峨汉高速公路大峡谷隧道岩爆处治技术*

向 龙，林国进，唐 协，王 俊，李华明，方 勇

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041； 2.四川乐汉高速公路有限责任公司，四川 峨眉山 614200； 3.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 引言

岩爆指在高地应力条件下，地下工程开挖过程中形成临空面，硬脆性围岩卸荷，储存于岩体中的能量突然释放，周边围岩应力分布发生突变，使隧道周边切向应力或掌子面压应力达到临界状态，在高能量(高应力)下围岩岩体破坏失稳，转换为冲击动能而产生的爆裂声响、爆裂松脱、剥离弹射甚至抛出的地质灾害。目前国内研究主要将岩爆分为轻微岩爆、中等岩爆、强岩爆及剧烈强岩爆。岩爆判别方法主要将地应力、岩石强度及岩体脆性作为主要判别指标，将岩体完整性、干燥程度、地温等作为次要判别指标，包括Hoek方法、Russense方法、Turchaninov方法、Kidvbinski方法、侯发亮方法、陶振宇方法等。可在勘察阶段通过隧道围岩埋深、岩石强度、地应力、地热等地质及力学信息，综合判定隧道是否存在岩爆风险，并对岩爆进行等级划分；也可基于现场实测结果对岩爆进行预测，方法包括微震监测法、回弹法、声波发射法、电磁波辐射法及微重力法等。另外，基于岩爆影响因素的岩爆综合预测方法具有发展前景，其中，基于岩爆指标判据的预测方法主要包括物元可拓法、模糊综合评判法等，基于岩爆工程实例数据的预测方法包括支持向量机法、决策树法、贝叶斯判别法等。

岩爆处治方式主要包括：①通过改善围岩条件解除部分围岩应力或截断应力传递路径；②采取合理的施工方法及工序，减少对围岩的扰动，降低围岩应力的释放，降低岩爆发生概率；③选择合理的主动及被动防护方式，对围岩施加支护反力，形成三维受力状态，在不影响工期的情况下合理选择岩爆处治措施。

本文首先总结国内典型隧道岩爆处治方法，然后依托峨汉高速公路大峡谷隧道，结合隧道岩爆特点，提出岩爆处治措施，以期为类似工程提供参考。

1 典型隧道岩爆处治方法

国内外隧道工程界学者对岩爆处治方法进行了积极探索，本文对国内典型隧道岩爆处治方法进行总结，如表1所示。

表1 国内典型隧道岩爆处治方法

1.1 合理开挖

弱～中岩爆隧道开挖进尺一般控制在2～3m，尽可能全断面开挖，以减少围岩应力平衡状态破坏次数。中～强岩爆隧道开挖进尺一般控制在1.5～2m，必要时可采用上下台阶法或中导洞方式开挖(超前导洞长30～50m，直径一般≤5m，宜根据地应力等综合确定)，减少临空面，增加围岩周边约束，避免应力一次释放。TBM施工发生岩爆的概率更大，且岩爆更强烈，这可能是因为TBM施工速度快，振动扰动小，周边集中应力得不到释放，可知爆破振动对岩爆应力集中具有一定扰动和释放作用，对周边围岩具有一定破裂作用。

1.2 超前支护

在岩爆处治过程中，超前支护具有一定释放掌子面围岩压力的作用，同时可保护拱顶围岩，避免发生掉块现象。对于弱～中岩爆，建议采用φ22mm锚杆，可不注浆。对于中～强岩爆，可采用φ42mm小导管，管中填充水泥砂浆，增加刚度，根据情况可不注浆。

1.3 应力释放

隧道开挖后岩爆发生在岩石暴露面，岩爆按发生位置主要分为环向周边围岩岩爆和掌子面部位岩爆，环向周边围岩岩爆主要通过周边切向应力与岩石强度控制，掌子面部位岩爆主要通过压应力控制。

1)掌子面应力释放孔

对于以压应力为主、掌子面发生岩爆较多的地段，应结合岩爆规律及地应力测试结果在掌子面上有针对性地施作应力释放孔。对于弱～中岩爆发生区段，钻爆施工时可在拱角、边墙及顶部加深钻周边眼炮眼孔。掌子面施作超前应力释放孔，其数量根据岩爆情况确定，进行中深孔卸压爆破，以达到释放围岩应力、降低冲击地压频率的目的。对于中～强岩爆发生区段，可在掌子面钻掘进炮孔，并加钻较掘进炮孔深10m左右、仅在末端装炸药的应力解除(释放)孔及直径>110mm、不装炸药的容积补偿孔(应力释放孔)，利用爆破解除应力，提前释放部分可能导致强岩爆的能量，然后向眼孔内喷灌高压水，对围岩进行软化，从而提前加快围岩的应力释放。

2)周边应力释放孔

当岩爆主要发生在周边围岩时，需对隧道最大切向应力位置进行分析，结合现场岩爆发生位置，在隧道周边拱腰等位置处钻应力释放孔，如初期支护施工完成后施作周边应力释放孔，每循环沿隧道环向布置1排卸压孔，纵向间距为1m，环向间距为2m，呈倒三角形布置，进行中深孔卸压爆破，降低冲击地压频率，保障结构及施工安全。应结合隧道自身应力条件及岩爆特点确定应力释放孔布置方案。

3)松动爆破

对于强岩爆及剧烈岩爆发生区段，应采用周边松动爆破方式，截断应力路径。应根据地层岩性、微震监测数据、地应力测试结果及现场岩爆规律等采取有针对性的强岩爆处治措施。当隧道周边切向应力与掌子面压应力过大时，会造成较强岩爆。如果隧道周边切向应力过大，主要发生洞周围岩岩爆。如果掌子面压应力过大，主要发生掌子面部位岩爆。深层围岩松动爆破可有效截断围岩压力路径，对强岩爆或剧烈岩爆具有明显的抑制作用。

1.4 强化支护参数

提高围岩自承能力，开挖后需及时施作锚喷支护，尽早形成围岩承载环，提高环向和切向承载力，主要以柔性钢纤维混凝土及钢架支护为主。采用喷浆法进行处治，喷浆厚度一般为5～10cm。采用强度等级较高的混凝土，将隧道表层破裂岩体联固。对于隧道内速爆型岩爆发生区段，主要采用喷射混凝土或钢纤维混凝土与布设系统锚杆的方式进行处治，系统锚杆长2m，间距1～2m，呈梅花形布置，锚杆需穿过围岩损伤破裂区。喷射混凝土或钢纤维混凝土时，一般喷射3次，喷射厚度为15～20cm。

1)喷射混凝土 喷射混凝土主要以纤维混凝土为主，锦屏隧道采用CF30双掺无机纳米材料+钢纤维混凝土，取得了较好的效果。部分岩爆隧道中按3次喷射混凝土，其中初次喷射尤为重要，可减少岩体应力集中，并使结合面上产生抗力，填充围岩裂隙，使围岩胶结为整体。

2)锚杆 锚杆有效长度、抗岩爆冲击能力等应满足要求。锚杆需穿过围岩损伤破裂区，能够有效限制围岩破裂裂隙扩展，以加固岩体，提高岩体和结构面的抗剪强度，改善结构面附近的应力分布，具有一定抗剪能力。锚杆施作应具备及时性，能够及时、迅速发挥作用，保证施工进度和安全，水胀式锚杆与胀壳式预应力中空注浆锚杆较常用。

3)钢架 钢架在岩爆处治中具有较明显的作用，钢架及钢筋网片可有效降低岩爆落石风险，喷射混凝土与钢架可有效提供反力，形成三维受力状态，对岩爆具有一定抑制作用。

4)二次衬砌 岩爆常导致初期支护出现剥落现象，对后期施工安全造成一定影响，需尽快施作二次衬砌，可采用跳仓方式施工。

5)主动柔性网 主动柔性网结合喷射混凝土的方式在米仓山隧道岩爆处治中取得了显著效果，主动柔性网可采用大网格+小网格的形式，对岩爆弹射、掉块伤人具有较好的防护作用，具有一定推广应用价值。

2 工程概况

峨眉山至汉源高速公路(峨汉高速公路)东接国家高速公路网成渝地区环线的乐雅高速公路、乐峨连接线高速公路和成乐高速公路，西接京昆高速公路。从国家高速公路网层面来看，本工程连接了2条国家高速公路，是重要的备用通道；从四川省高速公路网层面来看，本工程属于《四川省高速公路网规划(2008—2030年)》东西向布局的“第4横线”汉源至自贡高速公路的组成部分，项目建成后将直接与成乐高速公路、乐雅高速公路、乐峨高速公路、乐自高速公路、乐宜高速公路等交叉相连，使区域高速公路衔接成网。本工程路线全长123.468km，主线采用4车道高速公路技术标准建设，设计速度80km/h，全线共布置23座隧道，共长73 908.5m。其中大峡谷隧道长12.1km，为峨汉高速公路控制性工程，隧道最大埋深为1 944m，为目前国内埋深最大的高速公路隧道，其中10km深度范围为近似水平白云岩层，呈薄层至厚层状。大峡谷隧道开挖过程中频繁发生的岩爆对施工进度和安全造成了影响。

大峡谷隧道近似与区域F15尔古滩断层走向平行，位于尔古滩断层下盘，为冲断层。隧道进口段穿越F12断层，出口段通风井穿越F15断层，出口外分布有F14断层。隧道进口段主要以板岩、碳质板岩及流纹岩为主，长度约2.1km，出口段主要以灯影组白云岩为主，长度约10km，白云岩形态以近似水平为主。

隧道洞身主要断层为：①F12金口河断层 北东向延伸，倾向南东，倾角70°～80°，为逆断层，长度>19km，上盘由前震旦系峨边群变质岩组成，下盘为震旦系地层。断层破碎带挤压严重，呈碎粒状，具碳化、片理化。F13为其支断层，断于震旦系灯影组内。②F15尔古滩断层 北西西走向，长度>10km，西侧越过马托—俄落断层，东侧过古尔滩后至金口河断层，断层面向南陡倾，北盘(下盘)为上震旦统灯影组和古生界地层，南盘(上盘)为上震旦统，为冲断层。

3 大峡谷隧道岩爆处治

3.1 地应力测试

3.1.1勘察阶段地应力测试

勘察阶段采用水压致裂法进行地应力测试，其中，XK3-3钻孔桩号为ZK75+572m，孔深466.5m，中风化板岩，通过该孔分别对136.6，159.8，297.5，325.1，334，370.2，418.8m深度处地应力进行测试，测试水位约108.000m。测得最大水平主应力为6.8～13.4MPa，最小主应力为3.9～9.6MPa，铅直应力为3.6～11.1MPa，沿最大水平主应力方向的侧压力系数为1.1～1.9，平均值为1.4，测孔深部应力场主要呈最大水平主应力>铅直应力>最小主应力特征，地应力场以水平应力为主导，最大水平主应力方向稳定在北北西向。单轴饱和抗压强度为58.63MPa，岩石强度应力比为4.68，地应力属高应力水平。

XK3-4钻孔桩号为K85+758m(右14m)，孔深590m，中风化白云岩，通过该孔分别对218.3，264.0，356.0，385.0，416.0，428.0，493.7，537.5m深度处地应力进行测试，测试水位约135.000m。测得最大水平主应力为6.9～16.4MPa，最小主应力为4.7～11.7MPa，铅直应力为6.1～15.0MPa，沿最大水平主应力方向的侧压力系数为0.9～1.2，平均值为1.1，地应力场以水平应力为主导，压裂隙方向获得的最大水平主应力方向稳定在北北西向。单轴饱和抗压强度为140MPa，岩石强度应力比为8.64，地应力属中等应力水平。

XK3-3，XK3-4钻孔最大测试深度分别为418.8，537.5m，远小于隧道最大埋深，根据埋深推测，大峡谷隧道围岩具有硬质、脆性的特点，当隧道围岩埋深<320m时，施工期不会发生岩爆；当隧道围岩埋深为320～485m时，可能发生弱岩爆；当隧道围岩埋深为485～886m时，可能发生中等岩爆；当隧道围岩埋深>886m时，可能发生强岩爆。

3.1.2施工阶段地应力测试

采用空心包体应力解除法，对大峡谷隧道施工阶段地应力进行多次测试，结果如表2所示。测试范围内隧道地应力属高～极高地应力，最大主应力方向均与隧道轴向大角度相交。

表2 大峡谷隧道施工阶段地应力测试结果

3.2 岩爆特点分析

施工过程中，大峡谷隧道进口段2km主要以板岩为主，岩爆在出口段相对集中，本文以出口段岩爆为例，对岩爆特点进行分析。

当隧道出口段左洞开挖4 005m、右洞开挖4 426m时，共发生221次岩爆，连续发生岩爆的洞段共14段，累计长度达2 125m，其中主洞部分长达1 511m，斜井部分长达614m。根据岩爆发生规律，可知大峡谷隧道岩爆多为弱～中岩爆，后续施工过程中可能发生局部强岩爆，岩爆主要特点如下。

1)隧道围岩埋深达320m左右时首次出现弱岩爆，主要发生在掌子面拱腰位置，主要导致围岩剥离掉块，块体弹射距离为2～10m，岩爆区段长，持续时间长(1～7h)。

2)隧道围岩主要为沉积水平岩层，在高地应力条件下，最大主应力方向与隧道轴向大角度相交，隧道拱顶掉块成为岩爆主要表现形式之一，施工风险高。地应力存在滞后现象，初期支护施工完成后多次出现拱顶掉块现象。

3)随着埋深的增加，隧道内温度不断升高，埋深达1 000m后温度最高为35.36℃，处于高地温环境，隧道围岩干燥。斜井贯通后，自然风降温作用明显。

4)出口段岩爆区域存在地下水，有水虽不是岩爆的必要条件，但有水时一般存在裂隙，裂隙可截断应力路径。

5)大峡谷隧道地应力高、岩石强度高、岩体脆性指标高，但隧道围岩主要为沉积水平岩层，岩层之间存在微小裂隙，虽加剧了隧道顶部剥离掉块情况，但可在一定程度上降低岩爆发生概率。

3.3 处治措施

结合大峡谷隧道高地应力、岩层条件、岩爆特点等，对岩爆进行处治。

3.3.1弱岩爆处治

1)开挖采用光面爆破，全断面开挖，进尺2～3m。

2)初次喷射4cm厚混凝土。采用I12.6加强支护，工字钢间距为1.2m。挂设φ6mm钢筋网片，孔距为25cm。

3)初期支护采用φ22mm药卷锚杆，长2.5m，间距1.2m。超前支护采用φ22mm药卷锚杆。

4)喷射4～6cm厚混凝土，进行掌子面封闭、反压。

3.3.2中等岩爆处治

1)开挖采用光面爆破，采用台阶法施工，进尺1.5～2.5m。

2)初次喷射4cm厚混凝土。采用I14加强支护，工字钢间距为1～1.2m。挂设φ8mm钢筋网片，孔距为20cm。

3)初期支护采用φ22mm药卷锚杆，长2.5m，间距1.2m。

4)超前支护采用φ22mm药卷锚杆或φ42mm小导管。

5)根据岩爆情况在钢架背后设置钢筋排或加密、加粗钢筋网片，避免水平岩层顶部剥离掉块。

6)喷射6～8cm厚混凝土，进行掌子面封闭、反压。

7)岩爆主要发生在掌子面，因此在掌子面上钻6～10个φ110mm应力释放孔，长10～20m。

支护参数需根据现场实际情况进行动态调整，超前支护可不注浆或滞后注浆，便于周边眼释放围岩压力，且可避免拱顶掉块伤人。

3.3.3强岩爆预处治

1)开挖采用光面爆破，采用台阶法施工，进尺0.8～1.6m，上下台阶尽量拉长。

2)超前支护采用φ42mm小导管，长4.5m。

3)初次喷射4cm厚C25钢纤维混凝土，采用I16加强支护，工字钢间距为0.8m。挂设φ8mm钢筋网片，孔距为20cm，补喷18cm厚C25钢纤维混凝土。

4)初期支护采用φ25×5胀壳式预应力中空注浆锚杆，长3.0m，间距0.8m。

5)二次衬砌采用钢筋混凝土，设置φ18螺纹钢，纵向间距20cm。

6)根据岩爆情况在钢架背后设置钢筋排或加密、加粗钢筋网片，避免水平岩层顶部剥离掉块。

7)喷射8～10cm厚钢纤维混凝土，进行掌子面封闭、反压，如有需要，在掌子面布设锚杆，加固掌子面围岩。

8)根据岩爆情况在掌子面或侧壁上钻φ110mm应力释放孔，并进行预裂松动爆破。

4 结语

本文对国内典型隧道岩爆处治经验进行总结，并结合大峡谷隧道高地应力、岩层条件、岩爆特点等，针对不同岩爆发生区段提出有针对性的处治措施。

1)在勘察阶段应结合地应力测试结果及岩石强度等参数，根据隧道埋深对岩爆发生区段进行划分，同时结合施工期间微震监测、原位地应力测试及现场岩爆发生规律，对不同岩爆发生区段采取有针对性的处治措施。

2)大峡谷隧道围岩埋深大，地应力高，围岩主要为水平岩层，为沉积岩。在沉积岩形成过程中，存在微小裂隙，可避免发生强岩爆，但由于极高地应力，岩爆发生区段占比达20%，随着施工的进行，岩爆可能进一步加强。

3)大峡谷隧道围岩为水平岩层，在高地应力或极高地应力下，隧道拱顶岩层易出现剥离掉块等现象，易导致拱顶岩层塌方，施工风险高。为此，在施工过程中设置钢架、拱顶锚杆、超前支护锚杆或超前小导管，以保证施工进度和安全。

4)大峡谷隧道轴向与最大主应力方向大角度相交，岩爆主要导致掌子面块体弹射，对于弱～中岩爆发生区段，喷射4～8cm厚混凝土进行掌子面封闭、反压，岩爆处治效果显著，减少了块体弹射等现象，缩短了岩爆回避等待时间，加快了施工进度。