岩爆分析（精选八篇）
岩爆分析 篇1
关键词：岩爆倾向性,层次分析法,模糊数学
岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中,硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力重新分布,储存于岩体中的弹性应变能突然释放,因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。文中在前人研究成果的基础上,对岩爆倾向性指标之间的关系进行了评价,并利用层次分析法和模糊数学方法对多判据进行分析,可以更为科学可靠地预测岩爆的倾向性及强度。
1 模糊综合评价指标的确定
岩爆的产生与岩性条件、应力条件、围岩条件和能量条件等因素有关,针对影响岩爆发生的一些主要因素,学者们提出了相应的判断准则。其中主要有与岩性条件有关的岩石脆性指标、脆性系数、岩爆倾向性指数等,与应力条件有关的应力指数、应力系数、Turchaninov准则等,与围岩条件有关的岩爆强度系数、岩体质量指标RQD、围岩类别等以及与能量条件有关的等。
2 用层次分析法确定指标权重
从影响岩爆发生判据的岩性条件、应力条件、围岩条件和能量条件4个方面选出具有代表性的13种岩爆判据和影响因素[3],并建立层次结构模型,如表1所示。
2.1 标度划分
用Satty的9标度法,将复杂的定性问题量化处理,对指标的重要程度进行标度划分,含义见表2[2]。
2.2 构造判断矩阵(见表3)
2.3 用特征向量法确定权重
应力条件、围岩条件和能量条件的权重向量,以及准则层相对于目标层的权重向量分别见表4～表7。
2.4 判断矩阵的一致性检验
一致性检验是检查评估专家在判断过程中思维是否保持一致,是否出现诸如X>Y,Y>Z,而Z>X此类的错误。检验方法为:引入一致性比率参数CR=CI/RI,其中,判断矩阵一致性指标CI=(λ-n)/(n-1),判断矩阵最大特征值
以岩性条件为例:
λ1=3.017 6,同理,λ2=3.018 5,λ3=3.018 7,λmax=3.018 3。
CR=CI/RI=0.009 15/0.58=0.015 7<0.10。
当CR<0.10时,认为判断矩阵具有满意的一致性,否则需要重新对两两比较的标度值进行调整。
同理判断其他判断矩阵的最大特征值和一次性指标:
应力指标:λmax=3.135 6;CR=CI/RI=0.067 8/0.58=0.011 7<0.10。
围岩指标:λmax=3.053 6;CR=CI/RI=0.025 6/0.58=0.044<0.10。
能量指标:λmax=4.143 1;CR=CI/RI=0.047 7/0.90=0.053<0.10。
一级指标:λmax=4.020 6;CR=CI/RI=0.007 0/0.90=0.007 6<0.10。
由以上数据CR可知,一级、二级指标全部通过一致性检验。
3 岩爆预测模糊综合评价模型
3.1 建立评价集
岩爆预测是一项多因素且包含模糊现象的评价工作,适宜应用模糊数学的方法进行综合评价。首先对定性指标采用模糊数学的语言差别隶属度赋值方法,建立评价集V=(V1,V2,V3,V4)。其中,V1,V2,V3,V4为对应将岩爆倾向性设定4个评语等级:无岩爆、弱岩爆、中等岩爆、强烈岩爆。
对13个判据的岩爆发生程度进行了分级,以此为依据,文中将个别判据分级界限进行适当调整,统一将岩爆程度划分为4级,则评价集为(无岩爆,弱岩爆,中等岩爆,强烈岩爆),与各影响因素相对应的4个等级界限值见表9。
3.2 层次分析——模糊综合评价
对各评价指标值进行统计分析,根据其分布特点,选取的各评价指标对岩爆发生程度4级划分的隶属函数为k次抛物线型模糊分布,标准方程如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中,U1(xi),U2(xi),U3(xi),U4(xi)为指标xi对4个级别岩爆可能性的隶属度;xi为第i个因素的指标值;ai,bi,ci均为第i个因素指标的分界值。
通过室内试验和现场分析测试确定综合评价所需的13个影响因素及判据的对应值,分别代入上面4个式子中,即可求得13个因素及判据的模糊关系矩阵U。将模糊关系矩阵U与通过层次分析法计算得到的权矩阵W按加权平均算法合成,得到综合评价集B,再按最大隶属度原则,即可对某工程中是否发生岩爆以及岩爆发生强度进行综合评价。
4 结语
运用层次分析和模糊数学的方法对岩爆倾向性进行评价,采用了定量与定性分析相结合的评价方法,评价结果有充分的理论依据,具有科学性和合理性。对岩爆判据多因素进行多极模糊综合评价,可以更加清楚地看到各个因素之间的关系和相对重要程度,从而更加有利于进一步的研究。模糊评价方法的统计和计算工作可以利用计算机进行程序化操作,具有广泛的通用性。岩爆倾向性评价是岩爆预测的重要内容,评价的目的在于最大可能地掌握岩爆的规律,为岩爆预测奠定基础。
参考文献
[1]姜繁智,向晓东,朱东升.国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势[J].工业安全与环保,2003,29(8):32-33.
[2]许成鹏.基于层次分析和模糊数学方法的高校教师绩效评价[J].黑龙江教育,2007(3):18-20.
[3]杨健,武雄.岩爆综合预测评价方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3):45-46.
岩爆分析 篇2
关键词：隧道；岩爆
1引言：岩爆是指地下隧道岩体中聚集的弹性变形能在短时间内释放出来并使岩块弹射而出的现象。
2秦岭隧道岩爆的表现特征
根据现场调查，按岩爆的强烈程度可把岩爆分为轻微、中等和强烈三级。轻微岩爆 28 段（总长为1124 m），多呈小规模零星分布，以破裂剥落型为主；中等岩爆 11 段（总长为 650 m），呈较大规模的连续分布，为弹射型和破裂剥落型；强烈岩爆 4 段，累计长度为 120 m，呈大规模连续分布，为强烈弹射型，并造成围岩大面积开裂失稳。从发生岩爆的岩性看，所有 43 段岩爆中，除一段（10 m）发生在混合花岗岩中，其余岩爆均发生在混合片麻岩中。混合片麻岩片麻理构造较发育，节理不发育至较发育，岩体多呈巨块状整体结构或大块状砌体结构，几乎所有岩爆段的岩体都呈干燥无水状态。从岩爆段的垂直埋深看，最大埋深为 1 615 m，最小埋深仅 50 m，但 4 段强烈岩爆深埋都在 900 m以上，轻微和中等岩爆可发生在任何埋深。岩爆在隧道断面上主要分布在两侧拱部，個别段发生在两侧边墙，4 段强烈岩爆发生在整个断面。
3太平驿隧洞中的岩爆现象及特征
太平驿引水式水电站位于四川省汶川县境内，引水隧洞沿岷江左岸布置，全长10.5km，成型洞泾9m。隧洞沿线山体雄厚，地势陡峻，河谷深切，洞室埋深200-600m，施工区地处龙门山断折带中段，茂汶断裂与映秀断裂围限的断块上。断块山主体由晋宁-澄江期岩浆岩组成。地震基本烈度为VII度。在隧道工程局中标的二工区施工段内，隧洞围岩主要为花岗岩和花岗闪长岩，岩体完整新鲜，岩质坚硬。实测资料表明该地区属高地应力区，最大主应力31.3Mpa，其方向基本上垂直于河流流向，倾角7°，中间主应力17.8Mpa，约平行于河流流向，倾角64°，最小主应力10.4Mpa。
4国内外工程实例
4.1国内工程实例
国家近年来在我国西南和西北地区，修建了许多大型水电站，通常由于地应力较高，地下厂房和引水隧洞中常发生岩爆。（见表一）
4.2国外工程实例
岩爆常发生在埋深大的工程中。自重应力引起的地应力较大，围岩切向应力也较大。但瑞典Forsmark核电站引水隧洞仅在地下5-10m处也发生了岩爆。因为该处的水平地应力最大可至30Mpa.
5结论
（1）岩爆剧烈程度并不是简单地随着埋深的增大而加强，即并不是呈简单的线性关系；
（2）发生岩爆的岩石种类绝大多数为花岗岩一类的硬质岩，少数会出现大理岩等。
参考文献
[1]谷明成，何发亮，陈成宗.秦岭隧道岩爆的研究，岩石力学与工程学报，2002.9 21（9）：1324～1329
[2]周德培，洪开荣.太平驿隧洞岩爆特征及防治措施，岩石力学与工程学报，1995.6 14（1995）：171～178
[3]王元汉，李卧东，李启光，徐钺，谭国焕.岩石力学与工程学报1998.10 17（5）：493～501
岩爆分析 篇3
平安隧道5号横洞开挖施工过程中频繁发生强烈岩爆,导致施工人员产生较大的心理恐慌情绪。本文通过统计分析5号横洞施工过程中岩爆规律和特征,提出岩爆防治措施,从而为类似隧洞开挖施工和岩爆防治提供借鉴。
1 工程概况
平安隧道位于龙塘车站～太平车站区间,全长28.4km,最大埋深为1720m。5号横洞与正洞交于D8K161+650,全长2699m,坡度为2.5%。,所在区域属构造剥蚀深切割高中山峡谷地貌,穿过三叠系石英砂岩夹炭质千枚岩、结晶灰岩夹砾岩,围岩节理裂隙发育,岩体较破碎,洞身埋深为800m,最大、最小水平主应力分别为20MPa、13MPa,横洞断面为马蹄形,宽7.5m,高6.2m,Ⅲ级围岩采用全断面法开挖,Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法施工,洞口段及交叉口段采用模筑衬砌,其余采用锚网喷衬砌。洞口段设置1环大管棚,采用Φ89钢管,壁厚6mm,共23根,每根长25m;洞身V级围岩段设置Φ42超前小导管,3m一环,每环21根,每根长4.5m;隧道拱部及边墙均采用Φ22mm砂浆锚杆。初期支护喷射等级C25混凝土,且24h强度不低于10MPa;二次衬砌采用C30耐腐蚀混凝土。
2 岩爆特征分析
2.1 岩爆规律
平安隧道5号横洞埋深大、地应力高、围岩强度较高,施工过程中隧道掌子面周边岩爆活动频繁,多次发生岩爆现象。从发生时间来看,初爆后、初喷后、锚喷支护完后均发生过不同程度的岩爆;从发生位置来看,拱顶、拱腰、拱脚都发生过岩爆现象;从岩爆烈度来看,多为强烈、中等岩爆。其中几次典型岩爆发生在5号横洞HD5K1+236-HD5K1+233段、HD5K1+230～HD5K1+228段HD5K1±245段、HD5K1+295段。
根据对5号横洞施工过程中发生的岩爆现象的统计分析,岩爆呈现一定的规律性:
1)初爆后。HD5K1+236～HD5K1+233段爆破后成型效果较好,但随即发生强烈岩爆,不断有石块掉下,拱顶爆坑深度最大为3m,爆块尺寸最大达到长1.5m、宽0.6m、高0.4m,岩爆塌方量达30m3。图2为初爆岩爆现场照片。
2)初喷后。HD5K1+230～HD5K1+228段初喷后,掌子面右侧发生强烈岩爆,整个拱顶滑落,锚喷支护面受损,弹落岩石砸在台架上,如图3所示。
3)初支后。HD5K1+245段、HD5K1+295段在初期支护后掌子面右侧顶角至右侧拱脚剧烈震动,发生中等岩爆,出现宽约3cm的裂缝(见图4),拱顶部分混凝土、岩石崩落,锚杆失效。
上述3个阶段发生岩爆的位置均在掌子面附近,横洞拱顶、两侧边墙及拱脚都曾发生,其中两侧边墙、拱脚发生岩爆偏多,并且岩爆段横洞围岩均为变质石英砂岩夹炭质千枚岩。强烈岩爆发生后,岩石崩射,支护系统损毁,甚至引起大量岩体坍塌。
2.2 岩爆特征
根据对上述3个阶段发生岩爆的规律进行分析,发现岩爆具有如下特征:
1)岩爆发生前,无明显预兆,找顶过程中无空响声的位置也会突然发生岩石爆裂声响,出现明显的岩爆现象。
2)岩爆发生时,由母岩弹出的石块呈现中间厚、周边薄、不规则的片状。
3)岩爆多发生在新开挖掌子面或其附近,个别距开挖工作面较远,多发生在爆破后2～3h内,个别部位在爆破后10～12h内发生二次岩爆。
3 岩爆防治技术
3.1 防治措施
根据目前对岩爆机理的认识,岩爆是开挖施工过程中围岩产生应力集中或积聚应变能发生的一种动力现象,其中应力集中或积聚应变能是岩爆发生的动力因素,而开挖施工扰动是岩爆的诱发因素。因此,岩爆防治措施应能够减小施工扰动或降低应力集中程度、减少应变能积聚,从而控制岩爆发生或减小岩爆强度。具体措施:
1)提高光面爆破效果。保证洞室轮廓规则圆顺,减少岩壁上表面聚能结构的数量,避免表面凹凸不平而引起的应力集中和能力集聚;同时缩短爆破进尺;并严格控制装药量(降低扰动),以尽可能减少爆破对围岩的影响。
2)软化岩爆部位岩石。爆破前在掌子面上打孔(也可以利用炮眼和锚杆孔)向深部岩体注水,使水渗透到岩体内部空隙中,能起到降低岩石强度和弹性模量的效果,提高岩体的塑性变形能力,这一方法能达到较好的减缓、减轻岩爆的效果。爆破后立即对围岩喷洒高压水,软化岩石,降低强度,减弱脆性的目的,以减弱岩爆强度。
3)释放应变能。选用预先释放部分能量的办法,如松动爆破法、超前钻孔预爆法、超前小导坑掘进法、打应力释放孔等方法,将岩石原始应力释放。
4)加强支护。在爆破出碴后立即对开挖面喷射混凝土封闭断面,再进行锚网支护,围岩条件较差时再架立钢拱架和打超前锚杆进行支护。为了快速达到支护效果,锚杆采用涨壳式或中空锚杆临时支护,在极强烈岩爆地段,掌子面也采用喷5cm钢纤维混凝土进行临时封闭,以防岩体弹射砸伤施工人员。
3.2 分段防治思路
根据爆破后岩爆发生的时间,可将岩爆发生阶段分为活跃期、过渡期、缓和期和平静期等4个阶段。由于每个阶段的岩爆特征不同,应分段开展岩爆防治。
1)活跃期。通常认为爆破后1 h内是岩爆活跃阶段,也是围岩应力快速调整阶段,发生岩爆的可能性最大。在该阶段可通过不间断的向掌子面及其后方15m范围内隧道围岩喷洒高压水,提高围岩湿润度,软化岩石,降低岩石脆性和减弱岩爆强度。
2)过渡期。通常认为爆破后1～3h是岩爆过渡阶段,也是围岩应力二次调整阶段,发生岩爆的可能性较大。在该阶段可通过开展岩爆监测、现场警戒,减少岩爆危险区作业人员,控制设备进入掌子面后方30m范围内,从而减小岩爆造成的损害。
3)缓和期。通常认为爆破后3～6h是岩爆缓和期,应力调整基本完成,发生岩爆可能性降低。在该阶段可开展掌子面找顶、锚喷支护作业。在拱顶和拱腰位置按梅花布置方式施工锚杆,绑扎钢筋网,对掌子面后方喷射混凝土。
4)平静期。通常认为爆破后6～12h是岩爆平静期,应力调整完成,围岩已积聚应变能,若阶段存在扰动,也可能诱发应变能急剧释放,从而发生岩爆。因此,在该阶段应采取措施释放围岩内积聚的应变能。通常在靠近掌子面5m范围的拱顶和拱腰部位打径向应力释放孔,孔内不安装锚杆;对于岩爆多发的起拱线部位,在掌子面相邻的两周边眼中间沿隧道纵向打应力释放孔,外插布置,每环相扣,以起到提前释放围岩应力的作用。
另外,岩爆危险隧道施工过程中应采取“短进尺、多循环”的开挖作业方式,减少装药量,控制进尺,从而降低应力集中程度和开挖扰动;及时对隧道围岩喷射混凝土,加强爆坑部位支护(见图5),降低岩爆危害。
5 结语
岩爆分析 篇4
白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内, 距巧家县城45km, 电站上接乌东德梯级, 下邻溪洛渡梯级。水电站左岸布置3条导流隧洞, 导流隧洞进口底板高程585.00m, 出口底板高程579.00m。其中1#导流洞开挖长度2007.63m, 纵坡0.762%;2#导流洞开挖长度1791.31m, 纵坡0.851%;3#导流隧洞开挖长度1584.82m, 纵坡0.947%。导流洞洞身开挖断面为城门洞形, 衬砌后断面尺寸为17.5m×22m (宽×高) , 开挖断面尺寸有宽×高分别为:进口渐变段22.50m~28.50m×27.00m、19.70m×24.20 (24.38) m、20.50m×25.00 (25.16m) 、21.50m×26.00m, 共计7种类型。
1#导流洞上覆岩体厚度30m~395m, 水平埋深0~705m, 其中埋深大于300m约占总段长32%, 最大埋深395m。2#导流洞上覆岩体厚度50m~377m, 水平埋深0~765m, 其中埋深大于300m的约占总段长28%, 最大埋深377m。3#导流洞上覆岩体厚度58m~349m, 水平埋深0~825m, 其中埋深大于300m的约占总段长22%, 最大埋深349m。导流洞地质条件复杂, 断层、层内、层间错动带发育;玄武岩柱状节理分布广泛;埋深较深, 地应力较大, 岩爆频发。
2 岩爆发生的机理分析
2.1 岩爆形成的原因
岩爆是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放, 导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆常表现为声响、片状剥落、片帮坍塌, 岩片弹射、能量猛烈释放、洞室豁然破坏, 给地下洞室施工的质量、安全、进度、成本带来一定风险。岩爆的发生主要由两方面形成, 一方面:岩石自身组成类型及特性, 岩石按成因分为岩浆岩 (火成岩) 、沉积岩 (水成岩) 和变质岩三大类。岩浆岩又分为:侵入岩 (深成岩、浅成岩) 和喷出岩, 其中深成岩岩性单一, 致密坚硬, 透水性弱, 抗水性强, 岩石自身稳定强, 如花岗岩、辉长岩等。而喷出岩一般呈原生孔隙和节理发育, 产状不规则, 岩性不均一, 抗风能力差, 岩石自身稳定性差, 如玄武岩、火山碎屑岩等。另一方面:地下洞室施工对地应力重新分布, 围岩应力集中, 在洞壁平行于最大初始应力σ1的部位, 切向应力梯度显著增大, 洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力, 尤其埋深较大围岩这种应力的作用强, 首先产生环向的张裂或劈裂, 进而发生剪切破坏。围岩自身稳定性较差时, 岩块被剪断, 且又具有较高的剩余能量时, 致使岩块发生弹射, 完成弹性势能向动能的转换, 即形成岩爆。
2.2 岩爆发生时的特征
根据前期导流洞一期导洞开挖情况, 导流洞围岩地质情况如下特征:
2.2.1 围岩坚硬新鲜完整, 裂隙极少或仅有隐裂隙, 且具有较高的脆性和弹性, 能储存能量, 而其变形特征属于脆性破坏类型, 导流洞以玄武岩柱状节理为主。
2.2.2 平均埋深较大 (洞身段一般埋藏深度大于300m) 且远离沟谷切割的卸荷裂隙带。岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面1~3倍洞径范围内, 个别的也有距新开挖工作面较远。
2.2.3 地下水较少, 岩体干燥。在岩爆未发生前, 无明显征兆, 当应力集中达到一定值时, 突然发生岩石爆裂声响, 石块弹射、坍塌。
2.2.4 开挖断面形状不规则或断面变化造成局部应力集中的地带。岩爆时围岩破坏的规模, 小者几厘米厚, 大者可达数吨重。小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的鱼鳞片状脱落, 脱落面多与岩壁平行。
3 岩爆发生的治理
3.1 岩爆的预测
岩爆的预测是导流洞工程施工中的重要步骤, 主要采取了以下预测措施:
3.1.1 通过地质探洞对已经开挖洞段地质构造, 岩石特性进行分析, 或对平行的另一洞段地质情况进行横向延伸, 可大致判断出前方未开挖洞段的地质情况。
3.1.2 采用先进的物探手段, 如TSP前地质预报、表面雷达超前预报, 可分析出前方围岩是否完整性良好, 是否有大的结理构造等。
通过对白鹤滩电站左岸导流洞已开挖一期导洞、地质探洞岩爆发生特点, 设计单位提供相应地质预报, 岩爆一般在隐晶质玄武岩发生较多, 斜斑玄武岩在距大断层20~30m范围发生岩爆几率也较高。
3.2 岩爆的治理
3.2.1 从设计方面考虑
根据地质预报情况, 可能发生岩爆的洞段集中在中段 (1#、2#、3#导流洞桩号分别大致在0+692~1+450m、0+589~1+304m、0+471~1+145m) 和后段 (桩号分别大致在1+450、1+304m、1+145m以后) 。针对存在岩爆洞段加强支护, 支护主要参数:“顶拱及边墙 (初喷50mm厚C25钢纤维砼+φ8mm@200mm×200mm挂网+复喷150mm C25素砼+L=6m, φ28mm、L=9m, φ32mm砂浆锚杆间隔对称布置, 间距为1.5m) , 两侧拱角增加两排L=9m, φ32mm预应力砂浆锚杆, 间距为1m”。在遇到断层、层间错动带处, 顶拱支护参数调整为:“初喷50mm厚C25钢纤维砼+φ8mm@200mm×200mm挂网+钢筋拱架+复喷150mm C25素砼+L=6m, φ28mm普通砂浆锚杆、L=9m, φ32mm预应力锚杆间隔对称布置, 间距为1.5m”。
设计单位地质人员及时了解施工现场情况, 形成快速反映机制, 对于已开挖掌子面岩爆非常严重的情况, 一方面根据现场实际情况增加随机锚杆 (L=4.5m, φ25mm锚杆) , 另一方面将原有L=6m, φ25mm普通砂浆锚杆改为L=6m, φ25mm锚垫板砂浆锚杆。
3.2.2 从施工方面考虑
根据左岸导流洞施工特点, 洞室开挖分三层施工, 而岩爆主要存在于Ⅰ层开挖施工中, 在导流洞Ⅰ层开挖中采取先中导后边墙方式施工。以中导洞已发生岩爆的洞段作为重点防治对象, 导流洞Ⅰ层采取分3区开挖方法, 中导洞 (宽12m×高10m) 超前两侧 (宽4.55m, 含技术超挖30cm) 扩挖2~3个循环。导流洞Ⅱ层分层高度12m, 第Ⅲ层开挖至导流洞设计底板, Ⅱ、Ⅲ层边墙采用一次性预裂到底, 底部预留50cm以避免超钻破坏底板结构面。导流洞Ⅱ、Ⅲ层边墙预裂在第Ⅰ层开挖、支护期间进行施工。为满足Ⅱ、Ⅲ层预裂孔样架搭设, 在Ⅰ层开挖中两侧边墙技术超挖30cm, 导流洞分层分区开挖示意图详见图1。针对导流洞Ⅰ层施工中应对岩爆采取如下治理的方法。
(1) 短进尺, 弱爆破
在导流洞Ⅰ层施工中进入岩爆地段采取短进尺、弱爆破、超前锚杆施工、打径向应力释放孔, 中导洞开挖循环进尺控制在3m以内, 两侧边墙扩挖循环进尺控制在5m以内。中导洞已发生岩爆部位用多臂钻施打径向应力释放孔, 孔深6m, 间排距1.5m×1.5m。未开挖中导洞部位进行个性化爆破设计, 在爆破孔外布置6个超深3m的超前孔, 作为下一循环应力释放孔。通过生产性爆破试验, 确定岩爆地段开挖爆破的最佳参数。利用光面爆破技术, 减小爆破振动对围岩的影响, 控制洞壁成型质量, 减小因成形不规则带来的围岩表层应力集中而导致岩爆发生的几率。
(2) 加强排险, 及时支护
在导流洞Ⅰ层中导洞掌子面爆破后先通风散烟15min, 施工人员进入检查安全时采用高压水冲洗掌子面, 为岩体降温和不稳定围岩释放地应力, 这样时间一般持续6小时左右。待掌子面温度降为常温, 无岩爆现象时, 排险完成后方能进行出渣, 但在出渣过程中时刻观察掌子面围岩情况。由于岩爆导致岩体破坏, 出现片邦、掉块、崩塌等现象, 存在安全隐患, 因此需要进行多次排险。
中导洞掌子面出渣完成后, 及时进行随机支护。采用湿喷台车对洞顶已开挖面喷护100mm厚C25钢钎维混凝土作为临时防护措施, 喷护完成后3小时, 采用多臂钻对洞顶已开挖面进行随机支护和超前支护:随机锚杆采用φ25, L=4.5m, 外露50cm, 间、排距1.5m×1.5m, 梅花形布置, 角度为水平向上45°~60°。超前锚杆采用φ25, L=4.5m, 外露20cm, 间距1m, 角度沿着顶拱开挖结构线为水平向上30°~45°。如在柱状节理段、层间错动带, 还需在锚杆灌注后挂网 (φ8为200mm×200mm) 再喷护100mm厚C25素混凝土。随机支护完成后方能进行下一循环钻爆施工, 正常情况系统支护滞后掌子面不大于15m, 特殊情况系统支护跟进掌子面, 在下一爆破前需考虑锚杆等强时间。
(3) 勤观测
加强围岩变形监测, 发现险情, 及时处理。在导流洞开挖过程中, 针对已开挖洞段通过量测与目测相结合的手段来监视围岩和支护的稳定性, 监测内容包括:围岩的岩质和分布、节理裂隙发育程度和方向, 接触面填充物的性质、状态, 涌水量和涌水压力, 隧洞顶部、侧部的稳定状态等。量测就是在岩爆区已开挖段安装变形检测仪器, 定期观察围岩变形数据, 出现异常数据及时分析研究。目测就是专职安全员每天巡察岩爆区已开挖段围岩情况, 巡察内容主要包括:锚杆是否被拉断、喷射混凝土层是否有裂隙、剥离和剪切破坏、钢架有无压屈变形等。当围岩变形明显时, 及时采取辅助施工方法加固围岩, 避免二次岩爆危害。
4 结束语
岩爆对地下洞室施工的影响:开挖质量控制难度大, 安全风险高, 施工进度较缓慢, 施工成本增加。只有采取有效治理措施, 才能将岩爆对施工影响降到最低。白鹤滩水电站左岸导流隧洞复杂地质结构, 洞室跨度大, 岩爆频发, 在开挖施工过程中总结的经验为处治类似岩爆工程得以推广。
参考文献
岩爆分析 篇5
岩爆:也称冲击地压, 它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放, 导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆产生的直接原因是高地应力。
目前国际上对于高地应力的界定还没有统一标准, 不同国家对高地应力的定义是很悬殊的.国内一般岩体工程以初始地应力在20~30MPa为高地应力 (大于800米深) 。高地应力对隧道工程造成的灾害最典型为:对硬脆性岩体而言为岩爆对软岩则为洞室大变形。高地应力是岩爆发生的必要条件。通俗来讲, 岩爆的产生与隧道的埋深有着直接的关系, 隧道埋置深度越大, 岩层的地应力也会越高从而越容易发生岩爆。
2 岩爆对隧道施工的经济影响
2.1 对施工现场人员造成损伤及产生心理影响。
岩爆通常发生在隧道掌子面正在施工作业的时候, 岩爆发生时, 小的岩爆就是岩层断裂, 没有脱落物体, 对施工现场也几乎没有多少影响。但大的岩爆发生时, 很高的地应力作用下会使得岩石发生爆裂, 大小不一的岩石块会以很高的速度脱离原岩体, 甚至会有很大的岩石块直接脱落。如果飞出或脱落的岩石砸到或打到人体, 就会对人体造成很严重的损伤, 甚至威胁人的生命。这种经济影响是显而易见的, 需要对受伤人员进行医治, 熟练的技术骨干, 是十分不容易补充的, 大家也都知道现在的人工费有多贵, 技术工人是多么紧缺。一旦发生严重的岩爆, 对施工人员造成了损伤。那么在以后的施工中必然会对后续的施工人员产生严重的心理影响, 在施工中会担心岩爆的再次发生, 岩爆会危及个人的生命安全, 这样就会使得施工人员不能全身心的投入, 以正常的心态、按正常的施工效率工作, 以致影响施工工期。
2.2 对施工机械造成损坏。
同样, 岩爆时如果飞出或者脱落的岩石砸到机械设备, 也会对机械设备造成损坏, 轻则需要维修恢复, 重则需要重新购买更换。如果维修和更换设备的频率从过高, 那么也会使整个工程的施工进度滞后, 进而使工期延期。
2.3 对已施工完成的结构造成破坏。
岩爆发生的地方如果已经进行了初期支护或者做完了二衬, 那么就会对已经完工的工程造成破坏, 需要对其进行重新施工, 相对于原设计就增加了工程量, 需要重新投入人力、机械和材料, 增加了工程造价。
2.4 综合影响。
虽然经过几十年的改革开放和科研、技术人员的努力, 我国现阶段隧道施工机械化程度已经很高, 可以有效控制和降低现场施工人员伤亡, 但岩爆对机械设备的损伤和对已完结构物的破坏却是无法避免的。对于发生频率很低的设备损坏、已完工程的破坏, 计量时可以按次、按量计算。但量变会产生质变。如果岩爆发生频率过高必然会影响整个施工的正常进行。延长工程施工工期、甚至需要考虑增加施工人员和施工设备的配置以满足正常施工的需要。由此产生的经济影响就是增加了整个项目的造价。
3 岩爆对隧道施工的降效分析
综上所述, 岩爆在隧道施工中是一种地质灾害, 虽然可以通过一些技术手段降低岩爆发生的的频率甚至杜绝岩爆的发生, 但对于隧道埋深超过千米甚至更大埋深时, 现有的技术手段也不能完全杜绝岩爆的发生。而在隧道施工中岩爆对于施工的经济影响又是多方面的。那么在进行计价、变更或索赔以及成本核算中如何考虑岩爆所造成的经济影响就是我们需要讨论的问题。
对于人员损伤、施工机械设备的损坏、已完工程的破坏可以按实际发生的具体内容, 按量按次进行计量。但这些还远远不够, 因为岩爆对工程的综合影响这里还没有考虑, 还有些影响内容是无法量化的 (如对现场施工人员的心里影响) 。作者经过与现场相关专家一起探讨, 在这里引入降效系数的概念用以解决这个问题。
由于不管是哪种岩爆的经济影响因素, 对工程经济的最终影响无非有两种:一是可按次按量计量的人员、设备、已完工程的损伤或损坏导致工程造价的增加。二是由现场施工人员心理因素和综合影响导致施工效率降低, 进而影响施工工期, 增加工程造价。降效系数就是把影响施工效率, 增加施工工期的这些因素进行量化。从而简化岩爆对隧道施工降效的计算, 并可以直观反应出岩爆对隧道施工的经济影响。
下面就以锦屏二级引水电站辅引三号施工支洞为例来说明降效系数的计算。
工程概况:锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界的雅砻江干流锦屏大河弯上, 是雅砻江干流上的重要梯级电站。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深为1500~2000m, 最大埋深约为2525m。8条引水隧洞平均长约16.6公里, 开挖洞径13米是目前世界上埋深最大规模最大的引水隧洞群。工程建设总工期8年3个月, 静态总投资249.8亿元。
计算原理:统计计算出实际施工中掌子面上一个完整的工序循环, 包括测量放线、钻孔装药、爆破通风、危面处理、装碴运输等 (这里没有考虑初喷支护及二次衬砌, 主要是因为此项目中岩石硬度较高, 初期支护和二次衬砌进度相对落后掌子面距离远。进而岩爆对其影响相对较小, 在此忽略不计, 如在其他项目中使用可进行综合考虑。) 所需要的循环时间T2, 再计算出基于定额基准消耗的掌子面上一个完整工序循环所用时间T1, 将两者的数值做比T2/T1。由于岩爆综合降效的影响, 必然使得工程的整体施工效率下降, T2必然要大于T1, 其比值就是我们所需要的降效系数。在应用降效系数时, 按照相关行业基准定额和现行概算编制办法及相关规定进行概算编制, 在此基础上乘以降效系数, 就是所需要的最终概算值。降效系数计算表及循环统计表如表1表2所示。岩爆的降效系数概念是作者与相关同事们的一个初步构想, 其科学性和可行性还需要进一步论证和实践。希望能够抛砖引玉, 为岩爆对隧道施工的经济影响及降效的计算给出更加科学合理的解绝办法。不足之处也请相关专家批评指正。
参考文献
[1]百度百科.“岩爆”词条.
浅议岩爆的成因和预防 篇6
1 岩爆发生机理的分析
岩爆发生原因是由多方面复杂原因引起的, 大致可分为自然地质因素、开采技术条件和组织管理措施三方面。第一, 自然地质因素中的基本因素是原岩应力由岩体自重应力和构造残余应力组成, 在一定程度采深下, 在煤系地层中强度较高的岩层一般会产生较强烈的岩爆;第二, 从开采技术因素看, 主要是开采引起局部应力不集中, 开采系统不完善等;第三, 管理方面主要是生产作业和设备投资不到位造成。
随着开采深度不断增加, 煤层中的自重应力也逐渐增加, 井下巷道的开挖, 使巷道直接顶围岩处于单向拉应力状态, 两侧表面围岩为单向压应力状态, 底部处于三向应力状态。当围岩受开挖影响从三向应力状态变为单向压缩状态或双向压缩状态时, 在应力变化过程中可能发生岩爆, 即当主应力差 (σ1 -σ3) 的值达到一定程度时, 岩爆产生的几率很大[3], 应力状态分析见图1。《工程岩体分级标准》 (GB50218-94) 采用的判定依据为:σc/σmax>7时, 无岩爆;当σc/σmax=4～7时, 一定概率产生轻微或中等岩爆;当σc/σmax<4时, 可能产生较严重的岩爆。σc为围岩强度, σmax为最大地应力。
岩爆现象的实录资料是岩爆机理理论研究的基础, 从现有的实录资料看, 在岩爆机理研究中岩石静力学理论有着重要的的作用, 但是也有一定的局限性, 目前一些复杂的岩爆问题还无法从现有的岩爆理论中做出很好的解释。
2岩爆机理的相关理论
中外学者对岩爆预测和防治措施的研究基本是以岩爆产生机理理论为基础。各国学者在实验室研究和现场调查的基础上, 从不同的角度先后提出了一系列重要的理论, 比较具有代表性的有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论等。
2.1强度理论
强度理论认为是强度问题导致煤岩体产生破坏的主要原因, 井巷和采场周围产生应力集中, 当应力达到煤岩体的强度极限时, 煤岩体就会突然发生破坏, 形成冲击地压。较早的强度理论比较关注导致岩体破坏的原因, 认为当应力集中程度突破维持矿岩稳定的应力极限时, 岩层出现突发性破坏, 导致岩爆。近代强度理论则认为用应力系数 来预测岩爆的烈度等级较为合理, 即σθ/σc, σθ为硐壁最大切向力, σc为单轴抗压强度;其烈度等级参见表1。
2.2能量理论
20世中后期, 能量理论由苏联学者阿维尔申和英国学者库克等人提出。他们指出:岩爆的产生是由于破坏矿体与围岩系统的力学平衡所消耗的能量小于破坏后所释放的能量。该理论从能量角度阐释了岩爆发生的机理, 但没有说明“矿体—围岩”力学系统的平衡和破坏条件, 尤其是围岩释放能量的条件, 故仍缺乏必要条件以判断岩爆能量理论。
2.3冲击倾向性理论
煤岩介质产生冲击破坏的能力称为冲击倾向性, 岩爆产生的必要条件是岩体的冲击倾向性, 用单个或一组与岩石固有性质相关的指标来衡量煤岩的岩爆倾向性强弱, 就是冲击倾向理论。冲击倾向理论源出国外学者, 我国学者在试验方法、数据处理及综合判断等方面也做了大量的研究工作并取得了一定的成果。
3 岩爆的特点及防治
3.1岩爆的特点
一般情况下, 岩爆产生巨大冲击力会将煤岩直接抛向巷道, 并造成岩体剧烈震动及产生巨大的响声, 最终导致岩体裂缝扩大和岩体破坏。因此岩爆有如下明显的特征:① 突发性。岩爆一般都是在无明显征兆下瞬间发生, 由于发生过程很短很难事发前准确判定岩爆发生的时间、地点和强度。② 瞬时震动性。岩爆发生的过程短而急剧, 冲击波及范围在几千米至几十千米之间, 地面能感到震动, 但是震动持续时间非常短, 一般在几十秒内。③ 巨大破坏性。从冲击矿压的后果看常造成重大人员伤亡以及生产设备等的严重损毁。④ 复杂性。目前仅有褐煤在自然地质条件下无岩爆现象记录, 其他各类煤种均记录有岩爆现象, 从200米至800米的采深, 从简单到复杂的地质构造, 从薄到特厚的煤层等均发生过岩爆现象。
3.2岩爆的防治
为了最大限度地减小岩爆发生的可能性和危害, 需要采取正确的预防措施和强有力的施工支护, 在防治经验积累和大量工程实践基础上, 已经有很多有效的措施防治岩爆的发生, 主要有以下几个方面的措施。
(1) 合理的开拓布置和开采方式, 不正确的开拓开采方式一旦形成就很难改变, 临到煤层开采时, 只能采取效果有限而且耗费巨大的局部措施;实践表明, 合理的开拓布置和开采方式可以避免应力集中和叠加, 对预防冲击矿压的发生具有重要的作用。
(2) 改善围岩应力条件, 如:在巷道布置及其他地下结构物位置选择时应尽量使其长轴方向与最大主应力方向保持平行, 以降低岩巷和硐室周边围岩的切向应力;为改善围岩的应力状态和避免出现应力集中现象要选择合理的开挖断面形状并进行喷水或注水。
(3) 强化施工安全措施和加强施工支护工作, 加强施工的监测工作, 通过现场观察围岩状态和支护结构, 以及对辅助洞拱顶下沉量、多点位移计和锚杆测力计读数的变化, 可以定量化预测可能延迟发生的深部岩爆, 用来指导硐室开挖及巷道支护的施工, 主要是躲避及清除浮石两种;加强支护的方法是在采面超前支护段采取符合矿井实际的有效的支护方式, 进一步增强超前支护的强度。在工作面端头及超前支护支柱加穿木鞋, 对单体支柱及支架全部更换大流量安全阀。加强井下材料的管理, 工作面顺槽的材料必须存放在距工作面150m以外, 单体支柱、铰接顶梁、支柱缸体等刚性材料必须使用防冲材料框配合钢丝绳将其绑扎固定在巷道的帮锚杆上, 小型材料集中装箱存放, 并将箱子固定好, 以防止发生冲击地压时弹起崩伤人员。
4 结 语
岩爆是一个极其复杂的动力现象, 特别是现在煤矿的采深越来越大, 面临这方面的问题将会越来越严峻。岩爆现象的产生和地质构造有着密不可分的关系, 因此当巷道开挖施工到构造附近时, 一定要加强监测和防护措施, 并及时采取防治措施以应对意外情况的出现。对岩爆的防治主要总结为:减小扰动, 释放围岩应力, 及时有效的支护措施。
在实际工程中应以一种预测方法为主, 辅以其他预测方法进行综合分析, 这样可以提高预测精度。预防岩爆很重要, 作者总结到几个易发点:构造附近, 两条巷道交叉点地段, 施工现场弱面等等。采用电磁辐射法预对岩爆进行局部及时预报还是可行的, 并且简单易行、经济快速。
摘要：岩爆 (又称冲击地压、矿震) 指矿山井巷及采场周围煤岩体, 由于变形能的突然释放而产生急剧、猛烈破坏的灾害动力现象。伴随煤矿开采技术的进步以及开采深度和规模不断扩大, 岩爆发生的频率越来越高, 造成的破坏日趋严重, 岩爆问题已是全球矿山开采亟待研究解决的问题之一。文章从岩爆发生机理入手, 分析岩爆的特点及预测理论方法, 并提出对岩爆防治的认识和看法。
关键词：岩爆,形成机理,地应力,防治
参考文献
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[2]唐礼忠, 等.深埋矿床井巷岩爆特性分析[J].矿冶工程, 2001, 21 (4) .
深部开采岩爆灾害的预测与控制 篇7
关键词：深部开采,岩爆机理,岩爆预测,岩爆防治
1 引言
目前世界浅部资源的消耗殆尽, 深部开采成为地下矿山发展的必然趋势。随着深部采矿工程和深部隧道工程的不断深入发展, 深部开采中的岩爆动力学灾害问题成为了困扰采矿安全高效生产的一大瓶颈。岩爆是完整性较好的弹脆性岩体在高地应力和外加扰动双重作用下伴随着内部应变能释放的一种特殊岩体破坏的现象。岩爆是深部采矿高地应力区危险性较大的灾害[1~2]。
2 岩爆机理分析
岩爆是岩体内部弹性应变能的释放, 产生的结果是岩体破坏, 引发深部采矿的安全问题。为了深入揭示岩爆的形成, 目前岩爆的机理主要有如下四类。
2.1 强度理论
该理论认为地下开采洞室周围开挖后产生集中应力, 当岩体承受的集中应力超过岩体的最大强度时, 岩爆将发生。但是, 在深部开采的巷道以及采场中, 经常岩体承受的集中应力超过岩体的最大承载强度而又没有出现岩爆的现象, 这说明此理论的依据不充分, 它仅仅只能用于岩体破坏的判断, 不能确定是属于静态破坏还是属于动态破坏。
2.2 能量理论
Cook等根据岩爆发生时需消耗很多能量的事实, 提出了发生岩爆的能量理论, 指出矿体-围岩体系在力学平衡状态受到破坏, 如果释放的能量大于消耗的能量时, 将出现岩爆。能量理论从能量转化的方面分析了岩爆的成因, 也较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象, 但没有指出平衡状态怎样才能打破的, 也没有提出未围岩释放能量的条件, 因此理论缺乏的判别岩爆发生的必要条件。
2.3 刚度理论
2.4 冲击倾向性理论
此理论根据测试岩石试样的一组冲击倾向性指标, 通过测量的指标值大小来评价岩体自身的岩爆危险性, 当指标值大于某个临界值时将发生岩爆。但是岩爆的发生不仅与煤岩自身属性有关, 而且还与煤岩物理力学性质、地质环境、开采技术等因素有关, 因此该理论下的实验数据不能代表各种因素下的岩爆数据。
3 岩爆预测方法
在深部开采中, 岩爆的危害问题非常突出, 目前一般采取如下方法对岩爆进行预测[1,2,3,4,5,6,7]。
3.1 应力判据法
(1) 强度脆性系数法。岩石的单轴抗压强度与抗拉强度的比值成为强度脆性系数。当强度脆性系数≤10, 没有岩爆发生;当10<强度脆性系数小于等≤18, 将发生中等岩爆;当强度脆性系数小于等>18, 将发生强烈岩爆。
3.2 能量判据法
(1) 弹性应变能储存指数法。采用岩石单轴抗压强度实验, 将岩石试件加载到抗压强度最大值的70%~80%, 然后再卸载到抗压强度最大值的5%时, 卸载时释放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比值弹性应变能储存指数。通过弹性应变能储存指数来判断以及预测岩爆。当弹性应变能储存指数<2.0将不发生岩爆;当2.0≤弹性应变能储存指数≤5.0, 将发生中、低等岩爆;弹性应变能储存指数>5.0, 将出现强烈岩爆。
(2) 岩爆能量比法。岩石在破坏崩出时的动能与最大弹性应变能之比值成为岩爆能量比。通过岩爆能量比来判断以及预测岩爆。岩爆能量比≤3.5%, 将不发生岩爆;3.5%<岩爆能量比≤4.2%, 将发生弱岩爆;4.2%<岩爆能量比≤4.7%, 将发生中等岩爆;岩爆能量比>4.7%, 将发生强烈岩爆。
3.3 埋深判据法
式中:Rc表示岩石单轴抗压强度;μ表示岩石泊松比;γ表示容重。
3.4 模糊数学综合判据法
许多科学家认为岩爆是受各种因素制约的一个模糊问题, 各因素的内在之间联系非常复杂, 不能用用一个数学公式进行完整的表达, 因此需采用模糊数学综合评价的方法进行判别, 选取对岩爆的有影响的主要因素 (如地应力、岩体结构、地形与地貌等) 对岩爆进行综合评判。
4 岩爆防治对策
根据岩爆机理及岩爆倾向性研究、岩爆数值研究和实际岩爆研究结果, 应从如下四个方面防治岩爆。
(1) 降低储存的能量:为了降低围岩储存的能量, 避免发生岩爆。深部开采中一般采取如下方法:首先在开挖爆破过程中遵循“短进尺、多循环”的原则, 采用光面爆破技术, 达到减低围岩的外加扰动和局部应力的目的。其次选择合适的断面进行开挖, 调整围岩的应力状态。
(2) 减缓释放的能量:为了减低岩爆发生的风险, 深部开采中一般采取如下方法减缓释放的能量。首先选择合理的采场结构参数, 矿房长度选取比较重要。经验参数:矿房长为75m、宽为10m、矿柱宽度为10m;其次采取小断面、分断面以及分步开挖等回采方式, 通过调整开挖进度, 实现逐步释放应变能的目的。
(3) 采取柔性支护:采取柔性支护不仅能减慢释放能量的步伐, 还能改变了应力的大小, 而且柔性支护可使洞壁从一维应力变为三维应力, 预防岩爆的发生。对于巷道在掘进过程中引发的岩爆, 需预先采取柔性支护。由于巷道外加扰动而引起的岩爆, 则需在巷道开挖后采取刚度较小的柔性支护。采取柔性支护可使围岩在可控范围内逐步破坏, 又能够支撑已经破坏的岩块。
(4) 建立常态监测:深部采矿过程中高地应力会不断地发生变化, 需加强开采过程中的常态监测制度。监测是为了掌握深部采矿过程中围岩以及支护的变形情况, 进一步指导深部采矿, 确保采矿的安全性以及经济效益, 反过来进一步检查设计可行性。采矿时应对围岩进行变形常态监测, 如果支护出现严重的变形, 就必须立刻采取加固措施, 以确保深部采矿安全问题。在矿井巷现场要建立一整套安全生产规程, 普及岩爆知识和防灾意识。采取这些措施以后, 即使发生岩爆, 也不会造成重大安全事故。如果实行大规模回采, 应设计微震监测体系, 监控整个矿山开采活动、实现连续长期监测、实现岩爆危险区预报等。
(5) 加强防护等级:如何预测和防治岩爆是科学家难以攻克的, 目前没有特别行之有效的方法, 还存在很多问题, 由于地质条件的变化有可能引发岩爆, 因此需根据情况, 以人为本加强防护等级。首先应加强深部采矿工作人员的安全意识, 提高防护等级;其次在施工时必须佩戴钢盔加穿防弹背心, 在施工机械上增加防护顶棚;最后要加强监测、检查, 巡回找顶, 清除松动悬石。
5 结语
深部开采将会是金属矿山实现可持续发展的未来趋势, 而岩爆灾害作为深部开采中涌现的新的矿山灾害, 为保证矿山安全高效的生产, 岩爆机理的理论研究及灾害防治技术亟待研究。目前在这一领域已经取得了一些成绩, 但还有待进一步发展和完善。随着深部开采如火如荼的开展, 其高应力、高井深、高井温、高岩溶水压及采矿活动扰动的特点给矿山的正常生产带来了严峻的考验, 衍生出了一系列的灾害, 如岩爆, 热害, 冒顶, 突水等等。在这种环境下, 浅部的开采理论已不能完全满足生产的需要。因而, 我们应该另辟蹊径, 提出新的采矿工艺, 这是解决这些灾害的根本途径, 已在工程实际中得到了初步的验证。相信更为先进的采矿工艺会随着时代的发展而应运而生, 矿山深部开采灾害将不再是个难题。
参考文献
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黄竹山隧道岩爆区段施工技术 篇8
岩爆是岩体中聚积的高弹性应变能的一种具有代表性的释放现象, 发生在质地坚硬、强度高、干燥无水、高应力区的脆性岩体中。在隧道高应力区开挖形成的新临空面附近, 初始应力由原来的三向状态转变为两向应力状态, 并在开挖壁上局部应力集中, 若壁面集中的最大切向应力达到某一临界应力时, 岩爆灾害会发生。岩爆的突发性及岩体急剧破坏, 岩片由岩体表面上突然地飞出, 而且大部分发生在掌子面附近和边墙上, 对施工安全有很大隐患, 所以针对不同的岩爆特征及危害程度, 采取相应的处理措施, 以保证施工安全。
2工程概况
黄竹山隧道位于宁德与福州交界的黄竹山, 该隧道为左右线分离式特长隧道, 隧道右洞长度为8630.7m, 左洞长度为8668.4m。隧道区属侵蚀剥蚀高丘陵-中低山地貌, 该隧道穿越黄竹山体, 地形起伏大, 天然山坡坡度约25°~45°, 山脊较陡峭, 沟谷内常年有水。进口处地面高程430~435m, 出口处地面高程350~355m, 隧道轴线最大海拔标高约1248m。该隧道围岩为残坡积层 (Qel-dl) , 侏罗系南园组第二、三段 (晶屑) 熔结凝灰岩 (J3n3、J3n4) , 微风化花岗斑岩。
3岩爆情况
黄竹山隧道进口独头掘进4403.05m, 在隧道掘进过程中出现轻微~严重岩爆情况, 现将有代表性的岩爆情况介绍如下:
起讫桩号ZK96+825~ZK96+901段该段围岩为微风化花岗斑岩, 为Ⅱ级围岩, 岩体新鲜完整, 无裂隙发育, 无地下水渗出, 单轴抗压强度大于90MPa, 埋深500m左右, 发生岩爆时间要比开挖落后, 开挖后在掌子面就发出轻微的应力释放声音, 无石块弹射发生, 在距掌子面1-3B (B为洞径) 有薄层状围岩剥落, 剥落岩块多呈片状、棱块状, 少数为板状, 块体大小一般为0.3-0.5m, 厚0.05-0.1m, 大的岩块可长达1.0-3m, 宽1-2m, 厚0.1-0.2m, 岩爆烈度为轻微~中等。
起讫桩号ZK98+625~ZK98+707段该段围岩为未风化熔结凝灰岩, 为Ⅱ级围岩, 岩体新鲜完整, 无裂隙发育, 无地下水渗出, 单轴抗压强度大于70MPa, 埋深700m以上, 开挖后在掌子面就发出较大的应力释放声音, 并有石块弹射发生, 洞壁、拱部立即发生剧烈的爆裂、崩落、弹射, 岩石被劈裂成棱块状、板状、片状, 厚度超过0.1m, 最厚可达1m, 爆落岩石数量大, 洞壁形成大量超挖局面, 洞形不规则, 岩爆烈度为严重。
但在岩体结构面发育, 有少量地下水渗滴地段, 特别是在有地下水出露的地段, 几乎不发生岩爆。
4岩爆防治措施
4.1岩爆地段施工作业程序
收集资料→分析判断→设计防岩爆措施 (无岩爆正常施工) →实施防岩爆措施→监控量测→进行下道工序。
为了及时掌握岩爆情况, 成立专职岩爆处理小组, 与超前地质预报和监控量测小组结合, 并在已掘进部位进行布设量测点位和收集实际地质资料, 进行岩石强度与地应力测试, 结合超前地质预报资料分析判断, 对有可能发生岩爆的地段, 应及时采取有效措施, 预防岩爆的发生。
4.2岩爆的防治技术
黄竹山隧道岩爆防治主要采用以下几种技术:
1通过加固围岩, 改变了应力的大小及分布, 而且还使洞室周边岩体从双向应力状态变为三向应力状态, 并且具有防护作用, 可防止弹射, 塌落等。
2完善施工方法, 减少开挖装药量, 可以减少爆破对围岩的扰动, 降低岩爆危害程度。
3改善围岩应力条件, 通过打超前钻孔, 进行超前应力解除, 加速围岩应力释放和降低洞室应力。
4改变围岩性质, 通过向岩层表面喷水和向深部岩体注水, 降低岩石强度和弹性模量, 提高岩体塑性变形能力, 减缓岩爆。
5增加临时防护措施, 防止岩爆出现时发生弹射和岩块坠落伤人以及损坏机具设备。
4.3岩爆地段处理技术措施
根据现场调查所得到的岩爆特征, 在对岩爆发生部位进行确认和对岩爆危害分析的基础上, 有针对性地采取如下防治措施:
(1) 岩爆烈度为轻微~中等地段
1开挖后, 对掌子面附近的岩体进行喷水湿润、降温、软化围岩, 提高岩石塑性, 从而消除或减轻岩爆程度。
2初期支护施工要紧跟开挖工序进行, 严格采用湿喷工艺, 尽可能减少岩层暴露时间, 减少岩爆的发生。并对初期支护加强, 由原设计的锚杆+喷射混凝土支护形式加强为锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护, 施作范围由拱部增加到拱部+边墙, 锚杆采用Ø22砂浆锚杆, 长度2.5m, 环向间距1.2m, 纵向间距1.2m, 呈梅花型布置, 钢筋网采用ø6钢筋, 网格为20×20cm, 喷射混凝土厚度为10cm。
3根据位移变化速率来判断围岩稳定情况。当水平收敛每天大于0.1-0.2mm或拱顶下沉速率大于0.07-0.15mm/d, 则视为围岩不稳定, 继续观察或加强支护系统;当变化速率小于0.2mm/d时则视为围岩基本稳定, 可以进行下道工序施工。
(2) 岩爆烈度为严重地段
在岩爆烈度为严重地段, 除对掌子面附近的岩体进行喷水湿润、降温、软化围岩等措施外, 还增加以下处理方法:
1改善施工方法, 在预测岩爆严重地段, 采用“短进尺、多循环”开挖方式, 加密周边眼数量, 利用光面爆破技术, 严格控制用药量, 以减少爆破对围岩的扰动, 严格执行光面爆破设计施工, 实现开挖周边圆顺, 减少对围岩的破坏及应力集中。
2在掌子面拱部和边墙沿开挖轮廓线施工7个超前水平钻孔, 每个钻孔孔深30m, 孔内注水, 实行超前应力解除, 改善围岩应力条件。
3在岩爆严重地段, 洞室拱部和边墙岩石不断坍落, 甚至造成局部坍方, 给隧道掘进带来很大影响, 在这种情况下, 原设计的锚杆+喷射混凝土支护已不能满足安全要求, 采取了锚喷网和钢支撑的联合支护, 钢支撑采用Φ25钢筋制作的矩形格栅, 格栅高12cm, 锚杆采用Ø22砂浆锚杆, 长度3.0m, 环向间距1.2m, 纵向间距1.2m, 呈梅花型布置, 钢筋网为Φ6的20×20cm网片。在施工中, 先初喷混凝土4cm, 封闭岩面, 之后进行钢支撑和钢筋网施工使钢支撑与钢筋网紧靠岩体面与锚杆联接成一整体, 最后复喷至设计厚度18cm。从施工中观察, 锚喷网和钢支撑的联合支护效果比较好, 顺利的通过了岩爆坍方段, 有效的防止了岩爆带来的危害。
4加强监控量测和观察, 判断围岩稳定情况。当围岩基本稳定后, 可以进行下道工序施工。
4.4岩爆地段施工安全措施
1设置专职安全值班人员检测围岩动态, 随时掌握施工现场的安全情况, 发现隐患及时排除。开挖前后, 须加强排险工作, 及时清除松散围岩。
2架设移动防护网, 采用2层钢筋网, 长度10-15m, 顶部满铺模板, 保护作业人员, 在设备上安设防护网、防护罩、排架, 以防岩炸弹射损坏机器及伤及人员。
结语
(1) 岩爆地段施工, 主要以采取有利措施降低岩爆危害为主, 预防发生安全事故, 达到安全施工的目的。由于隧道的地质资料不完善, 应坚持动态施工, 必须根据施工中出现的如岩爆等各种问题, 及时的采取各种措施, 是保证施工安全极为重要的方面。
(2) 加强初期支护是治理岩爆最常用且最有效的措施, 是岩爆治理首选的措施之一。其主要作用是加固围岩, 防止劈裂和剥离的岩块坍落和弹射, 若初期支护施作及时结构合理, 还可以改变洞壁岩体的应力状态, 从而达到防治岩爆发生的目的。黄竹山隧道采用加强初期支护的方法, 安全顺利的通过了岩爆区段的施工, 并对岩爆段的初期支护进行了观察和量测, 喷射混凝土未发生开裂、剥落, 钢格栅也未产生明显的变形, 围岩收敛变形基本稳定, 说明岩爆段的处理措施是成功的。
参考文献
[1]赵本均.膝学军.冲击地压及其防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1995.
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