（安慧军）黑石岭隧道之岩爆现象 - 图文

黑石岭隧道之岩爆现象

中铁二十二局集团第四工程有限公司 安慧军

摘 要：通过对黑石岭隧道进口段的岩爆现象的实录和分析，及其处理结果，可以认为，当前对于岩爆后采取锚喷支护处理措施是有效的。目前，理论界对于岩爆的发生条件已基本趋势于共识，但是对于岩爆发生的机理却没有一个统一的认识和解释，只有将运用岩石静力学对于岩体静荷载的研究与岩石动力学对于岩体外荷载的研究有机地结合起来，将更利于对岩爆准确有效地超前预报和控制，使岩爆治理更加科学和完善。 关键词：隧道 岩爆

1 前言

张石公路化稍营至蔚县（张保界）段是河北省高速公路布局“五纵、六横、七条线”公路网主骨架中“纵五”的重要组成部分，是河北省西北地区南北方向的一条交通主干线。黑石岭隧道是该段高速公路上的控制性工程，为分离式隧道，左线全长3720米，右线全长3870米，设计建筑限界：净宽13.25米，净高7.8米。在黑石岭隧道施工过程中，遇到较强烈的岩爆，岩爆是该隧道施工中主要的地质灾害。

2 工程地质情况

2.1 地层岩性

黑石岭隧道地层岩性主要为震旦亚界蓟县系雾迷山组白云岩。根据岩层风化程度的不同，分为强风化、弱风化、微风化和微-未风化白云岩。发生岩爆地质灾害的地段主要分布在微-未风化白云岩段。 微-未风化白云岩岩性为：岩体呈浅灰色，粉晶-细晶结构，大多呈水平中厚层状构造，岩体完整闭合，岩质新鲜，坚硬而性脆。

2.2 地质构造

岩层以育有少量裂隙，产状：147°∠14°,发育有两组节理，产状分别为345°∠84°，1.5条/米，75°∠88°，3条/米。岩爆发生地段最大埋深274米。

2.3围岩物理力学参数： 岩石单轴抗压强度 （MPa） 73.9 粘聚力 （MPa ） 6.5～10.3 内摩擦角 （度） 33.5～37.2 修正的围岩基本质量指标 [BQ] 442.32 3 岩爆发生条件及其类型

3.1 岩爆

目前，理论界对于岩爆概念的解释是：是长大隧道施工中发生频率较高的突发性地质灾害，是在高地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸载导致岩体应力分异，由此引发围岩内应力重分布，当应力调整达到或接近围岩发生破坏的极限状态时，积聚在岩体中的弹性应变能突然释放，产生岩块爆裂剥落、弹射甚至抛掷现象的一种人为的岩体动力失稳地质灾害。

岩爆作为一种出现在隧道施工中地人为地质灾害，其应包括围岩的静力破坏和动力破坏两种形式。

3.2 岩爆发生条件

1

根据国内外的研究成果，岩爆的产生条件，概括地说，有两个方面：一是围岩高能储体的存在，且其应力接近岩体强度，这是岩爆产生的内因；二是附加荷载的触发，这是岩爆产生的外因。其作用机理，目前学说界尚没有完整统一的认识，但是，主流学说认为，岩爆主要有两种破坏型式，即张拉和剪切破坏。

岩爆发生的具体条件，主要包括：①围岩岩质新鲜，坚硬而性脆；②岩体完整，结构面闭合好，积聚了高应变能；③围岩埋深一般大于200m以上，但也不排除200m以下埋深发生岩爆；④围岩干燥无水；⑤不同的开挖方式，钻爆法发生岩爆的可能性较大；⑥光面爆破效果不理想，开挖断面不规则，导致围岩局部应力集中。

3.3 岩爆类型

根据当前国内外有关岩爆的实录和监测，以及相关的研究结果，岩爆类型可依据岩爆烈度大致分为三种类型：

3.3.1 轻微岩爆

围岩表层有微弱的岩体爆裂声，声响清脆，小体积薄层状不规则岩块被崩裂弹出，或岩层松弛后由母体岩层脱落，规模小，持续时间也较短，形成的岩爆坑较浅，一般约十几厘米至几十厘米深，不连续，呈零星分布。此种岩爆类型对施工影响不大，但可能危及施工人员的安全。按照岩石静力学理论，此时，产生岩爆的应力条件为：岩体切向应力σθ与岩石单轴抗压强度σc的比值约为0.3～0.5。

3.3.2 中等岩爆

此种类型的岩爆，有清晰的岩体爆裂声，并同时伴有不规则岩块从岩体表层弹出或剥落，岩块体积较大，一般在开挖后5～7小时后开始发生，且持续时间较长，形成的岩爆坑坑径可达数米，有时连续分布长达十几米，有时呈零星分布，坑深最深达1米多，对施工造成一定影响，且严重危及人员安全。此时，应力条件σθ/σc约为0.5～0.7。

3.3.3 强烈岩爆

此种类型的岩爆，主要表现为岩块从岩层中破裂剥落，同时伴有巨响，剥落岩块大小不等，持续时间长，且向围岩深部发展，易造成围岩大面积开裂失稳，导致发生坍塌，形成深度达2m以上的岩爆坑，多呈连续分布，严重影响施工和施工人员及机械设备的安全。应力条件σθ/σc在0.7以上。

4 黑石岭隧道岩爆发生及处理

结合上述理论，就黑石岭隧道发生岩爆现象作一实录和简析。

4.1 岩爆发生区段

在隧道左、右线施工过程中，均有不同程度的轻微岩爆发生，具体里程：左线LK73+630～LK73+755和LK73+790～LK73+866，右线RK73+610～RK73+739，在以上区段内呈零星分布，分布区段最大埋深243m，最小埋深205m。

中等岩爆发生在隧道右线RK74+637～RK74+650.5段，其最大埋深达274m。 以上分布区段均位于洞身III级围岩段，其主要岩性和相关物理力学参数见上文。

4.2 岩爆的特点

（1）轻微岩爆多发生在掌子面后方约十几米至几十米III级围岩段范围内，发生前无明显征兆，而是突然发生岩石爆裂声响，声响不是很清晰，不规则的薄片状石块有时应声而下，有时暂不脱落，有的持续时间较短，崩落的岩块不大，形成的岩爆坑也较小，有的持续时间较长（2～3小时），且崩出及后剥落的岩块较大，形成锅底状岩爆坑，深达60～70cm，坑径1～2m。

（2）中等岩爆发生在掌子面开挖后约5～7小时后，发生时可听到清晰的岩石爆裂声，先局部不规则的薄片状岩块应声弹出，后爆裂声愈来愈大，同时大体积的岩块（厚达几十厘

2

米，块径约1～2米）剥落，持续时间5小时左右，形成宽约6m、深达1.2m的梯状岩爆坑。见下图。

（3）轻微岩爆呈零星分布，同一断面多达2处，先后错落分布，多在隧道拱部；中等岩爆呈连续分布，长达十几米，岩爆区主要集中在隧道拱部偏左侧位置。

（4）岩爆持续一定时间后，围岩即趋于相对稳定状态。

4.3 简析岩爆发生原因

（1）岩爆发生地段埋深较大，且均分布于洞身III级围岩段，岩体完整闭合，坚硬性脆，岩体结构层面与洞壁平行，这些地段多属岩体应力集中带，也是围岩高地应力容易释放的地带。

（2）光面爆破效果不理想，开挖断面不规则，岩体局部易造成应力集中。 （3）洞内大多地段干燥无水。

（4）在掌子面后方约十几米或几十米范围内发生轻微岩爆，与该段范围内锚喷支护不及时不到位也有关系。

4.4 岩爆处理措施

4.4.1 岩爆地段的开挖措施

①加强光面爆破控制，尽量保证开挖断面轮廓圆顺规则；

②在中等岩爆地段采取短进尺，一般进尺控制在2～2.5m，全断面开挖一次成形，弱爆破，减小对围岩的扰动；

③做好地质预报工作。目前，关于岩爆的一些预测方法主要有：地质超前预测法、σθ/σc判断预测法、声发射法（AE法）和岩芯饼化法等。 4.4.2 支护措施

3

①采用喷射混凝土、系统锚杆（或局部锚杆）和钢筋网的柔性支护方式。待岩体应变能释放结束，围岩处于相对稳定状态时，及时进行初喷3～5cm厚砼封闭岩面，然后打设Φ22mm、长度2.5m的砂浆锚杆，间距1m，梅花型布置，挂φ8mm、20×20cm钢筋网，进行二次或多次分层喷射混凝土；

②在可能继续发生岩爆的掌子面上，采用超前支护措施，超前锚杆为Φ22mm、长度3m的砂浆锚杆，布置如下图：

超前Φ22砂浆锚杆50cm间距环向300cm100cm超前Φ22砂浆锚杆20°隧道中心线岩爆段超前支护正面图岩爆段超前支护侧面图

在超前支护的同时，打若干大孔径超前应力释放孔，孔径45mm，间距1m，孔深2～3m，以减弱岩爆的强度或降低掘进过程中岩爆发生的可能性。 4.4.3 防护措施

①无论何种类型的岩爆，都可能危及施工人员和机械设备的安全，因此，在岩爆发生时，必须加强施工人员的个体防护，和机械设备的安全防护，并设专职安全员，采取岩爆区警戒和报告措施；

②对可能发生岩爆的地段，必须事先做好有关的技术防范措施和相应的施工准备措施； ③对参加施工的管理人员和作业人员加强岩爆知识的教育，以增强自我保护意识，坚决杜绝违章指挥和施工。

5 结语

通过对黑石岭隧道进口段的岩爆现象的实录和分析，及其处理结果，可以认为，当前对于岩爆后的处理措施是有效的，在采取锚喷支护措施后，围岩基本趋于稳定，初期支护未见有明显开裂剥落发生。

目前，理论界对于岩爆的发生条件已基本趋势于共识，即岩爆与地质岩性和构造、岩体高地应力、一定的水文条件和不同的开挖支护方式有着密切的关系。但是，对于岩爆发生的机理却没有一个统一的认识和解释，可谓众说纷纭。一些学者认为，岩体发生岩爆时，释放出的高应变能，部分岩爆发生时长时间的持续性，以及部分岩爆发生的滞后现象，都说明岩石静力学关于岩爆机理的解释是不完整或不充分的，进而提出了利用岩石动力学对岩爆机理进行更深入的研究。其实，由于围岩地质条件的千差万别和隧道开挖施工工艺的多样化，导致了岩爆发生机理的复杂性，只有将运用岩石静力学对于岩体静荷载的研究与岩石动力学对于岩体外荷载的研究有机地结合起来，将更利于对岩爆准确有效地超前预报和控制，使岩爆治理更加科学和完善。

4