王博1 汤晓菲2
1.浙江杭甬复线宁波一期高速公路有限公司 浙江宁波 315100
2.浙江腾头园林股份有限公司 浙江宁波 315100
摘要：岩爆是处于较高地应力地区的岩体，由于工程开挖等活动导致其内部储存的应变能突然释放，或原来处于极限平衡状态下的岩体由于外界扰动的作用，开挖临空面围岩块体以猛烈的方式突然弹射出来或脱离母岩的一种动态力学现象。其对隧道施工的影响主要表现在恶化施工环境，对人员、设备及隧道初期支护造成损伤和破坏，增加了安全风险，降低施工效率。降低岩爆对隧道施工造成的安全风险已成为隧道施工的一个难题。本文以拉林铁路隧道岩爆施工为例，重点阐述隧道岩爆施工方案、工艺工法、影响施工的主要因素和预防岩爆发生的有效措施，旨在降低岩爆影响，改善了施工环境，安抚人心，使隧道施工进度、质量、安全和施工人员健康得到充分的保障。
关键词：拉林铁路；隧道；岩爆施工；综合技术
1.工程概况
拉林铁路桑加峡谷段、洞嘎～米林段隧道主要穿越花岗岩、闪长岩等硬质岩，且线路穿过地区新构造运动强烈、应力高度集中、多次岩浆侵入的地质环境存在高地应力，岩爆风险较大。根据预设计情况，有20座隧道可能发生岩爆，正洞岩爆段长125.7km，占隧道总长的58%。
2.岩爆施工原理及分类
2.1岩爆施工原理
岩爆施工主要根据地应力测试、岩爆预测预报提前预判岩爆可能发生的概率和强度等级；开挖后根据表观特征判定岩爆发生的强度等级；对后续段落采取针对性措施，如采取调整爆破方案，提高光面爆破效果；超前应力释放与爆破后等待相结合；应力有限释放与约束限爆相结合；人员和机械被动防护措施相结合等措施。改善施工环境，保障洞内作业人员及机械设备安全，以满足施工进度和施工质量的要求。
2.2岩爆分类
根据岩爆发生时的表观现象及岩石强度应力比，岩爆可划分为四个等级：轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、剧烈岩爆，判别标准见下表。
岩爆烈度分级及预判标准
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注：Rc为岩石单轴饱和抗压强度（MPa）；σmax为最大地应力（MPa）。
2.3岩爆发生的部位、时间及特点
2.3.1岩爆发生的部位
就目前岩爆发生统计，岩爆多发生在拱腰及边墙，拱顶和掌子面较少，偶尔也会在底板发生。
2.3.2岩爆发生的时间
隧道各工序施工时，岩爆在未发生前并无明显的预兆和规律（虽然经过仔细找顶排险并无空响声）。岩爆发生主要集中在爆破后2～6h，开挖过程、出渣过程，甚至喷锚支护以后均会发生，有时甚至开挖支护一星期后或半个月后仍会发生。
2.3.3岩爆发生的特点
岩爆发生时呈棱片状、薄片状、块状和板状剥落、弹射和飞出，甚至是爆炸式喷出，同时伴随劈啪声和清脆的爆裂声，零星间断或持续时间较长（出现最长时间达20余小时）。岩爆不仅发生在地质较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩段落，也会发生在构造应力集中的破碎带地段。
2.4岩爆对隧道工程的影响
岩爆对隧道工程的不利影响主要表现在：⑴对施工现场作业人员造成损伤及产生畏惧心理，甚至不敢进洞施工，施工人员更换频繁。⑵对钻孔台车、湿喷机、挖机、装载机、自卸车等施工机械造成损坏，维修和更换设备的频率增加，严重的甚至将开挖台架弹起。⑶岩爆严重地段，伴随有垮塌现象，安全风险大。⑷岩爆发生时，作业人员及设备均应及时躲避一段时间，待岩爆平静为止方可继续施工。岩爆产生的爆坑、超挖、垮塌以及支护后二次发生部位，均须特殊处理，甚至停工处理，严重影响施工进度。
3.施工工艺流程及操作要点
3.1隧道岩爆段施工工艺
隧道岩爆段施工工艺流程如图1所示。
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图1 隧道岩爆段施工工艺流程图
3.2隧道岩爆段施工措施
3.2.1轻微岩爆
①开挖：开挖每循环宜控制在3m，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。
②喷洒高压水：每循环在掌子面和洞壁喷洒高压水，降低围岩应力。
③支护：
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3.2.2中等岩爆
①开挖：开挖每循环宜控制在3m，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。
②喷洒高压水：每循环在掌子面和洞壁喷洒高压水，降低围岩应力。
③清理岩面危石；拱墙初喷5cm厚CF25钢纤维混凝土（钢纤维掺量25kg/m3）或C25合成纤维混凝土（合成纤维掺量25kg/m3）；拱墙挂设φ6钢筋网，网格间距25×25cm；拱墙设置3m长YE25-5涨壳式预应力中空锚杆，锚杆间距1.0×1.0m，交错布置，安装时，锚杆垫板要将钢筋网压住再喷射砼；复喷C25混凝土5cm。
④爆坑处理：对岩爆发生段落产生的爆坑，爆坑深度≤50cm的采用同标号喷射砼回填处理；爆坑深度＞50cm的采用C20砼回填处理；爆坑范围较大的是否采取立架等特殊处理措施由四方现场确认；处理爆坑发生工程数量由现场监理进行签认，并附爆坑处理前后照片。
3.2.3强烈岩爆
①超前钻孔：掌子面沿拱墙开挖轮廓周边线施作Φ76超前应力孔提前释放应力，降低岩体能量，超前应力释放孔环向间距1.5m，纵向间距20m，单孔长度25m，孔内注高压水劈裂释放应力或在应力释放孔底弱爆破松动岩体提前释放应力。
②开挖：开挖每循环宜控制在2m，尽可能全断面开挖，一次成型，减小对围岩的扰动。
③喷洒高压水：每循环掌子面和洞壁喷洒高压水，降低围岩应力。
④施作Φ25超前锚杆，环向间距0.5m，纵向间距2m，单根长3.5m。
⑤清理岩面危石；拱墙初喷5cm厚CF25钢纤维混凝土（钢纤维掺量25kg/m3）或C25合成纤维混凝土（合成纤维掺量25kg/m3）；拱墙挂设φ6钢筋网，网格间距25×25cm；拱墙设置4.0m长YE25-5涨壳式预应力中空锚杆，锚杆间距1.0×1.0m，交错布置，安装时，锚杆垫板要将钢筋网压住再喷射砼；架设拱墙Ⅰ14型钢拱架，纵向间距1m；复喷C25混凝土厚17cm。
⑥爆坑处理：对岩爆发生段落产生的爆坑，爆坑深度≤50cm的采用同标号喷射砼回填处理；爆坑深度＞50cm的采用C20砼回填处理；处理爆坑发生工程数量由现场监理进行签认，并附爆坑处理前后照片。
3.2.4剧烈岩爆
发生剧烈岩爆时，需进行专项研究，采取特殊处理措施。
3.2.5人员及机械设备防护
⑴人员防护：掌子面所有施工及管理人员佩戴安全防护用品。
⑵机械设备：对主要施工设备采取设置防护网、防护钢板等安全防护措施。
⑶掌子面开挖台架安装钢板或防护网，或是设置移动防护棚架。
3.2.6其它措施
⑴加强现场岩爆监测、警戒及巡回找顶，必要时及时躲避。设置专职安全人员全天侯巡视警戒及监测。听到围岩内部有闷雷似的声响时，应尽快撤离人员及设备，每次岩爆发生时，作业人员及设备均应及时躲避一段时间，待岩爆平静为止。
⑵加强超前地质预报和地应力测试工作，现场配备专业地质工程师，准确判释掌子面前方围岩特性，力争提前预判岩爆等级，提前采取针对性措施。
⑶严格控制每循环进尺，加强钻爆控制，提高光面爆破效果；尽可能采用全断面开挖，一次成型，必要时也可采用上下台阶法开挖。
⑷严格控制超欠挖，保证开挖面的圆顺和平整度，减少临空面，降低岩爆发生的机率。
⑸每个工作面安装监控摄像装置，清晰记录岩爆发生的现象。
⑹强化作业人员安全、纪律教育以及岩爆常识、防护知识学习；严格执行有关技术和安全操作规程；危险地段增设照明并设置醒目警示标志；施工人员佩戴防护用品；架设设备防护栅网；加强监测等。
⑺加强机械化配套施工，减少作业人员，降低安全风险。
⑻施工前做好应急演练，施工现场做好应急材料储备工作。
3.3工序控制要点
3.3.1全断面开挖
全断面法施工采用三臂凿岩台车或多功能作业台架钻孔，隧道全断面上一次起爆。施工中合理调整工序，实行“钻爆、装碴、运输”机械化一条龙作业。围岩稳定性好时复喷砼作业与钻爆作业拉开距离平行作业。
全断面法施工示意及流程见下图2。
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图2全断面开挖工艺流程图
⑴保证钻孔质量措施
钻孔时，由爆破设计技术员统一指挥协调，实行定人、定位、定机、定质、定量的“五定”岗位责任制；分区按顺序钻孔，避免相互干扰、碰撞、拥挤；固定钻孔班，以便熟练技术，掌握规律，提高钻孔的速度和准确性。
⑵光面爆破设计
采用三臂凿岩台车或多功能作业台架人工风枪钻孔，光电毫秒雷管微差起爆。由于现场围岩地质结构千变万化，爆破参数要现场进行动态调整。每一循环爆破作业都要由有经验的爆破工程师根据上一循环爆破效果，以及本循环围岩特征进行适当调整。光面爆破设计工艺流程见图3。
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图3光面爆破设计流程图
按各断面炮孔爆破设计装药量装药联线，现场采用φ40mm直径药卷不耦合装药方式，其余炮眼采用连续装药，富水地段采用乳化防水炸药，爆破材料采用1～17段非电毫秒雷管和塑料导爆管起爆，孔内放置水袋（采用水压光面爆破技术），炮眼用炮泥堵塞，导爆管复式网路联接，各部一次起爆。
3.3.2锚杆施工
(1)砂浆锚杆施工：
①锚杆钻孔：隧道锚杆采用风动凿岩机成孔，锚杆钻孔利用开挖台阶搭设。
简易台架施钻，按照设计间距布孔；钻孔方向尽可能垂直结构面或初喷砼表面；锚杆孔比杆径大15㎜，深度误差不得大于±50mm；成孔后采用高压风清孔。
②砂浆锚杆注浆及安装：A、锚杆注浆安装前须先做好材料、机具、脚手平台和场地准备工作，注浆材料使用硅酸盐或普通硅酸盐水泥，粒径小于2.5mm的砂子，并须过筛，胶骨比1：0.5～1：1，水灰比0.38～0.45，砂浆标号不小于M20。B、砂浆锚杆作业具体操作是：先将水注入泵内，并倒入少量砂浆，初压水和稀浆湿润管路，然后再将已调好的砂浆倒入泵内。将注浆管插至锚杆眼底，将泵盖压紧密封，一切就绪后，慢慢打开阀门开始注浆。在气压推动下，将砂浆不断压入眼底，注浆管跟着缓缓退出眼孔，并始终保持注浆管口埋在砂浆内，以免浆中出现空洞，将注浆管全部抽出后，立即把锚杆插入眼孔，然后用木楔堵塞眼口，防止砂浆流失。C、锚杆孔中必须注满砂浆，发现不满须拨出锚杆重新注浆。注浆管不准对人放置，以防止高压喷出物射击伤人。D、砂浆应随用随拌，在初凝前全部用完，使用掺速凝剂砂浆时，一次拌制砂浆数量不应多于3个孔，以免时间过长，使砂浆在泵、管中凝结。E、锚注完成后，应及时清洗，整理注浆用具，除掉砂浆凝聚物，为下次使用创造好条件。
(2)涨壳式预应力中空锚杆施工：
①构造原理：涨壳式预应力中空锚杆构造由钢质涨壳锚头、中空锚杆体、垫板、螺母、注浆管、
必要时还可以设置止浆塞组成。
A：中空锚杆体：为全螺纹中空锚杆体。根据锚杆安装方式具注浆和排气的功能。
B：涨壳锚头：用高强度钢材制成，通过内楔和涨壳夹片组成。属于机械点锚式锚固体系。
C：垫板螺母：是紧固件和传递荷载的构件。垫板上带注浆（或排气）孔。
D：注浆（或排气）管：塑料管一端深入钻孔由一端留在洞外。根据锚杆安装方式（上向安装或向下安装时）与中空锚杆配合使用具注浆或排气道的功能。
②施工方法步骤
图4 涨壳式预应力中空锚杆安装示意图
A：钻孔：用凿岩机在地层中钻孔，为使钻孔直而钻径精确，请使用十字钻头钻孔。其他钻头易扁曲，造孔不准，影响涨壳锚力及锚杆安装。
B：在吹净钻孔道后，将安装涨壳锚头锚杆插入孔道，一端安上安装工具，工厂配合提供的钎尾，并接上凿岩机，开动凿岩机，通过其冲转力使涨壳锚头在孔道底部充分涨开（一般以凿岩机无法转动为止即可）
C：卸去凿岩机或钎尾，安装垫板，螺母及注浆管。
D：注浆：注浆质量是永久支护锚杆耐久性的关建。
注浆材料：建议纯水泥浆，水灰比W/C＝（0.35～0.45）：1。W/C值小时，水泥浆的收缩率少。故根据实际情况选择W/C值。（警告不能使用水泥砂浆！）
注浆设备：使用注浆压力1～1.5MPa的螺杆泵型注浆，在孔口设置止浆塞向上安装时，按图示式用水泥浆。该注浆泵能用极浓浆（W/C=0.35：1），以提高注浆体与孔壁之间的饱满度，减少浆体的收缩率，当W/C值小于0.4时可控制浆体固结后收缩率小于1％。
注浆时应将初步拌和的水泥浆放入注浆泵的进料器中。开动泵工作后，注浆前建议将进料器中的全部浆液通过泵泵回到进料器中，使泥浆体通过泵充分拌和后再行锚杆注浆。这样浆液和易性很好，注浆效果好。
锚杆特定的向上注浆和向下注浆功能提高了锚杆注浆的可靠性。当锚杆向上安装时，即如向隧道拱部安装时，注浆液从注浆管进浆，浆体逐渐充溢钻孔并向上流动。注浆体从涨壳锚头尾端进浆。此时中空锚杆体的空腔成为排气道。
当锚杆向下安装时，中空锚杆体为进浆道，塑料管为排气道，注浆时，浆体从涨壳锚头底部出浆，并逐渐充溢钻孔道。浆体从塑料管流出，并保持约30s的压力时停止注浆。
③注意事项
锚杆的施工质量与下列因素有关：A：钻孔：使用不适合的钻头或操作不规范，即将导致孔道孔径不准，孔道不直，影响锚杆安装及涨壳锚头的锚固力。B：孔道与岩石支承面的垂直度：孔道应尽量与岩石支承面垂直，以利垫板受力。C：预应力：应严格按扭矩G与预紧力P对应值进行预应力。D：注浆：合适可靠的注浆设备和水泥浆水灰比是使锚杆注浆饱满的主要因素。
3.3.3钢筋网施工
⑴钢筋网片加工：①钢筋网片采用HPB300级Φ6钢筋焊制，在钢筋加工场内集中加工。先用钢筋调直机把钢筋调直，再截成钢筋条，钢筋网片尺寸根据拱架间距和网片之间搭接长度综合考虑确定。②钢筋焊接前要先将钢筋表面的油渍、漆污、水泥浆和用锤敲击能剥落的浮皮、铁锈等均清除干净；加工完毕后的钢筋网片应平整，钢筋表面无削弱钢筋截面的伤痕。
⑵成品的存放：制作成型的钢筋网片必须轻抬轻放，避免摔地产生变形。钢筋网片成品应远离加工场地，堆放在指定的成品堆放场地上。存放和运输过程中要避免潮湿的环境，防止锈蚀、污染和变形。
⑶挂网：按设计图纸的位置挂设加工好的钢筋网片，钢筋网片随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于先期施工的系统锚杆之上，再把钢筋网片焊接成网，网片搭接长度为1～2个网格。
3.3.4喷锚施工
⑴作业准备：①喷射前应对受喷岩面进行处理。一般岩面可用高压水冲洗受喷岩面的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时，宜采用高压风吹净岩面。若为泥、砂质岩面时应挂设细钢筋网（网格宜不大于20×20mm、线径宜小于3mm），用环向钢筋和锚钉或钢架固定，使其密贴受喷面，以提高喷射混凝土的附着力。②设置控制喷射混凝土厚度的标志，一般采用埋设钢筋头做标志，亦可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设一根，作为施工控制用。③检查机具设备和风、水、电等管线路，湿喷机就位，并试运转。
⑵技术要求：①喷射混凝土必须满足设计的强度、厚度及其与岩面粘结力。②喷射作业应分段分片依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。③分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。④喷射混凝土的一次喷射厚度边墙不超过10cm，拱部不超过6cm。⑤初喷混凝土在开挖后及时进行，复喷应根据掌子面地质情况和一次爆破药量分层、分时段进行喷射作业，以确保喷射混凝土的支护能力和喷层的设计厚度；喷射混凝土终凝后3h内不得进行爆破作业。⑥喷射混凝土拌合物的停放时间不得大于30min。⑦喷嘴宜与喷射面垂直，其间距宜为1.5～2.0m；喷嘴应连续、缓慢作横向环行移动，喷层厚度均匀。⑧喷射在岩面上的混凝土表面应无滑移下坠现象。当表面有松动、开裂、下坠、滑移等现象时，应及时清除重喷。⑨喷射完成后应检查喷射混凝土的回弹率和实际配合比。喷射混凝土的回弹率：则壁不应大于15%，拱部不应大于25%。⑩喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面粘结情况，可用锤敲击检查。当有空敲、脱壳时，应及时凿除，冲洗干净进行重喷，或采用压浆法充填。
⑶施工程序
施工准备→受喷面处理→埋设喷层厚度标钉→机具到位→接通风水电，试机→初喷混凝土作业→复喷混凝土作业→质量检验→结束
3.3.5超前锚杆施工
⑴作业准备：根据设计及锚杆类型，规格及围岩情况准备钻孔机具。
⑵技术要求：①主要用于强烈岩爆地段，其纵向搭接长度不小于1.5m。②锚杆环向间距30cm～50cm；③倾角：外插角10°～15°，可根据实际情况调整；④注浆材料：水泥浆或水泥砂浆；⑤设置范围：拱部144°范围。
3.3.6钢架施工
①作业准备：检查钢架类型，规格，质量及其性能是否与设计相符。根据钢架类型，规格及围岩情况准备作业机具。
②技术要求：安装前应清除底脚下的虚碴及杂物，钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度误差为±2℃.各节钢架间以螺栓连接，连接板应密贴。沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或混凝土预制块楔紧。钢架底脚应置于牢固的基础上。钢架应尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固，钢架之间应按设计纵向连接。
4.结语
隧道岩爆段落施工过程中，轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的岩爆发生时，岩体中积聚的能量突然释放导致岩石破坏，并将破碎岩石弹射出来，造成掌子面附近的严重破坏、设备损坏和人员伤亡。因此，必须采取科学合理的施工方法，加强岩爆防治，确保施工人员与设备的安全。
参考文献：
[1]当前我国高地应力隧道支护技术特点及发展趋势浅析[J]. 汪波，郭新新，何川，吴德兴.现代隧道技术. 2018（05）