巖爆隧道施工工藝工法

1、巖爆隧道施工工藝工法QB/ZTYJGYGF-SD-0508-2011第五工程有限公司劉富強(qiáng)李敬偉1前言1.1工藝工法概況巖爆，也稱沖擊地壓，它是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的 突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，也是隧道施工中一種較常見的 現(xiàn)象，巖爆多發(fā)生在埋藏大、整體性好、石質(zhì)干燥、堅(jiān)硬、強(qiáng)度高的巖層中。巖 爆發(fā)生的地點(diǎn)多在新開挖的掌子面及距離掌子面13倍洞徑范圍內(nèi)，個(gè)別也有 距新開挖面較遠(yuǎn)。發(fā)生的時(shí)間，多在爆破后03小時(shí)（或更長時(shí)間）。根據(jù)工程 巖體分級標(biāo)準(zhǔn)判別法、Russenes巖爆判別法、Turchaninov巖爆判別法及Hock 巖爆判別法等四種方法綜合評定：埋深

2、在240m368m范圍，有巖爆發(fā)生的可能 或產(chǎn)生輕微巖爆；埋深在368m650m范圍，可能會(huì)發(fā)生中等規(guī)模的巖爆；埋深 在650m以上時(shí)，可能會(huì)發(fā)生較強(qiáng)巖爆。隧道爆破開挖后，采用給作業(yè)面噴灑高壓水、打設(shè)應(yīng)力釋放孔、巖壁切槽等 方法達(dá)到對巖體降溫和對集中應(yīng)力釋放的效果，以降低巖爆發(fā)生強(qiáng)度；其次向作 業(yè)面拱部及側(cè)壁噴射纖維混凝土，再加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)，以盡可能減少巖層暴露 時(shí)間，增強(qiáng)巖體自身穩(wěn)定性，減少巖爆發(fā)生幾率同時(shí)確保人身安全。1.2工藝原理巖爆地質(zhì)隧道施工按照“新奧法”原理，提高光面爆破效果，以減少圍巖應(yīng) 力集中；開挖后立即對開挖面及周圍巖壁進(jìn)行灑水降溫、打設(shè)釋放孔、巖壁切槽 以達(dá)到應(yīng)力分散效果

3、；及時(shí)施作初期支護(hù)，保證在最短時(shí)間封閉圍巖，及時(shí)完成 仰拱，使初支成環(huán)；根據(jù)量測數(shù)據(jù)確定最佳二襯施工時(shí)間，盡早完成二襯施工。 2工藝工法特點(diǎn)2.1根據(jù)巖爆地質(zhì)設(shè)計(jì)資料、開挖工法、地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測資料，并結(jié)合 目前國內(nèi)隧道施工水平，具體分輕微巖爆、中度巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆三個(gè)強(qiáng)度等級采 取了不同措施分別對施工地段巖爆進(jìn)行預(yù)防及處理。2.2巖爆多發(fā)生地段圍巖均存在節(jié)理裂隙不發(fā)育、硬度大、整體性好、埋設(shè) 大等特點(diǎn)制定了給開挖工作面噴灑高壓水、噴射纖維砼、打設(shè)超前應(yīng)力釋放孔、 及時(shí)疏散人員、機(jī)械設(shè)備防護(hù)、設(shè)置專職安全人員警戒、局部掛網(wǎng)等措施。3適用范圍本工藝工法適用于存在埋深大、巖性好的高地應(yīng)力鐵路、公路

4、及水工山嶺隧 道。4主要引用標(biāo)準(zhǔn)客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南（TZ214）、客運(yùn)專線鐵路隧道工程 施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)（鐵建設(shè)2005160號）、鐵路隧道施工規(guī)范 （TB10204）、新建鐵路鐵路工程測量規(guī)范（TB 10101）、客運(yùn)專線無砟軌道鐵 路工程測量暫行規(guī)定（鐵建設(shè)2007189號。5施工方法5.1光面爆破：控制開挖周邊眼間距，提高殘眼保存率，降低石質(zhì)應(yīng)力集中幾率。5.2保持工作面濕潤：開挖面爆破開挖前，準(zhǔn)備好裝水罐車或移動(dòng)水箱，待爆破后立即用高壓噴頭 向工作面及四周巖壁噴灑水以達(dá)到給圍巖降溫效果，對輕、中、重度巖爆均適用。5.3噴射纖維混凝土并局部掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片：灑水完成后，待工

5、作面無應(yīng)力釋放響動(dòng)后，及時(shí)對工作面及四周巖壁噴射纖 維混凝土，對中、重度巖爆地段可掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片給以加強(qiáng)。5.4開挖工作面打設(shè)超前應(yīng)力釋放孔：針對已發(fā)生巖爆地段或設(shè)計(jì)資料有高應(yīng)力地段，采取給工作面打設(shè)應(yīng)力釋放 孔，以釋放巖層內(nèi)部應(yīng)力。5.5人員疏散、機(jī)械設(shè)備防護(hù)：開挖工作面出現(xiàn)明顯的巖爆響動(dòng)時(shí)，由專職安全員及時(shí)疏散工作面施工人 員，并及時(shí)對工作面50米范圍內(nèi)機(jī)械設(shè)備加蓋防護(hù)罩或防護(hù)板。5.6開挖工作面專人警戒：對開挖工作面24小時(shí)派專職安全員進(jìn)行巡視，做好作業(yè)人員安全防護(hù)用品 檢查監(jiān)督，發(fā)生巖爆后及時(shí)疏散人員。6工藝流程及操作要點(diǎn)6.1施工工藝流程圖圖1施工工藝流程圖循環(huán)下6.2操作要點(diǎn)6.2.

6、1開挖司鉆過程中周邊眼間距控制在4550cm，鉆眼平行無交叉，眼底 平齊。6.2.2對巖爆地段保證對應(yīng)人員、物資、設(shè)備到場。6.2.3噴射纖維混凝土中纖維可采用塑料及鋼纖維，摻量為0.51.0kg/m3。鋼筋網(wǎng)片采用66610鋼筋制作，網(wǎng)格間距1525cm。必要時(shí)加設(shè)錨桿及鋼筋 網(wǎng)。襯砌工作要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時(shí)間，減少巖爆的 發(fā)生和確保人身安全，必要時(shí)可采取跳段襯砌。在巖爆發(fā)生時(shí)，人員應(yīng)撤離巖爆 區(qū)，基本穩(wěn)定后立即采取相應(yīng)的措施，以防發(fā)生事故。6.2.4打設(shè)超前鉆孔釋放隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力， 超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機(jī)或液壓鉆孔

7、臺(tái)車打設(shè)超前鉆 孔，鉆孔直徑45108mm，深度520m，對輕度巖爆每循環(huán)掌子面打設(shè)13孔； 中度巖爆每循環(huán)掌子面打設(shè)46孔；強(qiáng)烈?guī)r爆每循環(huán)掌子面打設(shè)68孔，對掌 子面拱頂及兩側(cè)起拱線位置要優(yōu)先布孔，其余孔位可作為加密孔。必要時(shí)也可以 打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，輕度巖爆每循環(huán)打孔孔眼間距 1.5m2.0m，深度0.5m1.5m；中度巖爆間距1.0m1.5m，深度1.5m2.5m； 強(qiáng)烈?guī)r爆間距0.5m1.0m，深度2.5m3.5m。同時(shí)對于強(qiáng)烈?guī)r爆地段可在超前 探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中 現(xiàn)象的出現(xiàn)。6.2.5在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作

8、，通過對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀察、通過 對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)讀數(shù)的變化，可以定 量化地預(yù)測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，以確保安 全。表1監(jiān)控量測項(xiàng)目表序 號量測項(xiàng)目量測方法和儀器測點(diǎn)布置測量頻率測量精度1洞內(nèi)外觀測現(xiàn)場觀測，地質(zhì)素 描及初期支護(hù)狀 態(tài)觀測母相口拱架施工前洞頂現(xiàn)場勘測， 施工中開挖后進(jìn)行2水平收斂量測收斂儀、反射膜片 配合全站儀每103 0米一個(gè)斷 面，上下2條基線4 個(gè)點(diǎn)1八、uN5mm (01B) 2 次/d； 1 Wu5 (12B) 1 次/d； 0.5Wu1 (12B) 1 次 /23d；0.2Wu0.5 (2 5B

9、) 1 次/3d；u 5B) 1 次/7d。0.1mm3拱頂下沉水準(zhǔn)測量的方法， 水準(zhǔn)儀、鋼尺等每103 0米一個(gè)斷 面，1個(gè)點(diǎn)1mm注：B一隧道開挖寬度，u一變形速速6.2.6制定嚴(yán)格的安全巡視制度，強(qiáng)化工作面安全巡查警戒力度。7勞動(dòng)力組織按照一般常規(guī)隧道施工配置相同，下表為設(shè)計(jì)I級電氣化單線鐵路隧道全斷面施工配置，可供參考。表2單工作面作業(yè)勞動(dòng)組織表序號工作項(xiàng)目作業(yè)內(nèi)容人數(shù)1開挖開挖、爆破工18高壓水噴灑手2挖掘機(jī)司機(jī)2自卸車司機(jī)62初期支護(hù)型鋼加工6鋼筋網(wǎng)片加工2鋼架安裝8噴射混凝土8混凝土攪拌運(yùn)輸罐車司機(jī)43混凝土生產(chǎn)混凝土攪拌機(jī)司機(jī)3裝載機(jī)司機(jī)2機(jī)械修理工14測量及其他技術(shù)員2測工4

10、5其他隊(duì)長1技術(shù)負(fù)責(zé)人1質(zhì)檢工程師1專職安全員1試驗(yàn)員2電工3修理工2空壓機(jī)司機(jī)3調(diào)度3輔助人員58主要機(jī)具設(shè)備按照一般常規(guī)隧道施工配置相同，下表為設(shè)計(jì)I級電氣化單線鐵路隧道全 斷面施工配置，可供參考。表3單個(gè)開挖面機(jī)械設(shè)備配備表序號作業(yè)機(jī)具設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注1施工通風(fēng)軸流式通風(fēng)機(jī)SDF （c） -NO110臺(tái)1通風(fēng)2施工照明低壓變壓器24v,10kw臺(tái)2掌子面及二襯施工平臺(tái)3施工用電發(fā)電機(jī)250kw臺(tái)1備用變壓器500kw臺(tái)1施工及生活用電4開挖挖掘機(jī)PC-300-6臺(tái)1裝碴、找頂東風(fēng)（斯太爾） 自卸車15t輛4出碴空壓機(jī)LWJ-20/7-1臺(tái)3高壓供風(fēng)風(fēng)鉆YT-28臺(tái)18礦用電鉆

11、50臺(tái)5掘進(jìn)打錨管、錨桿5初期支護(hù)工字鋼彎曲機(jī)GW1-200臺(tái)1型鋼加工鋼筋彎曲機(jī)GW臺(tái)1鋼筋加工鋼筋切斷調(diào)直機(jī)GQ臺(tái)1鋼筋加工等離子切割機(jī)GW臺(tái)1鋼板切割交流電焊機(jī)BX1-500臺(tái)6鋼架、網(wǎng)片加工及安裝臺(tái)式鉆床24025臺(tái)1鋼板加工壓漿機(jī)臺(tái)1錨桿注漿混凝土濕噴機(jī)TK-500臺(tái)3噴漿6量測及測 量儀器全站儀萊卡402臺(tái)1方向控制水準(zhǔn)儀萊卡N2臺(tái)1標(biāo)高控制塔尺5m個(gè)2標(biāo)高控制精密水準(zhǔn)儀萊卡N2臺(tái)1沉降觀測因瓦尺個(gè)2收斂儀JSS30A個(gè)2量測錨桿拉拔儀BL150B個(gè)1錨桿拉拔應(yīng)力測試儀套1應(yīng)力測試7其他移動(dòng)儲(chǔ)水罐車8m3臺(tái)4運(yùn)送水高壓灑水泵射程N(yùn)50米臺(tái)2噴射水潛孔鉆機(jī)ZP150臺(tái)1打設(shè)應(yīng)力釋放孔

12、9質(zhì)量控制9.1易出現(xiàn)的質(zhì)量問題9.1.1巖爆地質(zhì)隧道高應(yīng)力強(qiáng)巖爆地段容易發(fā)生掉塊，變形加速。9.1.2開挖時(shí)，周邊眼眼距過大或不均勻，裝藥量過大影響隧道光面爆破效 果。9.1.3開挖進(jìn)尺不當(dāng)，措施不及時(shí)，造成局部坍塌。9.2保證措施9.2.1根據(jù)設(shè)計(jì)資料及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析判斷存在高應(yīng)力地段，提前組織人 員、儲(chǔ)備物資，根據(jù)不同巖爆等級制定相應(yīng)的措施：輕微巖爆地段：給工作面噴射高壓水給巖層降溫，噴鋼纖維混凝土，增強(qiáng) 巖壁柔性和抗剪能力。中度巖爆地段：除給工作面灑水降溫外，給巖爆段巖壁掛設(shè)鋼筋網(wǎng)再噴射 纖維混凝土，以增強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度。強(qiáng)巖爆地段：除給工作面灑水降溫、掛網(wǎng)、噴纖維混凝土外，還需對工作

13、 面打設(shè)應(yīng)力釋放孔或?qū)r壁進(jìn)行切槽以減少應(yīng)力集中，降低巖爆造成的危害。9.2.2及時(shí)做好拱頂沉降及周邊收斂測量觀測并及時(shí)分析數(shù)據(jù)，以便及時(shí) 的調(diào)整施工工法。9.2.3嚴(yán)格落實(shí)技術(shù)交底制度，并派質(zhì)檢工程師現(xiàn)場控制開挖周邊眼間距 及每循環(huán)開挖進(jìn)尺，制定相應(yīng)的獎(jiǎng)罰措施，巖爆地段周邊眼間距控制在 45 50cm，每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在2.5m以內(nèi)。10安全措施10.1主要安全風(fēng)險(xiǎn)分析巖爆地質(zhì)隧道開挖要注重巖爆飛石及工作面坍塌對人員、設(shè)備傷害，提出相 應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)處理措施，編制施工應(yīng)急預(yù)案。10.2保證措施10.2.1進(jìn)洞人員必須正確佩戴安全防護(hù)用品，特殊工種應(yīng)持證上崗。10.2.2增設(shè)臨時(shí)防護(hù)設(shè)施，給主要的

14、施工設(shè)備安裝防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)棚架，給 施工人員配發(fā)鋼盔、防彈背心等，掌子面加掛鋼絲網(wǎng)。10.2.3配備專職安全員對作業(yè)面24小時(shí)輪流值班，有巖爆發(fā)生時(shí)及時(shí)警報(bào)， 并做好現(xiàn)場人員按既定的逃生路線疏散及設(shè)備防護(hù)。11環(huán)保措施11.1避免炸藥爆炸產(chǎn)生的有害氣體和粉塵含量，減少對空氣的污染，節(jié)約 炸藥等能源的消耗。11.2對于巖爆地質(zhì)隧道中加強(qiáng)施工用水的管理，防止水土流失。隧道施工 中采用防水板和止水帶等綜合防排水措施，減少水的流失，做到環(huán)保和節(jié)約水資 源要求。11.3優(yōu)化巖爆地質(zhì)隧道的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。12應(yīng)用實(shí)例12.1工程概況由中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司承建的向塘至莆田鐵路高蓋山隧道，設(shè)計(jì) 為雙洞單線

15、隧道，左線隧道全長17594m，右線隧道全長17612m，隧道最大埋深 723m。開挖寬度9m，開挖高度9m，開挖面積75.43皿，隧道洞身圍巖大部分為 流紋巖、英安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、碎斑熔巖及晶洞堿長花崗巖等硬質(zhì)脆性巖。隧 道II、III級圍巖采用全斷面施工，W、V級圍巖采用臺(tái)階法施工。初期支護(hù)采用 噴錨支護(hù)，V級圍巖段鋼架采用118型鋼，間距為0.8m，W級圍巖段鋼架采用 150mm格柵鋼架，間距為1.0m，C25微纖維混凝土噴護(hù)，錨桿長2.5m、3.5m， 二次襯砌采用模筑混凝土施工，混凝土采用高性能C30混凝土 12.2施工情況高蓋山隧道設(shè)計(jì) DK478+315DK478+475 段（

16、160m）、DK479+775DK479+915 段（140m）埋深 240m368m，為輕微巖爆地段DK475+545DK478+315 段（2770m）、 DK475+075DK478+215 段（140m）、DK473+300DK473+970 段（670m）埋深在 368m650m，為中等巖爆地段；DK475+215DK475+545 段（330m）、DK473+970 DK475+075 段（1105m）、DK472+865DK473+300 段（435m）埋深均大于 650m， 為強(qiáng)巖爆地段。2008年10月開工，2011年1月巖爆段開挖支護(hù)全部施工完成。 首先在隧道開挖過程中采用光面爆破、嚴(yán)格控制周邊眼間距及開挖進(jìn)尺，提高炮 眼殘留率以減少巖石應(yīng)力集中，控制開挖進(jìn)尺以減少爆破藥量以減少爆破對巖體 的擾動(dòng)。其次在爆破開挖及時(shí)通風(fēng)排煙，針對輕度巖爆，開挖掌子面及周圍巖壁 噴灑高壓水，以降低巖體溫度，增強(qiáng)塑性，減弱巖體的脆性，降低巖爆的劇烈程 度；針對中度巖爆采取噴射纖維砼，局部地段掛設(shè)鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)支護(hù)能力；對重度 巖爆除對工作面灑水降溫、噴射網(wǎng)片纖維砼外