隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究

重庆陆家岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究
摘要：根据在重庆陆家岭隧道施工中发生的岩爆，通过现场地质观测资料，具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件，从地质工程的角度，对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨，发现在陆家岭隧道施工中发生岩爆的岩石具有岩体结构面发育适中、弹性模量大、P波波速高、地质构造简单、现代水平构造应力强且主压应力轴σ1大角度相交于隧道中轴线和地下水不发育的特征，并在此基础上，提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等有效的岩爆防治措施。

关键词：隧道工程；岩爆；工程地质特征；防治措施；陆家岭隧道
引言
岩爆是在高地应力条件下进行隧道施工的过程中，围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，岩体内部原先储存的弹性应变能突发性地急剧释放出来，使隧道围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种动力失稳的地质现象，是一种高地应力区常见的工程地质灾害，对于隧道施工的人员和设备均造成了直接威胁。

因此，详细研究发生在陆家岭隧道施工中的岩爆，总结其发生发展的规律并提出相应的防治措施，对于保证隧道施工的安全，进一步探索岩爆地区工作方法都有一定的理论参考价值[1～5]。

2陆家岭隧道岩爆发生的工程地质特征
陆家岭隧道位于重庆东南部地区，是重庆—宜昌高速公路西段重要工程，起止桩号：ZK113+485～ZK119+865，中心桩号ZK116+175，全长6 380 m，隧道进口标高1 063.63 m，出口标高1 020.12 m，成洞洞径15 m，隧道埋深120～600 m。

施工地区为中低山和丘陵地区，最大海拔1 876 m，地形自然坡度35°～65°，局部山体陡峭，植被发育。

隧道围岩主要是上侏罗统熔结凝灰岩，岩石致密坚硬，完整性好，呈块状镶嵌～大块砌体结构，局部有少量结构面或贯通性微张节理，风化程度低，地下水贫乏，不发育。

自2003年11月开始施工以来，先后在隧道7个区段的拱顶和边墙发生了93次岩爆，具体发生岩爆位置及次数见图1。

图1陆家岭隧道发生岩爆位置及次数示意图
根据现场资料分析，这些岩爆表现出与下列5个典型的工程地质特征关系密切：(1)围岩距隧道掌子面远近不同，岩石发生岩爆的次数不同。

陆家岭隧道岩爆发生的次数与距掌子面的距离关系密切，如图2所示。

由图2可知，陆家岭隧道岩爆发生有很强的规律性，岩爆发生最高次数的高峰区出现在距掌子面6～15 m(即0.5～1倍隧道洞径区间)的隧道拱角及两侧壁上，迄今为止共发生岩爆60次，占已经发生岩爆总数的64.5%，另外有21%出现在掌子面上及大于1倍洞径以外的隧道中。

随着距离的增加，岩爆次数显著减少，仅有极少数岩爆发生部位距掌子面的距离大于40 m。

距离掌子面的距离/m
图2陆家岭隧道发生岩爆次数与距掌子面距离的关系曲线
(2)隧道中掌子面开挖暴露时间的长短不同，围岩发生岩爆频数不同。

由于岩爆是隧道围岩集聚能量、应力重新分布后的产物，因此，岩爆发生的次数与掌子面开挖暴露时间的长短关系密切，如图3所示。

掌子面开挖暴露时间/d
图3陆家岭隧道发生岩爆次数与掌子面围岩开挖时间的关系曲线
由图3可知，陆家岭隧道岩爆发生的高峰期主要集中在2个时间区段内：
第1个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后24 h内，在该时段内共发生51次岩爆，占所发生岩爆总数的55.8%，主要发生在距离掌子面6～15 m的隧道拱角及拱顶处的应力集中区，见图1中的1和2区，这类岩爆属于速爆型岩爆，对于隧道施工人员和设备威胁巨大。

第2个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后16～24 d内，在该时段内共发生37次岩爆，占所发生岩爆总数的39.7%，主要发生在距离掌子面6～15 m的隧道两个侧壁，这类岩爆属于缓爆型岩爆。

造成上述情况的主要原因是：
①在围岩开挖暴露后，先期赋存在岩体中的能量超过了岩体本身的强度，通过岩爆的形式得以释放，形成了第1个岩爆高峰区段，这次岩爆类型以爆次数岩次/爆次数岩次/·3400·岩石力学与工程学报2005年速爆型岩爆为主。

②围岩中的应力在重新调整、分布后，岩体中的应力及能量再次得以聚集，并在隧道中爆破作业所产生的冲击波影响下，再次发生岩爆，形成了第2个岩爆高峰区段，这次岩爆类型以缓爆型岩爆为主。

(3)陆家岭隧道中的岩爆体的特征不同。

陆家岭隧道的岩爆有速爆型岩爆和缓慢型岩爆2种类型，具体表现形式如下：速爆型岩爆多发生在掌子面开挖后24 h内，占岩爆总数的70%。

岩爆发生一般分2个破坏阶段：开始为岩体的张性破裂、弹射、剥落；继而是极限破碎的岩块被挤出、弹射。

岩爆发生时，首先围岩内部发出清脆的爆裂声，而后岩块从隧道的拱顶或拱角向临空面弹射而出，弹射距离较远，弹射角度可达35°～45°，岩块成分以熔解凝灰岩、霏细斑岩为主，多呈中间厚、边缘薄的片状或贝壳状，爆裂面为新鲜断口，部分断口面为有铁膜覆盖的微裂隙。

一般面积为0.35 m×0.45 m，岩体的破坏形式以劈裂破坏为主，岩块剥落的时间几乎与岩体内的爆裂声同步，这类岩爆对于隧道施工人员和设备威胁巨大。

缓爆型岩爆则主要发生在掌子面开挖后16～24 d内，占岩爆总数的25%。

岩爆发生时无岩爆响声或仅有微弱的响声，一般不易察觉。

发生这类岩爆的岩体，表面完整，无明显的迹象，大多数岩体受到隧道中爆破作业所产生冲击波的扰动后，所发生的片邦、掉快主要集中在隧道两侧壁上；岩块多呈厚度相差不多的片状、饼状，成分也以熔解凝灰岩、霏细斑岩为主，一般面积为0.25 m×0.30 m，岩体的破坏形式以剪切破坏为主，这类岩爆对于隧道施工人员和设备有一定的威胁。

(4)陆家岭隧道中发生岩爆的岩体主要的工程地质特征特殊。

陆家岭隧道的岩爆主要发生在干燥无水的、结构面发育适中的、具有较高弹性模量的熔结凝灰岩所构成的岩体中。

图4给出了已记录的陆家岭隧道发生岩爆次数与围岩中发育的结构面密度关系曲线。

由图4可以看出，岩爆发生最多的岩体，其结构面的发育密度适中，为4～6条/m。

太多或太少均不易发生岩爆。

由线性断裂力学理论可知，岩体中裂隙的扩展是在结构势能F(F=W-U)出现驻值的情况下发生的，即满足：结构面密度/(条·m－1)
图4陆家岭隧道发生岩爆次数与围岩中发育的结构面密度关系曲线
式中：W为结构弹性能，U为裂隙扩展所需要的能
量，a为裂隙长度的一半。

岩体中裂隙扩展时消耗的能量，即裂隙驱动力可以由用裂隙顶端的弹性能释放率G来表示；裂隙扩展的阻力也可以由裂隙扩展单位面积上消耗的能量率R来表示。

这样岩爆时岩体中裂隙扩展条件可
以表示为
G =d U/d a(2)
R =d W/d a(3)
R-G=0(4)
由非稳定平衡岩爆发生的能量准则可知，岩体失稳的条件为
δ2F≤0(5)
将式(2)，(3)代入式(5)，有
d(R /G)/da≤0
简化后，可得到岩爆发生时的能量条件为
R-G≤0(6)
由式(5)可知，只有当聚集在岩体中的能量大于岩爆克服裂隙扩展、节理面形成时所需的能量时，才会形成岩爆。

而岩体中结构面的发育程度对于岩体中能量的聚集、岩爆的发生有着重要的影响。

岩爆的过程，就是在岩体中能量聚集和释放的过程。

隧道开挖后，围岩的能量平衡系统被打破，能量开始在围岩中重新分配聚集，这时岩体完整性越好，结构面越少，岩石弹性模量越大、强度越高，围岩的初始应力越大，聚集在岩体中的能量就越多；而岩爆的形成，则需要有足够的能量去扩展岩体中的微裂隙，形成节理面，并将岩块抛射出去，这时岩体中的结构面越多，岩爆所需的能量就越少，岩爆就越容易发生。

因此，只有结构面发育适中的爆次数岩次/第24卷第18期李忠等.重庆陆家岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究?3401?岩体，才能在岩体中聚集大于岩爆所需的能量，满足岩爆发生时的能量条件式(5)，形成岩爆。

结构面太少，虽可聚集足够的能量，但岩爆所需的能量更大，不易形成岩爆；而结构面过多，岩爆所需能量虽然较少，但聚集能量十分困难，同样也不易产生岩爆。

(5)陆家岭隧道中发生岩爆的区段与隧道的埋深、现代地质构造应力场关系密切。

陆家岭隧道发生的岩爆，直接受到隧道的埋深、隧道所在地区现代构造应力场的影响。

图5给出了已记录的陆家岭隧道发生岩爆次数与隧道埋深关系曲线。

由图5可以看出，在现代构造应力场的影响下，陆家岭隧道发生岩爆最频繁区段的埋深为382～408 m。

隧道的埋深/m
图5陆家岭隧道发生岩爆次数与隧道埋深关系曲线
Fig 5 Relationship of rockburst and the buried depth of tunnel
根据已有的地质勘察资料，采用现在普遍流行的岩爆发生的临界深度计算公式，即cH≥γμμσ
式中：cH为岩爆发生的临界深度；
cσ为岩石单轴抗压强度；μ为岩石泊松比；γ为岩石容重；jK为
根据围岩表面应力组合状态而定的系数，当roσ/σ为0.0，0.5和1.0时，
jK分别为0.19，0.38和0.42，陆家岭隧道地区jK取0.19，其中，rσ为围岩自重应力的垂直分量，0σ为围岩自重应力的水平分量。

由地质力学理论可知，岩爆的发生除了与地下工程的埋深、岩石本身的力学性质关系密切外，更主要的是受到了现代构造应力场的影响，只有地质构造应力与围岩的力学性质均满足岩爆发生条件，即隧道中该段的岩石强度与该段的构造应力比α
满足：13c3σσσα?=≤2.5时，才有可能发生岩爆。

为了准确掌握施工场地现代构造应力场的特点，采用水压致裂方法，在不同埋深的地段进行了12次地应力测量，该地区最大地应力1σ为32.8MPa，最小地应力3σ为11.4 MPa，由此可以算出α=1.70～1.80，说明该段埋深的隧道在现代构造应力场的控制下，完全可能发生岩爆。

3防治措施
同一般地质灾害的防治措施一样，陆家岭隧道岩爆的防治措施也侧重于“防治”
和“绕避”2个方面，但对于陆家岭隧道中无法绕避的岩爆多采用地应力人工解除、软化和预裂破坏缓和应力、岩面软化、喷锚和挂钢筋网以及采用光面爆破减少聚能角等防治措施。

3.1人为应力解除方法
该方法主要用于隧道中预计可能发生岩爆的洞段内，通过人工进行垂直于掌子面的超深钻孔施爆作业，在掌子面内形成一个相当深度的破碎带，以减轻掌子面上的压力，从而降低岩爆发生的可能性和影响范围，实施这种方法的关键是应力孔的钻进深度、时间间隔以及装药量，一定要根据现场围岩的工程地质性质和地应力的大小来决定，确保实施作业后能在掌子面前方形成一个2～4 m的破碎岩石缓冲带。

3.2选择合适的光面爆破开挖方法
对于陆家岭隧道洞内频繁发生岩爆的地段，采用光面爆破，减少周边孔径，使用φ22 mm小药卷和瞬发雷管，降低同段起爆药量，尽量消除隧道内爆破作业诱发岩爆的因素，并使开挖掌子面周边基本圆顺，减少隧道壁上岩体表面聚能结构的数目，尤其要避免出现棱角状突起或凹面，以防止产生新的局部应力和能量的聚集；同时对隧道壁中已经松动的岩块基石进行清除，减少岩爆岩块的数量。

3.3喷锚和挂钢筋网加固围岩
对于陆家岭隧道洞内缓爆型岩爆的地段，主要采用喷浆法处理。

喷浆厚度一般为5～10 cm，采用较高强度等级的混凝土，将隧道表层破裂岩体联固。

对于隧道内速爆型岩爆的地段，则主要采用喷射混凝土或钢纤维混凝土结合布设系统锚杆的处理方法。

系统锚杆深度为2 m，间距为1～2 m，呈梅花形布置，也可视现场情况加密；喷射混凝土或钢纤维混凝土则要等岩爆的2个破坏阶段结束后才能开始，一般喷射3次，喷射厚度为15～20 cm。

在未爆次数岩次/·3402·岩石力学与工程学报2005年喷射混凝土前，可以临时加挂高强度尼龙绳网来降低岩爆产生的破坏力。

另外，还可以在爆破后向掌子面和工作面喷水，湿润围岩，也可在作业过程中不断向工作面喷水，既可以及时降低缓解围岩应力，也可以除尘和降温。

当然加强岩爆多发地段的监测预报也是重要的防治措施。

4结论
陆家岭隧道发生的岩爆具有下列特征：
(1)陆家岭隧道岩爆发生有很强的规律性，岩爆发生最高次数的高峰区出现在距离掌子面6～15 m(即0.5～1倍隧道洞径区间)的隧道拱角及两侧壁上。

(2)陆家岭隧道岩爆发生的高峰期主要集中在2个时间区段内，第1个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后24 h内，占所发生岩爆总数的55.8%；第2个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后16～24 d内，占所发生岩爆总数的39.7%。

(3)由于陆家岭隧道的岩爆有速爆型和缓爆型岩爆2种类型，其中速爆型岩爆占总岩爆数的70%；缓爆型岩爆占总岩爆数的25%。

(4)陆家岭隧道岩爆发生最多的岩体，其结构面的发育密度适中，为4～6条/m，太多或太少均不易发生岩爆。

(5)在现代构造应力场和岩石本身力学性质的影响下，陆家岭隧道发生岩爆最频繁区段的埋深为382～408 m。

(6)对于陆家岭隧道中无法绕避的岩爆多采用地应力人工解除、软化和预裂破坏缓和应力、岩面软化、喷锚和挂钢筋网以及采用光面爆破减少聚能角等防治措施。

因此，在以后的隧道施工中应引起重视，根据其发生发展规律采取行之有效的防治措施，确保施工人员和设备的安全。

参考文献(References)：
[1]周德培，洪开荣.太平驿隧洞岩爆特征及防治措施[J].岩石力学
与工程学报，1995，14(2)：171–178.(Zhou Depei，Hong Kairong. Characteristics of rock burst in Taipingyi tunnel and its prevention measures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1995，14(2)：171–178.(in Chinese))
[2]刘元昆，罗超文，尹健民.西部地应力测量与岩爆分析[J].岩土
力学，2003，24(增1)：94–95.(Liu Yuankun，Luo Chaowen，Yin Jianmin.The analysis of the rockburst and the measure of geostress in west of China[J].Rock and Soil Mechanics，2003，24(Supp.1)：
94–95.(in Chinese))
[3]许绛垣.岩爆灾害及其防治[J].安全与环境工程，1998，5(1)：
32–35.(Xu Jiangyuan.The research on the rock-burst and the prevention and cure[J].Safety and Environmental Engineering，
1998，5(1)：32–35.(in Chinese))
[4]胡夏嵩，赵法锁.低地应力区碎裂结构围岩基本特征研究[J].工
程地质学报，2004，12(4)：396–398.(Hu Xiasong，Zhao Fasuo. Composition and microstructure properties of discrete structural surrounding rock mass in the low geostress region[J].Journal of Engineering Geology，2004，12(4)：396–398.(in Chinese))
[5]李攀峰，张倬元，陶连金.某大型地下洞室群围岩稳定性分类研
究[J].工程地质学报，2004，12(1)：25–30.(Li Panfeng，Zhang Zhuoyuan，Tao Lianjin.Stability ranking system of rock mass surrounding a large scale underground cavern group[J].Journal of Engineering Geology，2004，12(1)：25–30.(in Chinese))。