高地应力地下洞室开挖施工岩爆防治措施 摘要：随着我国铁路高应力地下洞室的大规模建设，大量超深埋高应力地下洞室在高地应场条件下的岩爆效应将成为铁路建设中的关键技术难题为了判别、预防岩爆的发生，提出不同等级岩爆防控措施，通过调研国内相关专家的研究成果及国内外典型岩爆高应力地下洞室建设的相关研究成果，分析岩爆发生条件、高应力状态下岩爆发生机理、岩爆的预测、岩爆防治措施及作用机理，总结高应力地下洞室发生岩爆的特征规律，提出高应力状态下不同等级岩爆的防控措施对施工中岩爆发生的规律进行了分析,探讨了隧洞开挖岩爆发生的特点及所具有的风险,为岩爆风险防治和风险管理提供了思路,提出了针对高地应力大型地下洞室群施工采取的岩爆防护安全措施,对指导施工及解决生产问题、提高施工安全及生产效率起到了很好的作用关键词：高地应力；地下洞室；开挖；岩爆；防治引言岩爆是一种常见的典型工程地质灾害现象，在矿山开采、高应力地下洞室开挖、水利工程等高地应力和复杂地质条件的工程时有发生岩爆往往极具破坏性，对生命财产安全构成极大的威胁，也严重影响了工的稳定性因此，国内外学者对岩爆的研究一直没有停止过，目前也取得了很多有巨大价值的成果，但由于地质条件的复杂性、岩爆显现的突发性等诸多因素，在岩爆机理及岩爆判别标准方面还有很多不足，没有统一的标准，不能进行准确有效的预测。
本文在总结已有岩爆特征规律的基础上，系统的分析了岩爆的预测、控制预防措施及适用范围1岩爆具有的特征岩爆为在洞室开挖过程中因岩石受力改变、应力集中、能量释放导致岩体脆性破坏而发生的弹射、崩落现象,岩体在受到地应力挤压达到最大承载力后失稳,在轴压与围压共同作用下,岩体与围压相互作用,当花岗岩应力超过极限强度后,其承载能力逐渐降低,随着围压的降低,大量能量释放,当能量超过裂隙及岩石所能承受的极限时,结构裂隙加速发展,直至发生突然破坏,岩石从岩面弹射或崩落,发生岩爆现象岩爆可分为轻微岩爆和严重岩爆,前者岩片表现为剥落、掉块状,后者表现为弹射状岩爆发生的时间具有不可预见性,一般在开挖作业完成一定时间后才会出现,其发生概率随着时间的推移逐渐衰减因岩爆具有突发性而无法有效预防,故其危害极大,对施工安全造成重大安全隐患针对高地应力洞室,必须提前采取安全技术措施,确保施工安全，如图1图1岩爆特征2 岩爆破坏机理（1）硬质岩条件下岩爆的发生机理硬质岩的弹性模量、剪切模量、抗压强度和抗剪强度高，其应力-应变主要为弹性变形，破坏前塑性变形很小，在构造运动中具备存储很大应变能，高应力地下洞室开挖后洞壁围岩从三向应力状态调整为双向应力状态，洞壁周边岩体能量进一步积聚，随着临空面的产生，洞周一定范围内岩体弹性应变能量的急剧释放引发岩爆。
硬质岩中岩性的弹性能量指数和脆性指数是反映岩体储存能量的能力及岩体的脆性指标，也是衡量岩体发生岩爆可能性的重要参考指标代表性岩性有花岗岩、大理岩、灰岩、白云岩、石英砂岩等2）高地应力环境下岩爆的发生机理岩爆的发生受围岩强度、初始地应力状态、岩体构造环境、施工方法等多因素影响，其中初始地应力决定了岩体中弹性应变能的大小，也是判定高地应力环境的主要指标3）开挖卸荷效应下岩爆的破坏机理高应力地下洞室开挖之前，围岩处于三向应力平衡状态下，处于“弹性压缩”状态下，高应力地下洞室开挖后洞壁岩体径向应力解除，岩体向高应力地下洞室内变形，由于初始应力场的重新分布，造成切向应力集中，切向应力的陡增引起洞周围岩体应变能的陡增，当应力超过岩石抗压强度时，周边岩体在应力集中作用下微裂纹不断产生、扩展、贯通，当外部岩体释放的能量大于裂纹产生所需要的能量，剩余的弹性应变能将转化为动能，使破裂的岩块以剥落、弹射，甚至是大范围的内部岩体垮塌脱离，如图2图2岩爆现场3岩爆高应力地下洞室的预测及分析（1）勘察设计阶段采用强度应力比法对岩爆进行预测，基本能够满足设计的要求根据现场实际监测及岩爆发生的情况分析，实际发生岩爆地段占预测的 22%~90%。
2）发生岩爆的地段一般情况干燥无水，且岩体较完整3）断层带内发生岩爆的概率较低，断层带附近完整岩体内发生岩爆的概率较高4）微震监测能够有效监测到岩爆的发生，其准确率可达 50%~80%，且岩爆的等级越高，预报的准确率越高5）岩爆的预测应结合现场围岩监控量测及已开挖段发生岩爆的情况，并结合理论分析进行综合预判6）岩爆跟埋深有关系，但不是正比关系国外曾经在埋深 65m 处发生岩爆，但发生强烈岩爆段埋深一般都大于 800m4岩爆高应力地下洞室的处置措施及适用范围4.1超前地质预报超前地质预报可获得第一手地质资料,对了解施工洞段的岩性及断层、裂隙等节理发育、岩石破碎、地下水分布情况、确定开挖支护施工方案、技术措施参数、调整现场施工方法、采取安全防护措施提供重要依据对岩爆的预防和施工人员的安全意义重大有效防治岩爆能对施工进度及经济效益的提升起到明显的作用4.2超前应力释放爆破作业后,及时对掌子面、边墙及顶拱部位进行喷淋作业,对干燥岩面进行软化处理淋水作业可进行多次,每次间隔 10min 左右喷淋后在侧墙、顶拱、起拱线、洞壁环向等位置打设应力释放孔并在孔内注入高压水以降低岩石脆性,亦可通过在岩壁切槽的方式释放应力,降低岩爆的发生率。
根据钻孔位置、深度等情况进行数据对比、地质分析,调整并优化钻孔参数(孔深、孔距、孔数),进而指导现场施工,降低岩爆发生的风险4.3钻芯取样分析洞室开挖完成后,垂直掌子面在待开挖区域进行钻芯取样,通过芯样破损情况分析未开挖部分岩石、断层等地质与围岩应力情况4.4地质素描地质素描在洞室开挖作业完成后进行,用于分析开挖段待开挖区域揭露的岩石产状及裂隙分布情况,预测掌子面地质情况根据分析结果,及时采取有效措施,优化施工方案4.5加强光面爆破效果光面爆破过程中一定要提升残孔率,尽量保证岩面平整,避免因岩面不平造成应力集中可以根据爆破试验确定爆破孔距及药量亦可以通过绑竹片、堵炮泥、短进尺、弱爆破等方式提高爆破效果,也可在排险作业过程中将突出部位的岩石及时进行清理,尽量保证岩面平整,降低岩爆发生的概率4.6尽早启动衬砌作业岩爆经常会出现二次或三次剥落现象,对后期施工进度及安全造成较大隐患因此,一定要尽量减少岩层的裸露时间,尽快进行二衬作业,衬砌可采用跳仓方式进行在衬砌施工过程中,若发现岩层异常应采取必要的躲避措施4.7改变开挖作业形式通过岩爆洞段时,可将全断面开挖优化为分幅或中导洞方式开挖,亦可采用分层的方式进行开挖,进而降低隧洞尺寸、增加应力释放的时间,将能量逐步释放。
也可通过短进尺减少能量释放的总量,减少药量以降低爆破对周围岩层的扰动,降低岩爆发生的概率5高应力地下洞室岩爆防治技术国内外学者对岩爆烈度划分尚无统一定论，本文总结高应力地下洞室岩爆发生段施工经验，将烈度分为较强型、软弱型与中强型项目部进行岩爆微震监测，实时监测手段结合地应力大小，根据预警情况采取调控措施结合微震监测数据结果，建立不同等级岩爆对应支护体系在进行预防时采用主动与被动措施在掌子面施作超前应力释放孔，开挖后采取喷射钢纤维混凝土等进行加强支护高应力地下洞室围岩主要为石灰岩，岩石孔隙率较小，不存在地下水，岩爆发生在中强型地段，软弱型岩爆段较少岩爆烈度与高应力地下洞室埋深有关，较强型岩爆在高应力地下洞室岩爆段中部出现，中型岩爆多发生在埋深为 800~950m，通过做好施工组织，加快围岩中高地应力释放等措施保证施工安全根据高应力地下洞室岩爆特征，高应力地下洞室施工中提出各级岩爆防治措施，易发生岩爆段开挖后挂网喷锚支护，发生岩爆可构成第一道屏障，在初支加固围岩时，根据实际情况采取分步循环作业方式喷 C20 砼在钻爆作业后进行找顶，初喷后进行出渣作业二次开挖中进行砂浆锚杆作业，随后进行二次喷锚。
根据情况进行侧边墙加固作业对岩爆易发生部位缩短锚杆，按梅花型布置，根据岩爆烈度确定锚杆长度锚杆密度较大原因包括能避免岩爆岩石松脱等情况出现；方便后续挂网施工；与喷网构成有机整体加固围岩采取导洞超前全断面跟进法施工，选择与硬岩相似，威力较强的水胶炸药，岩爆发生可能性小的部位，周边采用 20 小药卷不耦合装药增强光面爆破技术管理，降低应力集中现象施工中掌子面爆破 3h 内频繁出现岩爆，要防止出现伤人事故岩爆发生断施工安排专人防护掌子面，对内部爆声响监听，分析拱表面围岩变化，如有险情出现立即鸣哨在较强型岩爆发生段下导坑中布置带有垫板楔管式锚杆，避免产生飞石影响施工人员安全较弱型岩爆段施工，在钻孔台车上装设薄钢板，爆破作业施工使用光面爆破技术，降低超欠挖情况，防治岩面出现尖锐的棱角结束语在高地应力条件下针对岩爆采取的防范措施,采用中导洞及分幅、分层开挖比全断面开挖岩爆发生的概率有所降低在相同的地质条件下,通过岩面洒水、打设应力释放孔将有效减少岩爆发生的次数加强初期支护对减少岩爆的破坏效果明显整体预防措施的实施取得了预期效果,对同类工程施工具有一定的参考价值参考文献[1] 郑宗溪，孙其清. 川藏铁路高应力地下洞室工程[J]. 高应力地下洞室建设，2017，37(8):1049-1054.[2] 冯夏庭，肖亚勋，丰光亮，等.岩爆孕育过程研究[J]. 岩石力学与工程学报，2019，38(4): 649-673.[3] 李天斌，高美奔，陈国庆．硬脆性岩石热-力-损伤本构模型及其初步运用[J]. 岩土工程学报，2017，39(8) :1477-1484.[4] 蒙伟，何川，张钧博，等.高地温高地应力下岩体初始地应力场反演分析[J]．岩石力学与工程学报，2020，39 ( 4) : 749-760.[5]陈卫忠，郭小红，吕森鹏，等. 脆性岩石卸围压试验与岩爆机理研究[J]. 岩土工程学报，2010，32(6) :963-969. -全文完-。