高速铁路长大深埋隧道高应力岩爆地段预测及施工技术研究

高速铁路长大深埋隧道高应力岩爆地段预测及施工技术研究中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司辽宁省沈阳市 312452

内容提要：近几年我国高速铁路迅猛发展，在建和拟建铁路中隧道占比较大，尤其长大隧道

数量较多。在长大深埋隧道施工中岩爆问题一直是施工的重点和难点，也是隧道施工主要的

工程地质问题，岩爆的预测和施工技术研究对于隧道的设计和施工有重要的意义。为有效预

测隧道岩爆地段，本文通过对林盘山隧道岩爆出现的原因和特点进行分析、总结，从工艺原理、工艺特点和操作要点等方面介绍、归纳，可有效预测岩爆和降低岩爆对施工造成的影响。对类似施工具有借鉴意义。

关键词：高速铁路长大深埋隧道高应力岩爆预测

1．项目概况

1.1 项目简介

杭绍台铁路2标林盘山隧道位于浙江省嵊州市剡湖街道、仙岩镇及三界镇境内，为单洞双线

隧道，全长8612.25m，最大埋深约444m；隧道围岩已凝灰岩为主，其中Ⅱ级围岩5695m，

Ⅲ级～Ⅴ级围岩2917.25m，Ⅱ级围岩占隧道全长的66.2%。隧道围岩质地坚硬，结构致密，

不利于围岩应力的释放；其中有约3000m围岩地段为高应力区，在开挖过程中可能发生岩爆，产生岩块弹射、洞壁岩体有剥离和掉块等现象。

1.2地层地质特征

依据工程地质调绘及地质钻探，工点区地层岩性主要为：第四系全新统残坡积粉质黏土和碎

石土，上第三系上新统气孔状玄武岩、硅藻土、含硅藻土玄武岩和玄武岩，侏罗系上统凝灰岩，前中生界片麻岩。

1.3隧道围岩分级

表1-3 隧道围岩分级统计表

2.岩爆的概念

岩爆作为深埋长大隧道的重大工程地质问题之一，多是由于围岩开挖卸荷发生脆性破坏导致

储存于岩体中的弹性应变能力突然释放，使围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射等破坏现象，它

直接威胁施工人员、设备安全，影响工程进度，已成为隧道等地下工程急需解决的重要问题。

3.岩爆产生的原因

3.1地质结构

山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能。地层结构是一个封闭的系统。地层形成时

会存在应力的重复积聚和释放。带地层最终稳定时，部分应力因释放不完全二封闭在岩体结

构中。在开挖施工时，因地质应力重新分布，使得暴露在外的岩体结构内部中封存应力得以

释放，具体表现在施工中的岩爆，使得地质表层岩石脱落，弹射，伴有声音响动；

3.2埋深程度

具有足够的上覆岩体厚度，一般均远离沟谷切割卸荷裂隙带多于200m ；

3.3地下水情况

无地下水，岩体干燥；

3.4实际施工原因

开挖断面形状不规则，光爆效果差，造成局部应力集中。

4．岩爆的现场预测

4.1地形地貌分析法及地质分析法

认真查看其地形地貌，对该区的地形情况有一个总体的认识，在高山峡谷地区，谷地为应力

高度集中区，另外根据地质报告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应

力偏大的地段。

依据地质理论，在地壳运动的活动区有较高的地应力，在地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作

用很强的地区，自重应力也较大。

4.2 AE法（声发射法）

AE法主要利用岩石临近破坏前有声发射现象这一结果，通过声波探测器对岩石内部的情况进

行检测，该方法的基本参量是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部

的破裂程度和应力增长速度。这种预报方法是最直接的，也是最有效的。

4.3钻屑法（岩芯饼化法）

这种方法是通过对岩石进行钻孔，可在进行超前预报钻孔的同时，对钻出的岩屑和取出的岩

芯进行分析；对强度较低的岩石，根据钻出岩屑体积大小与理论钻孔体积大小的比值来判断

岩爆趋势。在钻孔过程中有时还可以获得如爆裂声、摩擦声和卡钻现象等辅助信息来判断岩

爆发生的可能性。

4.4地温法

采用红外线测温仪，若地温接近正常埋深地温，说明地下水渗流弱，围岩干燥无水，则产生

岩爆的可能性较大。

5.隧道岩爆地段施工技术要点

5.1前期地质调查

隧道施工前，项目总工带队进行现场地质情况核查，整理地质资料，对隧道的地形、地貌、

围岩的发育情况等特征准确把握，组织设计岩爆风险管理体系，优化和完善爆破设计，保证

岩爆地段施工的安全性。

5.2施工过程中的防爆措施

5.2.1优化爆破设计

结合围岩实际情况，编制并优化爆破施工组织设计方案，减少周边眼间距，控制炮眼间距不

超过45cm，通过小药卷开展不耦合装药，合理把控同一施工段的起爆药量，提升爆破适量，整个爆破过程中把控围岩不出现过分扰动情况，及时组织爆破人员开展相关的技术培训，防

止岩体应力过多积聚。

5.2.2 围岩及时洒水养护

对于掌子面、边墙及拱顶施工成型后，需及时开展洒水养护处理，防止构件表面灰尘，减弱

构件脆性，提升构件康应力变形能力，避免岩爆的发生。

喷洒高压水加强光爆效果

5.2.3 超前应力的释放

对于轻微和中等岩爆采用喷射混凝土加系统锚杆联合加固。锚杆梅花型布置，长度2.5～

3.0m，间距0.8～1.2m。锚杆施工工艺为：首先根据设计要求及围岩情况准确定出孔位，采

用多臂钻进行钻孔施工，孔深误差不大于±5cm。注浆砂浆配合比一般为1∶1～1∶1.5（重量比），水灰比为0.45。注浆前先检查孔位、孔深是否符合要求，用高压风将孔内积水及岩碴

吹净，并将注浆管插入至距孔底5～10cm处，随砂浆的注入缓慢匀速拔出注浆管后，将锚杆

插入孔内，在孔口加设定位木楔，用大锤打紧，使锚杆固定。然后安装锚垫板，使垫板紧贴

岩面。

对于烈度较高的岩爆可采用超前应力释放孔的方式处理。由掌子面向前沿拱部的四周开始布

设超前斜孔，以孔底爆破的方式促使岩体生成人工破碎带。

对于强岩爆地段，为加速围岩软化时间，在钻孔内直接注水，合理把控围岩应力，以及采取

相关措施有效控制岩爆的危险度。

对于林盘山隧道DK161+665～DK163+485和DK166+225～DK166+295 段范围内Ⅱ、Ⅲ级围岩，采用如下工程措施对策：

（1）改善围岩应力：主要是降低围岩应力使围岩应力小于围岩强度，避免岩爆的发生。在

施工中主要采取如下措施：在洞身开挖爆破时，采用“短进尺、多循环”，采用光面爆破技术,

尽量减少对围岩的扰动，改善围岩应力状态。选择合适的开挖断面形式，也可改善围岩应力

状态。

应力解除法：通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使动壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时可在

掌子面上打设5～6个超前钻孔，深15～20m左右，既可以起到超前钻探地质的作用，又可

以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布置形式及参数与地质预测预报孔相同。

（2）改善围岩性质：在施工过程中，可采取对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来促进

围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度。但这种方法在隧道施工中一般对隧道围岩的稳定有一

定的影响。