环球热讯:隧道应力耦合诱发岩爆原因分析

摘要:岩爆是地下工程建设过程中高应力条件下动力失稳现象，通过研究隧道“耦合型”岩爆发生的基本原理，分析出徐家地隧道应力耦合诱发岩爆，是由于特殊的岩层条件以及自重应力、高压水、超前支承压力、相变应力等共同耦合作用，形成高应力集中点，诱发岩爆。从技术和管理角度提出采用爆破方法、应力解除法、加固围岩法以及严格施工工序、加强监控量测、加强培训、设置掌子面安全员等预防和治理岩爆的建议措施。

关键词:隧道工程;应力耦合;耦合型岩爆;原因分析

随着我国“交通强国”战略的实施，山区高速公路得到迅速发展，隧道建设的规模越来越大，在地形地貌以高原山地为主的云南，隧道是穿山越岭的利器。而在高原山区隧道施工建设开挖过程中，隧道埋深更大，岩体赋存的地质环境更为复杂，存在高地应力、高温、高渗透压等不同于浅埋岩石工程的现象，在硬岩地质条件下若地应力水平较高，发生岩爆的概率极大。目前国内外对岩爆发生的基本原理和岩爆判据等作了大量研究，但大部分判断和分级标准并不统一，主要原因是各地地质条件不一，岩爆是多种因素共同作用的结果。但笔者认为绝大部分岩爆都是由于隧道开挖促使围岩中弹性应变能急剧释放，在多重因素耦合条件下，诱导岩层发生岩爆灾害。特别是近年来随着高速公路的快速发展，边远山区隧道的工程地质条件越来越复杂多变，诱发型岩爆发生的概率和破坏程度上都有所增加，对施工安全造成重大威胁。［1］本文主要研究隧道“耦合型”诱发岩爆发生基本原理，以徐家地隧道施工发生的岩爆从不同角度分析原因，提出预防和治理岩爆的建议措施。

【资料图】

1应力耦合诱发岩爆基本原理

在隧道施工开挖过程中，隧道自身内部因素产生的“静”应力未达到发生岩爆的条件，但叠加一些因隧道开挖外部因素产生的“动”应力，“动”“静”应力耦合叠加后，达到岩爆发生的临界条件，诱发围岩发生岩爆，则此类岩爆为“耦合型”诱发岩爆［2］，隧道“耦合型”诱发岩爆原理如图1所示。

2徐家地隧道工程概况

2.1工程概况

徐家地隧道位于被称为“世界泥石流天然博物馆”的云南省昆明市东川区阿旺镇内，位于小江断裂带，土质疏松，雨季易发生洪水、山体滑坡、塌方及泥石流等自然灾害，是功东高速公路的控制性工程，采用双向4车道高速公路标准，设计速度80km/h，隧道右幅起点K13+746，止点K17+660，隧道长3914m;左幅起点ZK13+779，止点ZK17+641，隧道长3862m。隧道平面设置为“直线—缓和曲线—圆曲线—缓和曲线—下一个缓和曲线”。纵断面设置为“左、右线坡率为－2.5%的单向坡隧道”。进出口段自然坡度较陡，洞口为浅埋段，洞身最大埋深546m。隧道围岩类别为Ⅳ级、Ⅴ级，衬砌主要采用Ⅳa、Ⅳb、J－Ⅳ、Ⅴa、Ⅴb、ⅤC、J－Ⅴ类型。

2.2事故情况

事故发生在徐家地隧道进口左幅进洞610m处，在进行立拱架作业施工时，洞顶上方突然弹出约2m3的石块，砸中正在作业台车上施作的两名施工作业人员。事发现场K14+386围岩地质情况:掌子面围岩为玄武岩，黑褐色，中风化，掌子面渗水丰富，呈股状;埋深403m，围岩为Ⅴ级与Ⅳ级变化区，中风化白云质灰岩，节理裂隙发育，地下水出水状态为点滴状或线状渗水;进口右幅进洞590m。

3应力耦合诱发岩爆原因分析

3.1特殊的地质岩层因素

发生岩爆的前提条件是岩层具有冲击倾向性，也就是说岩层的硬度、稳定性、层间结合力等不能太差，也不能太好。围岩条件太差岩层极易破碎，不易聚集高应力;围岩条件太好岩层十分稳定，岩层积聚的高应力不足以破坏围岩的稳定性。徐家地隧道进口左幅事故发生地点附近围岩主要是玄武岩，中风化，岩质不均匀，围岩节理、裂隙较发育，岩体较破碎，围岩完整性较差，层间结合力一般，自稳能力一般。此类地质条件的岩层具有冲击倾向性，是诱发岩爆的最基本的内部因素。

3.2高地应力因素

事故发生地点距山顶垂直距离约403m，隧道埋深大，按照海姆公式，原岩体的垂直方向上的应力为上覆岩层的自重，因此，掌子面的岩层具有较高的原始自重应力［3］;其次由于掌子面附近地下水丰富，地下水受到了山体自重的压力，产生高压，高压水进入山体裂隙后，裂隙中的空气受到压力的挤压，形成具有高能量的气团［4］。在高地应力下，当气团所受环境发生变化时，能量突然释放，可能诱发岩爆。隧道围岩地应力如图2所示。3.3超前支承压力因素当隧道进行开挖后，破坏了掌子面附近围岩的原有稳定性，原始应力会发生转移，围岩会形成一个向前的支承压力。根据相关研究［5－6］，超前支承会随着向前的距离逐渐变大，当达到最大值后再逐步减小。对于一般岩层来说，超前支承压力影响的最大距离在20～30m左右。事故发生时徐家地隧道左幅进洞610m左右，右幅进洞590m左右，左、右幅掌子面相距20～30m，左幅掌子面正好处于右幅掌子面超前支承压力的最大影响区域，超前支承压力与原始自重应力等叠加，易形成高应力集中点，可能诱发岩爆。隧道围岩超前支承压力如图3所示。

3.4岩层相变应力因素

当岩层的岩性、硬度、倾向、厚度等发生突然变化时，产生构造应力，在相变区域会形成应力集中区域，反过来讲是由于应力集中才可能造成了岩层的相变，因此，岩层相变的区域极易诱发岩爆。徐家地隧道左幅发生事故的区域正好是处于地质围岩由Ⅴ级围岩变为Ⅳ级围岩的相变带区域，相变带围岩应力集中，与其他应力叠加，处于突发岩爆的危险区域。隧道围岩相变带压力如图4所示.

3.5多因素耦合结果

综上所述，由岩层具有的原始自重应力、高压水形成的高能量气团、隧道开挖转移的超前支承压力以及岩层处于相变区域的相变应力等相互作用，共同耦合形成高应力集中点，隧道开挖造成的外部因素与岩层自身性质决定的内部因素相互叠加，超过了岩爆发生的临界应力，诱发了徐家地隧道进口左幅掌子面岩层岩爆，洞顶上方突然掉落约2m3的石块，砸中正在作业台车上施作的两名施工作业人员，造成2人当场死亡。隧道围岩应力多因素耦合原理如图5所示。

4预防治理岩爆的建议措施

4.1预防治理岩爆的技术措施

预防治理岩爆的技术措施主要包括优化爆破方法［7］、应力解除法［8］、超高压水注入法［9］、加固围岩法［10］等。4.1.1优化爆破方法预防治理岩爆可能发生岩爆的地段采用钻爆法施工时，通常隧道开挖采用短进尺掘进，减少药量和减少爆破频率，控制光爆效果，以减少隧道围岩表面层应力集中。隧道采用“短进尺、弱爆破”的施工方式，控制隧道诱发岩爆发生的条件。

4.1.2应力解除法预防治理岩爆

应力解除法就是在隧道施工过程中，边释放应力边掘进，使岩体原始应力提前释放，通常在隧道掌子面施做超前钻孔，提前释放隧道围岩应力，超前钻孔布置在上半断面、沿开挖轮廓线环形布置，孔深大于10m，孔径100mm、间距形状根据应力大小调整，应力越大孔越密集，越密集越安全。同时还可以采用超高压水注入法。在隧道开挖过程中，通过打孔的方式把水超高压地注入岩层深处，岩层会在水的作用下发生两个效应，一是在水的作用下岩层得到了软解，岩层储存势能降低;二是在高水压的作用下，岩层会沿着裂痕不断破裂，岩层的孔隙率会提高，从而释放出大量的应力，减轻岩爆发生的几率。

4.1.3加固围岩法预防治理岩爆

也就是主动防护，提高隧道围岩自承能力，在隧道开挖后及时施作锚喷支护，尽量形成隧道围岩的承载环，提高环向和切向承载力。对不同烈度的岩爆一般采用不同的加固处理措施。加固隧道围岩的方法主要是锚杆、喷纳米混凝土挂网等，通过设预应力锚杆、水涨式锚杆、加长锚杆、挂钢筋网喷混凝土、喷钢纤维或纳米混凝土、加设钢拱架等措施来有效加固围岩。加固围岩法在施工实践中取得了良好的效果。

4.2预防治理岩爆的管理措施

预防治理岩爆的管理措施包括:严格施工工序、加强监控量测预警、加强施工人员安全教育培训、设置掌子面专职安全员等。

4.2.1严格施工工序

要严格按照专家评审的隧道施工专项方案施工，及时施作隧道仰拱和二衬，按照短进尺、弱爆破的要求开挖，严禁隧道安全步距超标;同时合理组织施工，控制左右幅掌子面的相对距离。

4.2.2加强监控量测预警

重视隧道施工中围岩变形破裂的现场调研和围岩二次应力、围岩变形收敛等的现场监测，加强隧道监控量测的频次，对岩爆发生的可能性和强度进行超前预报。

4.2.3加强施工人员安全教育培训

加大隧道参建人员的安全教育培训和技术交底工作力度，特别是岩爆发生前的征兆等，强化职工安全生产意识，提升安全风险的识别判定能力。

4.2.4设置掌子面专职安全员

安排专业技术人员或施工经验丰富的管理人员，在隧道开挖过程中，监控隧道开挖安全步距、观察(或听闻)隧道掌子面及初支或其他部位异常变化情况。在可能出现岩爆等危及人身安全的异常情况时，立即组织施工作业人员紧急撤离至安全区域。

4.2.5形成综合分析研判机制

以项目总工或经验丰富的技术管理人员对上述超前地质预报、监控量测结果、隧道超前钻孔结果等进行综合分析研判，指导施工工艺，形成有针对的技术交底资料和安全教育培训资料，开展技术交底和安全教育培训。

5结论

(1)当隧道自身地质条件决定的内部因素产生的“静”应力未达到发生岩爆的条件，但叠加一些由于开挖等外部因素产生的“动”应力后，达到了隧道围岩发生岩爆的条件，诱发岩爆，是应力耦合诱发岩爆的基本原理。(2)徐家地隧道发生岩爆的原因是由于较硬的岩层条件以及原始自重应力、高压水应力、超前支承压力、相变应力等共同相互作用，耦合形成高应力集中点，诱发隧道岩爆。(3)从技术和管理角度提出预防和治理岩爆的措施，其方法主要有优化爆破方法、应力解除法、高压水注入法、加固围岩法以及严格施工工序、加强监控量测预警、加强安全教育培训、设置掌子面专职安全员、综合分析研判等方法。

作者：刘晔 毛肖杰 单位：云南省交通投资建设集团有限公司 云南省交通科学研究院有限公司