探讨了解决高埋深隧道开挖过程中的岩爆问题，文章所得结论可为高地应力隧道的施工提供一定的理论指导意义。
参考文献：
[1] 刘美山，吴新霞，丁秀丽，等.弱能量爆破技术在地下隧洞工程岩爆治理中的应用试验[J].岩石力学与工程学报，2013（s2）：3675-3680.
[2] 陈卫忠，吕森鹏，郭小红，等.脆性岩石卸围压试验与岩爆机理研究[J].岩土工程学报，2010，32（6）：963-969.
论文作者:赵鑫,孙林,刘文龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/18
标签：隧道论文; 应力论文; 围岩论文; 雷公论文; 裂纹论文; 高地论文; 能量论文; 《基层建设》2018年第25期论文;