高速公路隧道施工巖爆防治技術(shù)分析
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摘要：本文主要針對高速公路特長隧道施工引爆的相關(guān)防治技術(shù)進行探究，希望能為高速公路特長隧道項目地順利穩(wěn)定施工奠定堅實的基礎(chǔ)。
引言
高速公路特長隧道由于埋深較大，圍巖整體性良好，在實際施工過程中難免會遇到施工巖爆問題，導致巖層出現(xiàn)爆裂情況，影響施工人員的生命安全。因此，需要加強對高速公路特長隧道施工巖爆特征的研究，明確施工巖爆的相關(guān)防治措施以及預防手段，保證工程項目建設(shè)可以順利穩(wěn)定的開展，提高工程項目建設(shè)的整體效益。通過對武九高速高樓山隧道巖爆發(fā)生情況進行研究，對隧道工程巖爆防治技術(shù)進行了總結(jié)，在現(xiàn)場巖爆處治過程中取得了良好的效果。
1高速公路特長隧道施工巖爆概述
1.1特長隧道施工巖爆定義
施工巖爆指的是當隧道以及地下工程穿越堅硬穩(wěn)定的圍巖，而且處于高地應(yīng)力地區(qū)時，由于開挖封閉巖層之后，地應(yīng)力大規(guī)模釋放，導致圍巖突然破壞，從而造成巖塊拋擲、彈射的問題，內(nèi)部比較大的彈性應(yīng)變能在短時間內(nèi)釋放出來。隧道巖爆問題是隧道施工過程中常見問題之一，嚴重影響工程項目建設(shè)的順利安全進行，給施工人員帶來了人身安全威脅，需要加強對施工巖爆現(xiàn)象的研究，提前發(fā)現(xiàn)施工巖爆問題并做好處理工作，盡可能的避免巖爆對工程項目整體建設(shè)所造成的影響與破壞[1]。
1.2特長隧道施工巖爆原理
一般來說，高速公路特長隧道施工巖爆現(xiàn)象的發(fā)生主要由內(nèi)部因素和外部因素兩部分因素導致的。內(nèi)部因素指的是巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)本身所儲存的大量能量，使得在超過巖體強度以及承受能力的外界刺激下產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。外部因素一般是指由于施工過程中機械設(shè)備和人力因素對巖層整體環(huán)境的影響，導致巖體載荷穩(wěn)定性發(fā)生變化，從而破壞了原有巖層的平衡狀態(tài)而引起巖爆問題。其次，特長隧道施工巖爆現(xiàn)象又與施工項目所處的環(huán)境和區(qū)域有關(guān)，在應(yīng)力相對較大以及集中的環(huán)境當中，巖體本身硬度和脆度比較大。受到隧道掘進過程中外部荷載因素的影響，導致圍巖受力不斷增加而超過強度極限，使原本圍巖裂縫持續(xù)擴大，從而造成圍巖斷裂現(xiàn)象而發(fā)生巖爆事故。工作人員在開挖具有較大截面的巖石時，通常會采取大徑尺和大藥量的光面爆破，雖然可以有效加快施工效率，但是往往會對巖體產(chǎn)生大規(guī)模的破壞，導致掌子面載荷的劇烈變化，引起個爆破孔內(nèi)部應(yīng)力的持續(xù)積累，使原有的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生明顯變化，對微觀圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響造成圍巖應(yīng)力累積而引起損傷。巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的大量裂縫也伴隨著掩體細微顆粒的作用而產(chǎn)生嚴重的巖爆現(xiàn)象[2]。
1.3巖爆產(chǎn)生的基本條件
高地應(yīng)力和堅硬圍巖是高速公路特長隧道巖爆事故發(fā)生的兩大基本條件。地應(yīng)力與埋深有很大關(guān)系，高速公路特長隧道施工地應(yīng)力一般包括殘存應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及巖體的自重應(yīng)力。包括垂直應(yīng)力、最大水平應(yīng)力以及最小水平應(yīng)力三個分量。地應(yīng)力的大小與地殼運動生成年代、埋深地質(zhì)構(gòu)造以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點有密切聯(lián)系，通常來說，埋深越大地應(yīng)力越大，發(fā)生巖爆的概率也越大。其次，巖石的脆性與巖爆事故發(fā)生有密切的聯(lián)系，根據(jù)調(diào)查研究顯示，巖爆絕大多數(shù)發(fā)生在花崗巖、片麻巖、石英巖、灰?guī)r、大理巖、生長巖、閃長巖等巖石脆性較大的地質(zhì)構(gòu)造當中。另外，圍巖級別也在一定程度上會影響巖爆的程度，工作人員可以結(jié)合相關(guān)案例以及實際地質(zhì)條件，用圍巖級別判斷巖爆強度。
2特長隧道施工中存在的難點
2.1巖爆現(xiàn)象
隧道往往會在整個山體當中進行貫穿，在應(yīng)力以及巖性作用的影響之下，非常容易出現(xiàn)巖爆的情況，如果混合巖低段以及深埋低段大于200m，那么巖爆的發(fā)生率就會比較高，一旦存在巖爆的情況，不僅會對施工人員的人身安全造成比較嚴重的威脅，而且也會嚴重的影響施工質(zhì)量。
2.2涌水現(xiàn)象
涌水問題在高速公路的特長隧道當中也屬于一種比較常見的問題，這種現(xiàn)象會對施工人員的具體人身安全造成比較嚴重的影響。出現(xiàn)這種情況主要是由于在施工的過程當中對隧道的含水層進行了破壞，最終會使得水動力條件以及圍巖力學等情況出現(xiàn)了一定的變化，這種動力破壞會使得水涌現(xiàn)象出現(xiàn)，最終涌水問題會對隧道內(nèi)部的相關(guān)結(jié)構(gòu)造成比較嚴重的影響。
2.3塌方現(xiàn)象
如果在特長隧道當中存在沖溝、水庫以及水塘等，或者存在一定的溶洞以及裂縫等，就會非常容易出現(xiàn)塌方的情況，面對這種問題，在處理的過程中會實施支護設(shè)計以及管線布置，但是，施工難度是比較大的。
2.4巖溶問題
巖溶指的是水對于可溶性巖石存在化學溶蝕的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象一般出現(xiàn)于喀斯特地貌當中，如果在施工的過程中，遇到這些問題，會使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的裂縫，這樣以來，就會對防水效果造成比較嚴重的影響，與此同時巖溶也會對鋼筋起到溶蝕的作用，最終就會嚴重的影響施工。
3高速公路特長隧道施工巖爆的防治技術(shù)
3.1加強對高速公路特長隧道施工巖爆事故的預測
做好高速公路特長隧道施工之前現(xiàn)場施工條件施工環(huán)境以及地質(zhì)構(gòu)造的勘察，并做好準備工作是后續(xù)隧道施工活動可以順利穩(wěn)定開展的前提。工作人員需要加強對施工之前勘察工作的重視，明確巖爆事故發(fā)生的主要原因以及誘導因素，并采取針對性的措施進行解決和預防。工作人員可以采取典型的應(yīng)力強度筆法、彈性應(yīng)變能指數(shù)法等相關(guān)預測方法對巖爆發(fā)生情況進行預測，利用隧道洞壁最大切向應(yīng)力以及巖石單軸抗壓強度的比值，確定巖爆發(fā)生的力度。比值小于0.15時通常不會發(fā)生巖爆，二者比值如果大于0.15，低于0.25時，通常會發(fā)生中強度的巖爆。當二者比值大于0.25時，通常會發(fā)生比較強烈的巖爆。工作人員可以根據(jù)預測所得的結(jié)果采取針對性的預防措施，盡可能的避免巖爆所造成的大規(guī)模事故和人員傷害。
3.2做好施工過程的組織和管理工作
工程項目施工人員在進行施工過程中，必須要嚴格按照施工圖紙規(guī)劃以及施工方案開展施工，相關(guān)現(xiàn)場管理人員要做好施工組織工作，要求施工期間項目部負責人能夠24小時在掌子面值班，并建立起系統(tǒng)完善的安全監(jiān)控部門，做好施工人員的安全教育工作，提高施工人員的安全責任意識。在具體施工過程中，工作人員需要利用潛孔鉆機鉆出長度和直徑一定的超前鉆孔，從而能夠有效釋放出圍巖中的高地應(yīng)力。超長隧道施工進入到較強圍巖爆段后，工作人員需要組織及時調(diào)整開挖方法，先可以在斷面下部開挖寬度和高度為四米的下導坑，然后再逐漸擴大斷面，使得圍巖中的高地應(yīng)力可以提前釋放出來，避免施工過程中高地應(yīng)力短時間大規(guī)模的釋放而造成的巖爆現(xiàn)象，通過上述方式處理和預防之后施工過程中基本不會發(fā)生較強烈的巖爆問題。在開挖施工期間，為了防止施工過程中發(fā)生的巖爆事故，還需要提前做好護頂工作。首先，工作人員需要進行爆破開挖活動，利用薄鋼板進行防護，并使用噴射機械手將鋼纖維混凝土噴射到墻面、掌子面和拱面，并搭設(shè)邊墻上部的安全防護錨桿。同時，工作人員需要在掌子面上鉆出直徑和長度一定的孔，并注入高壓水，軟化圍巖，使得圍巖應(yīng)力可以得到快速的釋放，降低巖爆產(chǎn)生的烈度。
3.3改善圍巖物理力學性質(zhì)
在施工過程中，工作人員需要明確誘發(fā)巖爆的主要因素，并采取有效措施進行處理和解決。常用的預防高速公路特長隧道施工巖爆現(xiàn)象的主要措施包括爆破之前加裝底部炸藥，適當炸裂掌子面前方圍巖，使原有的圍巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫而誘導應(yīng)力提前釋放。同時工作人員也可以在爆破之后及時向掌子面以及附近圍巖噴灑高壓水，以降低附近溫度，從而可以避免圍巖在開挖之后發(fā)生過度膨脹現(xiàn)象。另外，工作人員還需要注意做好超前圍巖的應(yīng)力的調(diào)整，主要可以通過超前地應(yīng)力祛除爆破以及鉆設(shè)應(yīng)力釋放孔兩種方法進行應(yīng)力解除。超前地應(yīng)力祛除爆破是通過超前預爆破，使得掌子面前方隧道一定范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生裂縫，而調(diào)整原來比較高的對地應(yīng)力。通過改善已經(jīng)開挖或者準備開挖地段的坑道受力狀況，能夠有效避免巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，降低巖爆發(fā)生的烈度和影響。
3.4做好施工過程中的支護管理工作
巖爆事故是高速公路特長隧道施工過程中作為常見的事故之一，對工程項目順利可靠的建設(shè)以及施工人員的生命安全都會產(chǎn)生嚴重威脅，影響工程項目建設(shè)的經(jīng)濟效益。因此，需要做好對高速公路特長隧道施工巖爆防治技術(shù)的研究，通過防治結(jié)合的方法進行施工巖爆事故的處理和預防。首先，對于強烈?guī)r爆問題，工作人員需要事先在掌子面打超前錨桿，并通過開挖前方圍巖鎖定的方式進行應(yīng)力解除，要求錨桿的長度必須要大于開挖循環(huán)進尺的兩倍左右。其次，在掌子面放炮排煙之后，雖然可以通過預處理危石的方法避免巖爆事故，但是仍然會有比較大的危石，影響工作人員的安全。因此，工作人員可以隨機性的家打若干錨桿，保證施工的安全性和可靠性。另外，在放炮通風排煙找頂處理危石之后，工作人員要快速噴鋼纖維混凝土，保證巖面的平直和順滑，從而使結(jié)構(gòu)具有更大的柔性和抗剪能力。
3.5重視施工環(huán)境的管控
關(guān)于施工環(huán)境的具體管控，指的是對特長隧道工程周邊的建筑、水文地質(zhì)環(huán)境以及氣象環(huán)境等實施嚴格的監(jiān)管，關(guān)于對施工質(zhì)量造成影響的一些環(huán)境因素，一定要進行詳細的分析。在操作的過程中，一定要按照要求來完成水文地質(zhì)的具體調(diào)查，及時的發(fā)現(xiàn)施工環(huán)境以及施工方案之間存在的矛盾點，提前實施處理，這樣才可以保障特長隧道在施工的過程中具備安全性，耐久性以及穩(wěn)定性等，與此同時，要對氣象問題進行良好的把握，和具體氣象變化情況相結(jié)合，這樣才可以使得施工方案以及施工流程得到更好的完善，想要保障一定的施工進度，一定要對施工管理水平進行不斷的提高。
結(jié)語
綜上所述，公路特長隧道施工通常持續(xù)時間較長，涉及到的人員、設(shè)備、材料較多，在施工過程中難免會遇到巖爆問題，影響工程項目順利穩(wěn)定建設(shè)，需要加強對高速公路特長隧道施工巖爆現(xiàn)象的研究與探討，明確施工巖爆問題發(fā)生的主要原因和誘導因素，并采取針對性的措施進行解決和預防，保證工程項目施工可以正常推進，提高高速公路特長隧道施工項目的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1]解琦，魯志偉．山嶺隧道高地應(yīng)力巖爆處治分析[J]．公路，2018，63（7）：67-70.
[2]嚴鵬，陳拓，盧文波，等．巖爆動力學機理及其控制研究進展[J]．武漢大學學報（工學版），2018，51（1）：1-14，26.
作者：劉小冬 單位：中交四公局八公司