隧道岩爆工程质特征分析与防治措施研究.doc

重庆陆家岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究 摘要：根据在重庆陆家岭隧道施工中发生的岩爆，通过现场地质观测资料，具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件，从地质工程的角度，对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨，发现在陆家岭隧道施工中发生岩爆的岩石具有岩体结构面发育适中、弹性模量大、P波波速高、地质构造简单、现代水平构造应力强且主压应力轴σ1大角度相交于隧道中轴线和地下水不发育的特征，并在此基础上，提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等有效的岩爆防治措施。 关键词：隧道工程；岩爆；工程地质特征；防治措施；陆家岭隧道 引言 岩爆是在高地应力条件下进行隧道施工的过程中，围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，岩体内部原先储存的弹性应变能突发性地急剧释放出来，使隧道围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的一种动力失稳的地质现象，是一种高地应力区常见的工程地质灾害，对于隧道施工的人员和设备均造成了直接威胁。因此，详细研究发生在陆家岭隧道施工中的岩爆，总结其发生发展的规律并提出相应的防治措施，对于保证隧道施工的安全，进一步探索岩爆地区工作方法都有一定的理论参考价值[1～5]。 2陆家岭隧道岩爆发生的工程地质特征 陆家岭隧道位于重庆东南部地区，是重庆—宜昌高速公路西段重要工程，起止桩号：ZK113+485～ZK119+865，中心桩号ZK116+175，全长6 380 m，隧道进口标高1 063.63 m，出口标高1 020.12 m，成洞洞径15 m，隧道埋深120～600 m。施工地区为中低山和丘陵地区，最大海拔1 876 m，地形自然坡度35°～65°，局部山体陡峭，植被发育。隧道围岩主要是上侏罗统熔结凝灰岩，岩石致密坚硬，完整性好，呈块状镶嵌～大块砌体结构，局部有少量结构面或贯通性微张节理，风化程度低，地下水贫乏，不发育。自2003年11月开始施工以来，先后在隧道7个区段的拱顶和边墙发生了93次岩爆，具体发生岩爆位置及次数见图1。 图1陆家岭隧道发生岩爆位置及次数示意图 根据现场资料分析，这些岩爆表现出与下列5个典型的工程地质特征关系密切： (1)围岩距隧道掌子面远近不同，岩石发生岩爆的次数不同。陆家岭隧道岩爆发生的次数与距掌子面的距离关系密切，如图2所示。由图2可知，陆家岭隧道岩爆发生有很强的规律性，岩爆发生最高次数的高峰区出现在距掌子面6～15 m(即0.5～1倍隧道洞径区间)的隧道拱角及两侧壁上，迄今为止共发生岩爆60次，占已经发生岩爆总数的64.5%，另外有21%出现在掌子面上及大于1倍洞径以外的隧道中。随着距离的增加，岩爆次数显著减少，仅有极少数岩爆发生部位距掌子面的距离大于40 m。距离掌子面的距离/m 图2陆家岭隧道发生岩爆次数与距掌子面距离的关系曲线 (2)隧道中掌子面开挖暴露时间的长短不同，围岩发生岩爆频数不同。由于岩爆是隧道围岩集聚能量、应力重新分布后的产物，因此，岩爆发生的次数与掌子面开挖暴露时间的长短关系密切，如图3所示。掌子面开挖暴露时间/d 图3陆家岭隧道发生岩爆次数与掌子面围岩开挖时间的关系曲线 由图3可知，陆家岭隧道岩爆发生的高峰期主要集中在2个时间区段内： 第1个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后24 h内，在该时段内共发生51次岩爆，占所发生岩爆总数的55.8%，主要发生在距离掌子面6～15 m的隧道拱角及拱顶处的应力集中区，见图1中的1和2区，这类岩爆属于速爆型岩爆，对于隧道施工人员和设备威胁巨大。第2个岩爆高峰区段集中在掌子面围岩开挖后 16～24 d内，在该时段内共发生37次岩爆，占所发生岩爆总数的39.7%，主要发生在距离掌子面6～15 m的隧道两个侧壁，这类岩爆属于缓爆型岩爆。 造成上述情况的主要原因是： ①在围岩开挖暴露后，先期赋存在岩体中的能量超过了岩体本身的强度，通过岩爆的形式得以释放，形成了第1个岩爆高峰区段，这次岩爆类型以爆次数岩次/爆次数岩次/·3400·岩石力学与工程学报2005年速爆型岩爆为主。 ②围岩中的应力在重新调整、分布后，岩体中的应力及能量再次得以聚集，并在隧道中爆破作业所产生的冲击波影响下，再次发生岩爆，形成了第2个岩爆高峰区段，这次岩爆类型以缓爆型岩爆为主。 (3)陆家岭隧道中的岩爆体的特征不同。 陆家岭隧道的岩爆有速爆型岩爆和缓慢型岩爆2种类型，具体表现形式如下：速爆型岩爆多发生在掌子面开挖后24 h内，占岩爆总数的70%。岩爆发生一般分2个破坏阶段：开始为岩体的张性破裂、弹射、剥落；继而是极限破碎的岩块被挤出、弹射。岩爆发生时，首先围岩内部发出清脆的爆裂声，而后岩块从隧道的拱顶或拱角向临空面弹射而出，弹射距离较远，弹射角度可达35°～45°，岩块成分以熔解凝灰岩、霏细斑岩为主，多呈中间厚、