铁路高原岩爆隧道施工技术研究

铁路高原岩爆隧道施工技术研究

苏建国,常文

甘肃铁科建设工程咨询有限公司，甘肃省兰州市  730000

摘要：岩爆是隧道施工过程中非常棘手的问题，一方面，岩爆往往发生时并没有明显的预兆，导致在灾害防御过程中无法进行提前预测，给防护工作带来较大困难；另一方面，岩爆在发生过程中往往会使周围的岩体造成严重的破坏，不仅给工程施工带来麻烦，还会造成人员的伤亡。基于此，文章主要分析了铁路高原岩爆隧道施工技术的要点。

关键词：铁路；高原；岩爆；隧道；施工技术

1工程概况

某高原铁路隧道的地质条件非常复杂，地震活动频繁，地区应力高，地质作用强烈，因此岩爆成为了该隧道施工中的重要技术难题。据推测，该隧道存在岩爆长度为825m，占比11.3%，以轻微、中等岩爆为主，部分段落为强烈岩爆。其中，在最大埋深处，最大水平主应力量值可达91MPa，岩爆风险最高。因此，高地应力引发的岩爆成为本隧道施工中的重要工程技术难题。

2基于高原及岩爆特征所采取的综合防治措施

2.1采取机械配套施工

针对高原缺氧，人工效率降低，安全风险高等特点，本隧道实行机械配套化生产线施工作业。由全电脑三臂凿岩台车钻孔、履带式扒渣机扒渣、大运量北方奔驰自卸车出渣、普次迈期湿喷机械手喷砼、高效轮式液压锚杆钻孔机等配套设备组成生产线。隧道施工机械的配套化不仅能够提高效率，加快进度，且减少了作业人员和劳动强度，即最大限度地减少了作业人员及工作时长，加快了岩爆整治措施的施做，有效确保了人生安全及施工进度。

2.2预警先行

2.2.1超前地质预报

采用地质雷达根据电磁波的反射情况，预测掌子面前方50m范围内的水文地质及围岩构造情况。TSP法根据反射的地震波，预测掘进掌子面前方300m范围内的水文地质及围岩构造情况。并结合地质情况，分析围岩的完整性、地下水发育情况及开挖面岩体构造，工程师基于经验对掌子面前方各里程发生岩爆的可能性及强度进行预测。

2.2.2岩爆微震监测

以往的岩爆经验表明，岩爆出现前通常伴随着较为频繁的微震现象，可利用上述规律预测岩爆，若某区域有微震在短时间内不断出现，则表明此处大概率会出现岩爆，安全风险高。本项目通过微震监测发现岩爆与微震在时间、空间及强度分布上存在明显存在关联性，且微震现象具有超前特性。微震一般情况下能提前1～3d预测岩爆，使我们能够有足够时间采取相关防护措施，消除或控制岩爆破坏程度，避免造成人员伤亡、机械损坏。

2.3围岩加固措施

2.3.1围岩加固措施

①岩爆区域喷砼改普通砼为高性能钢纤维砼（C30），钢纤维的掺入使砼具有较佳的柔性和强大的承拉能力。确保可在更大变形及荷载作用下砼表面不会开裂。将因岩爆而松动的石块清理干净后，喷射钢纤维砼填补岩爆坑，达到减弱岩爆的烈度，以保护人员及设备，防止锚杆之间的岩块碎片爆出，并将未能清理的松动块石粘结，避免落下伤人。施工实践表明，在喷砼厚度足够时，能够有效避免岩块继续剥落。②设置涨壳式预应力中空注浆锚杆。涨壳式预应力中空注浆锚杆前端装有涨壳结构，通过涨壳涨开而卡紧在洞壁上。并可通过垫板施加预应力形成锚杆对围岩的预加压力而增强围岩的抗破坏性能，并可将高压水泥浆从锚杆中空中注入孔洞及周边的围岩中，使岩体抗破坏性能得到进一步的加强[3]。锚杆插入，施加预应力使涨壳涨开，锚杆即可受力，在第一时间起到稳固围岩的效果，后期适时再注浆，不耽误施工进度。本隧道使用的φ32mm涨壳式预应力中空注浆锚杆，根据具体情况，布置长度6.0～9.0m。岩爆部位系统布置间距为0.5～1.0m。③设置消能防护网，支撑钢架。采用消能防护网或支撑钢架配合锚喷支护，以加固围岩。消能防护网采用成品的布鲁克网，支撑钢架采用格栅钢架。在岩爆强烈且频繁部位，在塌坑处挂设布鲁克消能网，或加支撑钢架，布鲁克与锚杆端头焊接。随后喷射钢纤维砼，形成保护壳体的同时，使地应力重分布，减轻岩爆的烈度。布鲁克具有强度高、重量轻、挂设迅速等优点。

2.3.2分级采取围岩加固措施

轻微岩爆段落喷射C30高性能钢纤维砼，打设低预应力涨壳式中空注浆锚杆。中等岩爆段落喷射C30高性能钢纤维砼，打设低预应力涨壳式中空注浆锚杆，设置消能防护网，必要时增设钢架。强烈岩爆段落喷射C30高性能钢纤维砼，打设低预应力涨壳式中空注浆锚杆，设置消能防护网，安设钢架。

2.4应力调整、解除法

2.4.1喷洒高压水降低围岩应力

爆破后，立即将高压水喷洒向掌子面及附近隧洞壁面，洞壁喷洒长度离掌子面超100m以上，按间隔时间为5～10min洒水3次。安装锚杆后，利用中空锚杆向围岩深处压注水，软化岩体，降低脆性，能有效减弱岩爆的发生及烈度。

2.4.2超前应力解除

超前应力解除法有两种方式：①钻设超前孔释放应力；②钻设超前孔应力释放孔，且在孔内实施松动爆破，形成低弹性层。两种方式的做法如下：1）钻设超前孔释放应力。该法的目的是使围岩高应力得以解除或是降低，应力释放超前孔除了释放地应力外，还具有超前地质预报、注水孔、松动爆破孔等多种作用。超前应力释放孔的布置方式、孔径根据岩爆强度及地质情况进行选择。本隧道中级岩爆的应力释放孔沿隧道外缘环向布置，孔间距1.5m，深3～5m，孔径φ50mm。强烈岩爆孔距为1.2m，其余参数不变。2）设置低弹性破碎带。钻设超前孔应力释放孔，且在孔内实施松动爆破。在围岩内部爆破后形成破坏带（低弹性层），转移岩体高地应力往深处。从掌子面开始，向掘进的前方钻设超前孔，与洞壁保持一定距离H，实施炸药爆破制造厚度为δ的松动圈，降低岩体的切向应力。因是坚硬岩体中的内部爆破，除了钻设爆破孔外，还需钻设容积补偿孔（非装药孔）才能形成松动圈。松动圈的厚度通过装药量来控制，具体参数试验确定。该法通常用于中等及以上岩爆，实际施工效果表明该法能够极为改善岩爆强度，甚至消除岩爆。

2.5膨胀锚杆防护掌子面

由于工期紧，不能因为处理岩爆而延误掘进，掌子面需在尽短的时间内完成下一掘进循环的准备工作。采用膨胀锚杆对掌子面岩爆实施控制。在隧道掘进每循环为1.5m时，在掌子面上均匀布设24根4.5m长的膨胀锚杆，即每循环掘进后1.5m锚杆被截断，但仍有3.0m锚杆存留在掌子面岩体内，还能有效加固岩体，约束岩爆。实践表明膨胀锚杆是一种迅速承力、科学有效的岩爆控制技术。

3结语

隧道发生岩爆的突发性及强动能给隧道施工带来了严重威胁，虽然本项目在高原岩爆隧道施工中采取的系列综合措施行之有效，确保了隧道岩爆段安全及顺利的掘进。但岩爆还具有隐蔽性、复杂性和突发性等特征，现有岩爆预测技术、整治措施尚未完善，需各位工程建设者作一步的技术研究及经验的总结、积累，真正获得科学、完善的岩爆灾害治理措施。

参考文献

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