(特殊地质隧道施工技术汇总)隧道岩爆特征与治理措施

(特殊地质隧道施工技术汇总)隧道岩爆特征与治理措

施

二郎山隧道岩爆特征与治理措施

1、岩爆特征

高地应力区的一个显著地质特征是岩芯饼裂现象,饼越薄地应力值越大。

(1)岩爆发生在石英砂岩、粉砂岩、砂岩、部分砂质泥岩及泥岩与灰岩、粉砂岩、砂岩夹层中的硬质岩层中,围岩类别属IV、V 类。

(2)岩爆多发生在掌子面及1~3倍洞径范围,距齐头20m左右最为强烈,也有滞后200m的;发生时间与距离是对应的,一般是在2~8小时内,也有滞后1~2天的,有些段落滞后1~2个月或几个月后发生。刚遇到岩爆时的表现是岩体内有声响,但无石块爆落,随着掘进深度的增加地应力值的加大则出现了明显的岩石撕裂声与岩片爆落,有的还有弹射,形成深1~2m深的三角形爆坑。

(3)岩爆声响既发生在掌子面也发生在岩体内部,轻微岩爆的声响较为清脆,可听啪、啪""嘎、嘎"的声响,强烈岩爆段所发出的声响较为沉闷,像"澎、澎"的声音并夹有"啪、啪"的声响.

(4)岩爆破坏形式为劈裂破坏与剪切破坏两种,破坏程度上总体属爆裂脱落型,即一级岩爆,仅为数不长的地段出现了弹射现象,属二级岩爆,并有随时间延续向深部发展的特征。隧道周边均有岩爆活

动,但拱部和两侧边墙部位相对居多,其次为拱肩部位,这与岩体应力状况有关。

(5)岩爆爆坑大多数呈"锅底"形,坑边沿多为阶梯形。强烈岩爆段爆坑多为"V"形。破裂面以新鲜破裂为主,少数沿原有裂隙面。爆落岩块多呈不规则的棱块状,也有呈中厚边薄的椭圆状。

(6)断裂带两侧或软弱结构面附近往往形成局部应力集中区,故两侧硬岩中岩爆现象较为明显,而断层带部位一般不发生岩爆。在不同岩性软硬相间的岩层中,硬质岩易发生岩爆。

(7)岩爆区段一般较为干燥,有地下水出露的地方无岩爆产生。

(8)开挖洞室(正洞、平导)大小及相邻洞室(正洞与平导相距42.5m、平导滞后主洞)施工对岩爆的产生似无明显影响。

(9)岩爆的剧烈程度与洞室埋深基本对应,但也有非对应的,相对严重地段距洞口距离为1700m、1960m(东口)、1290m(西口),相对应埋深为710m、775m(最大埋深)、425m。

(10)较严重岩爆段在第一次开挖喷锚支护稳定后经过两年后处理大规模欠挖(测量误差造成)时仍有岩爆发生(爆破后岩石完整但不久就有裂缝形成、掉块),但其强度已大为减弱。在设计阶段曾预测软质岩类及断层破碎带在高地应力作用下可能发生大变形现象,但在施工中这些段落并未发生大变形现象,分析其原因一是地应力水平较勘测阶段降低,二是断层破碎带处岩层胶结紧密,强度较高,软质岩类象泥岩和砂质泥岩由于时代古老,成岩变质程度较高,岩石的物理

力学性质远非一般泥质岩类可比。

2. 二郎山隧道岩爆治理措施

由于二郎山隧道实际最大地应力值在35.3MPa左右,比勘测阶段降低较多,故二郎山隧道岩爆现象并不是很严重(绝大多数为I 级岩爆),在施工中主要采取了以下工程措施。

(1)在岩爆开始段(I级)采用全断面开挖,随着岩爆程度的增强以及为了加快施工进度改全断面为大上半断面开挖(底平面基本与隧道圆心齐平),按"工序"要求及时进行喷、锚、网施工。

(2)爆破进尺约2m/循环,对于一级岩爆段其工序为爆破后送风、喷水、找顶后即组织出渣、喷锚作业,对于二级岩爆段爆破后不马上出渣先利用通风时间躲避待岩爆减弱后喷水、找顶、从安全地带喷混凝土至齐头、打设系统锚杆、再复喷,最后出渣,必要时采取先打设超前锚杆并向岩体中注高压水。对渣堆、洞壁、掌子面及时喷水与找顶对于一、二级岩爆是非常重要与有效的。在施工初期为了加快进度曾按 2.7~2.8m左右打爆破钻孔,但由于岩石坚硬爆破进尺仅为1.7~1.8m。增大进尺,既增大了装药量,也不利于应力的释放,且更易诱发岩爆,后减小了钻孔深度按照每循环2m左右进尺开挖,这表明在岩爆段开挖应采用"短进尺"。

(3)采用简易台架,人工多钻、多层次作业,机动灵活,"石变我变",有利于紧急情况人员撤离,减少损失,在两端隧道施工中都发生过将台架砸垮的情况,但均无人员伤亡。针对此工点承包商(铁道部隧道局三处)以IV类围岩为例测算认为采用简易台架人工打钻比采用

三臂凿岩台车开挖节省,每延米钻孔要少31.7%的费用,当然它的进尺要比台车每月少28.5m左右。

(4)在施工中及时调整钻爆设计,提高光爆效果,改善洞壁应力条件,减少装药量,降低爆破动应力场的叠加,降低岩爆频率与强度。

(5)采用喷混凝土、挂网、径向锚杆防护,严重地段架设格栅拱架。

锚杆布置采用"短锚密布",长两米左右,间距0.5~1m,这样容易挂网,可防止大块岩石坠落。在西洞口为加快开挖进度采用了在径向锚杆端头间紧贴岩面加焊粗钢筋(Ф22),并辅以细钢筋(Ф10)相互纵横交错成网状,来抵制岩石的爆落,即以粗钢筋为骨架紧贴岩面同锚杆焊接再加密细钢筋形成"整体网",东洞口采用长钢筋在同一循环相互之间与锚杆纵横连接的整体网,由于本循环的钢筋网是连成一体的,不会因局部掉落而跌落,与锚杆连接好,即喷锚网施工形成了整体组合作用,效果还不错。

(6)通过观察(一听响声,二看位置,三看方向)找出岩爆发生的前兆,逐步积累经验,开展岩爆预报,减少岩爆产生的危害。如在施工中根据有无地下水、地应力方向(岩爆多发生在主应力方向上)、岩体稳定性、岩石软硬、岩性及地质构造进行初判,通过对岩石裂缝的发展、岩体内的声音、暴露时间的长短判别是否会落石伤人。对严重地段通过对壁面的敲击,若发现"空、空"的声音,则要及时采取加强措施,若响声不对如岩层内发出沉闷的声响时施工人员及设备要及时撤

离

(7)由于岩爆的发生有一定的滞后期或随着时间的延续而发生的岩层剥离,因此把"找顶"作为经常性的工作来做。

(8)原设计在严重岩爆地段均加设了仰拱,实际上除局部岩爆严重且造成大片超挖地段加设了仰拱外,其余均取消了原设计中的仰拱。

在施工中由于抢进度,出现了喷混凝土厚度仅2~3cm,钢筋网未认真铺挂,系统锚杆打设方向没针对性、浆液不饱满、端头未加垫板,格栅支撑架立后不及时喷混凝土,光爆效果差等现象,因此造成了岩爆防治效果不好。有些段落往往先是小石块(片)爆落,随着应力的进一步释放,由于支护不及时,而后是大石块掉落,出现严重超挖;有的地段出现了滞后性岩爆。但只要喷层厚度够、锚杆、挂网质量好,一般情况下不会再出现岩爆,二次衬砌施工后则不会再有岩爆发生。在岩爆发生初期,在西洞口曾经试喷了钢纤维混凝土,但由于施工经验不足,经常堵管而未能得以推广应用。

二郎山隧道在刚进入高地应力区段时曾发生了伤人事故,后在掌握一定规律后基本上没有人员受伤,而且高应力区段的隧道掘进速度除在特别坚硬的石英砂岩段较慢外其余地段与非高地应力段相差不大。

3. 结语

二郎山隧道在设计、施工、科研、监理及业主等各参建单位的大力配合与紧密合作下顺利通过了高地应力区段,取得了一些经验,