岩爆隧道

第五章岩爆隧道

岩爆隧道是指施工过程中有岩爆现象发生的隧道。在高应力坚硬的岩体内开挖坑道时，常常会有岩片从开挖壁面突然弹射出来，把这种现象称为岩爆。岩爆会破坏已建成的隧道结构和机械设备，直接威胁施工人员的生命安全。岩爆现象在矿山出现较早。例如加拿大的一些深埋硬岩矿山经常发生岩爆，对矿山的安全与生产构成很大威胁，因此，加拿大Laurentian 大学的岩石力学研究中心对岩爆巷道的支护设计进行了为期五年的专题研究[1]。根据岩爆产生的机理，试验出了有效设防措施，并编制了加拿大岩爆支护手册。20世纪50年代美国纽约的引水隧洞施工时曾发生岩片弹射现象。60年代挪威赫古拉公路隧道和瑞典的维斯塔引水隧洞也曾发生过岩爆；成昆铁路线上的关村坝隧道是我国隧道建设中发生岩爆较早的隧道；之后，在二郎山隧道、穿越秦岭的数座隧道施工中也都不同程度的发生过岩爆。岩爆对隧道工程的最大威胁源于岩爆的突发性。目前，关于隧道岩爆的形成机理还在研究之中，对隧道岩爆的认识有待进一步深化。本章通过分析几座隧道的岩爆现象，归纳隧道岩爆的特点，探讨隧道岩爆机理、讨论岩爆隧道设计理论和施工方法，最后介绍岩爆隧道工程实例——二郎山隧道，借以说明隧道岩爆的具体工程防范措施。

第一节隧道岩爆特点与形成机理

岩爆是岩体受到开挖影响和扰动后发生猛烈破坏的一种工程现象，是岩体本身力学性质（内在因素）和外界影响因素（诱发因素）某种组合的结果。为了研究影响岩爆发生的各种因素，首先需要了解在国内外岩爆隧道内观察到的现象。

一、隧道岩爆现象

就空间形态和施工过程而言，水工隧洞与交通隧道几近相同。20世纪60年代掘进的挪威赫古拉公路隧道和瑞典的维斯塔引水隧洞是发生隧道岩爆的典型代表，在两工程中，岩爆以小块岩石弹射为主，大多数弹射岩块很小；岩爆发生时测得的隧道周边切向应力远小于岩石单轴抗压强度，开始弹射时的周边应力为岩石单轴抗压强度的37%；发生岩爆的隧洞轴线与测量的原岩最大主应力方向垂直或成大角度相交；岩爆发生部位相对于隧洞中心轴对称；岩爆前可听到脆性岩石的破裂声，最强烈岩爆发出的声音如200kg隧洞掘进爆破。

国内的川藏公路二郎山隧道在施工中出现了较为严重的岩爆现象[2，3]。为了掌握岩爆与地应力规律，用钻孔应力解除法和岩石声发射（AE）Kaiser效应对地应力进行了现场测试，最大主应力为353MPa。二郎山隧道的岩爆特点是：（1）发生岩爆的围岩属Ⅳ、Ⅴ类围岩；（2）岩爆多发生在掌子面及距其1～3倍洞径范围内；（3）岩爆既发生在围岩表面，也发生在围岩内部；（4）岩爆形式有劈裂和剪切两种；（5）岩爆爆坑多呈锅底形，坑边沿多为阶梯形；（6）断层带两侧的硬岩中容易发生岩爆；（7）干燥无水区段容易发生岩爆；（8）相邻洞室的开挖对主洞岩爆似无影响等。

西康铁路秦岭隧道在施工中也出现了严重的岩爆现象[4，5]。秦岭隧道Ⅱ号线的岩爆特点有：（1）受构造应力影响，岩爆先发生在右侧壁，然后到拱肩、拱顶，最后发展到左侧壁；（2）岩爆多发生在断层带两侧完整的上下两盘；（3）岩爆主要发生在质地坚硬、强度较高、干燥无水的混合片麻岩中；（4）发生在距掌子面9～100米范围内的岩爆较为频繁剧烈；（5）强烈岩爆的爆坑多呈A字形，一般岩爆的爆坑多呈锅底形等。

综合大量资料，可以发现隧道岩爆的发生有如下规律：

（1）岩爆岩石一般是岩浆岩或变质岩，沉积类岩石较少发生岩爆。含有硅质（特别是石英）或其他坚硬矿物的岩石发生岩爆较多。岩浆岩和变质岩的强度和弹性模量一般比沉积岩高，它们的岩爆倾向性也普遍比沉积岩高，具有岩爆倾向性是岩石发生岩爆的首要内在条件。

（2）含水率高的岩石较少发生岩爆。饱和状态岩石强度低于干燥岩石强度（包括抗压和抗剪强度），含水率高岩体在次生应力作用下，应变能还未来得及积聚就已经发生了破坏，因此含水率高岩石不易发生岩爆。

（3）岩爆发生在高原岩应力条件下的脆性岩石中。在高原岩应力条件下，构造和开挖次生应力叠加容易超过脆性岩体强度而产生岩爆。

（4）在同一岩爆隧道，岩爆发生的频率和强度均随隧道埋深的增加而提高。对于多数受岩爆危害的隧道，岩爆发生的频率随开挖深度的加大而升高．

（5）高强度岩爆一般发生在背斜轴部以及断层和弹性模量有突然变化的地质夹层（坚硬岩墙或软弱岩层）附近。背斜轴部一般是高应力区，若开挖作业处在背斜轴部则容易发生岩爆。在断层和岩体弹性模量突变的夹层附近施工时，开挖次生应力将导致断层或刚度突变面剪切应力加大，发生剪切或断层滑移型岩爆。

（6）岩爆发生前，掌子面推进时常会出现岩粉颗粒变大和岩粉量增多、岩石表面有玻璃光泽、钻孔时发生非塌孔原因的卡钻等现象。岩爆前出现的岩粉变粗、岩粉量增多、卡钻和玻璃表面等现象都是开挖次生应力增大和导致岩体发生微型破坏的结果，是开挖次生高应力状态的表现。

（7）隧道岩爆最常发生的时段是爆破后2～4h；爆破震动产生的瞬间动应力与岩爆处岩石本来承受的较高应力叠加，超过了岩体强度导致岩体瞬间破坏，因此开挖爆破是岩爆的直接诱因之一；

（8）与自然地震的余震类似，在强烈岩爆后短时期内一般还会发生一到几次强度较小的岩爆。

二、隧道岩爆特点

隧道岩爆的特点可以从发生无明显征兆、围岩类型、空间位置、时间区段、含水状态和形式规模等方面考察，可概括如下：

（1）岩爆具有突发性。在岩爆未发生前，并无明显的征兆。在通常认为不会掉落石块的地方，突然发生爆裂声响，石块有时应声落下，有时并不落下。

（2）岩爆只发生在高应力脆性围岩中。坚硬的脆性围岩和高地应力（与围岩强度相当的地应力）是岩爆发生的必要条件、基本条件。

（3）岩爆主要发生在隧道侧壁切（环）向应力较大部位。岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别也有距新开挖工作面比较远，常见岩爆部位侧壁与拱腰。这是隧道岩爆的空间特点。

（3）岩爆主要发生在围岩应力的剧烈调整期。岩爆在开挖后陆续出现，多在爆破后的2～4小时，24小时内最为明显，延续时间一般1～2个月。这是隧道岩爆的时间特点。

（4）岩爆围岩通常完整极少含水。地层含水意味着围岩内有裂隙，裂隙便为应力释放提供了空间，所以，含水量高的围岩极少发生岩爆，反之发生岩爆的围岩则极少含水。

（5）岩爆坑多呈“锅底形”。岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米，大者可多达几十吨。工程中危害最大的是弹射而出的石块。这些弹出的石块多为中间厚，周边薄，不规则的岩片。岩片脱落后在隧道壁面上通常会留下“锅底形”痕迹。

三、隧道岩爆机理

岩爆机理的研究旨在揭示其发生的内在规律，确定岩爆发生的原因、条件和危害。20世纪80年代以前，人们在进行岩爆机理研究中，借鉴传统力学有关材料强度的概念提出了