雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件--岩爆防治研究专题报告.doc

雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 1 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 1.1. 本工程本工程引水隧洞岩爆问题引水隧洞岩爆问题概述概述 锦屏二级水电站位于雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上。位于川滇 菱形断块。出露的岩石主要有：下古生界为碎屑岩类，上古生界和中生 界变质的碳酸盐岩、碎屑岩和玄武岩、火山碎屑岩，以及前震旦系变质 岩系，古生界碳酸盐岩，峨眉山玄武岩和碎屑岩，中生界碎屑岩、粘土 岩。中更新世以来的堆积物主要沿河谷与山麓地带零星分布。 从大地构造上，锦屏二级水电站位于松潘甘孜地槽褶皱系的东南 部，中生代以来经受印支、燕山，特别是喜马拉雅运动，形成一系列迭 瓦状逆冲断层、地层倒转、 “A”型平卧褶皱和拉伸线理以及沿断层形成的 飞来峰构造，构成变形较强烈的地台边缘褶皱带和断裂带；雅江褶皱带 是古生代至三迭纪的地槽褶皱带。三迭纪末的印支运动使其褶皱回返， 燕山运动影响本区，有花岗岩类侵入。喜山运动强烈隆起并伴有断裂活 动。区内的断裂构造发育。 工程区地处高地应力区，引水隧洞上覆岩体一般埋深 15002000m，最大埋深约为 2525m，而岩爆现象则是其最具体的体现。 岩爆是影响洞室围岩稳定的主要因素之一，通过现场调研和室内测试， 对引水隧洞围岩岩爆的模式、分级、预测预报、防治措施等开展了深入 研究，表明锦屏引水隧洞在开挖过程中将产生岩爆，其强烈程度以轻微 中等为主，局部洞段将发生强烈极强岩爆，预测今后(以 4#洞线为例) 累计发生岩爆的长度约 5548m，无岩爆段长度约 11119.1m，其中发生轻 微量级岩爆长度约 3291m，中等量级岩爆长度约 1211m，强烈量级岩爆 长度约 895m，极强量级岩爆长度约 151m。 通过对辅助洞岩爆现场调研，辅助洞岩爆发育特征与长探洞岩爆特 征一致。由于东端辅助洞局部所发生的岩爆强烈程度与长探洞相对应的 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 2 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 部位进行对比，辅助洞内所发生岩爆等级要比长探洞严重，且辅助洞的 埋深要比长探洞浅了约 200m，说明在锦屏工程区岩爆存在着一定的尺 寸效应。同样地，在与目前东端辅助洞相同高程的引水隧洞，由于其开 挖洞径达到 13m，发生岩爆时，会表现出更为明显的尺寸效应。 在国内外有很多关于岩爆的分析及施工案例，在此对有关岩爆做出 一个专题报告，以便更好的处理好锦屏工程的岩爆现象。 2.2. 岩爆的特征及分类岩爆的特征及分类 岩爆，又称矿山冲击，是在深埋洞室的施工掘进中洞室临空面边缘 突然发生类似爆炸的巨响，并有岩石开裂、岩块弹射或崩塌掉块的现象。 它是深埋洞室或隧道特有的一种不良地质现象。 自 1738 年首次报导了英国锡矿发生岩爆以来，在世界范围内已有 西德、南非、中国、波兰、东德、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、 奥地利、意大利、瑞典、挪威、新西兰、美国、法国、加拿大、日本、 印度、比利时、安哥拉等 20 多个国家和地区记录有岩爆问题。岩爆最 强的可使整个矿坑、隧洞摧毁；同时造成的矿震最大可达 3.24.6 级以 上，烈度达 78 度，使地面遭受破坏。我国从 1949 年到 1985 年 5 月在 32 个重要煤矿中，至少发生过 1842 起煤爆和岩爆。1965 年 1 月至 3 月， 成昆线关村坝隧道（长 6107m）昆明端施工时多次发生岩爆，造成人身 事故，威胁施工安全。 岩爆是极为复杂的动力现象。各国对此现象进行了大量的研究，目前多 数停留在假说和试验阶段。我国对岩爆的研究，近年来有所突破。如中 国国际工程咨询公司谭以安对天生桥电站引水隧洞的岩爆灾害进行了详 细的调查研究，通过对岩爆一般力学特性和破坏断口的电微扫描分析确 定，岩爆属于张、剪脆性破坏。对岩爆部位探洞详细观测，除了把爆裂 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 3 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 面以内的围岩分为塑性带（松动圈）和弹性带外，进一步把松动带细分 为劈裂剪切带、劈裂带。经过综合分析，得出这样的结论：岩爆是具 有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖洞石和坑道，使地应 力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，在围岩应力作用下产生张 剪脆性破坏，并伴随声响和震动，而消耗部分弹性应变能的同时，剩余 能量转化为动能，使围岩由静态平衡向动态平衡失稳发展，造成岩片 （块）脱离母体，获得有效弹射能量，以猛烈向临空方向抛（弹、散） 射为特征，是经历“劈裂成板剪断成块块片弹射”渐进过程的动力 破坏现象。 岩爆是在一定的地质构造、地层岩性、地应力场和由于深埋洞室的 施工开挖临空条件变化造成瞬间围岩压力集中，改变了围岩周围的应力 状态和性质等条件下产生的。目前观察到岩爆现象多发生在深埋大于 200m 地下建筑物中，如云南天生桥引水隧洞埋深 200250m（厚层灰白 色灰岩） 、成昆线官村坝隧道埋深 500900m（含燧石结核的硅质灰岩） 、 日本关越隧道埋深 730m（石英闪长岩和角页岩） 、日本新清水隧道（长 13490m，1965 年在施工过程中石英闪长岩发生过 9 次岩爆，有的持续 23 个月）埋深最大达 1210m、瑞士弗卡隧道（长 14713m，主要地层为 片麻状花岗岩）埋深最大为 1520m。岩层埋深越大，开挖时产生岩爆的 强度和频率就越高。有人认为，在埋深超过 2500m 以下时，不采用特殊 的施工方法，一般是无法开挖隧道的。岩爆的产生还与地质条件有关。 从岩性来看，岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中，如花岗岩、石英岩、片 麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。这些岩层或为非 层状的致密脆硬性岩层，或为产状近似于水平的脆硬性岩层，它们开挖 前整体好，不见张开节理，仅见少量的密闭构造节理。洞室开挖后基本 干燥，从地质构造上来看，在地应力集中地区（如地质构造线转折与相 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 4 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 交部位） 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 5 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 表 1 国内外岩爆实例统计表 实例实例 编号编号 隧隧 洞洞 名名 称称围岩岩性围岩岩性 单轴抗压强度单轴抗压强度 （MPa） 点荷指数点荷指数 （MPa） 岩体初始岩体初始 应力应力 （MPa） 围岩最大围岩最大 切应力切应力 （MPa） 岩岩 爆爆 特特 征征 描描 述述岩爆类型岩爆类型 1 天生桥二级 引水隧洞 角砾状灰岩80 3.6 25.7* 64.3 劈裂、轻微弹射，有开缝 声响。 （弱） 2 渔子溪一级 引水隧洞 中细粒花岗 闪长岩、闪 长岩 170 7.7 3045*岩片弹射（中） 3 成昆铁路官 村坝隧道 硅质灰岩 1205.5 弹射岩片拳头大小，射距 23m，最大弹射 0.50.40.07m （中） 4 挪威Sima电站地下 厂房 花岗岩、花岗 片麻岩 1808.3 19.5* 48.75 220.5m岩块抛射20m， 击中对壁 （强） 5 挪威Hyanger- Lanefjord隧道 片麻岩60至200 2.7至9 3495剥落及弹射（中） 6挪威Heggura隧道片麻岩100至250 4.5至11 25* 62.5 剥落及弹射（中） 7挪威Sewage隧道花岗岩180 8.3 75.4*劈裂、有尖锐的爆裂声响（中） 8 瑞典vietas水电站2.3 号发电洞 粉砂岩基石英 岩 803.6 50*至70 125至175 劈裂，使咬合完好的层面张 开，有开裂声响，无弹射， （弱） 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 6 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 超挖严重 9 瑞典Juktan水电站 隧洞 花岗岩 1808.3 50* 125 岩爆及块裂（中） 10瑞典Ritsem电站麋梭岩 803.6 12*、20* 30至50 劈裂,锚固前每月劈裂加深 0.5m （弱） 11 瑞典Forsmark 核电站 片麻岩 1306 20* 50 弹射岩片大小约10cm左右， 发出巨大声响 （中） 12苏联拉斯丰恰尔矿 霓霞石、 磷霞石 180 8.3 57岩射及剥落（中） 13日本关越隧道石英闪长岩236 10.7 23689 最大一次岩爆，从掌子面突 出45m3岩块 （强） 14日本新清水隧道待查183 8.3 弹射岩片 0.20.21.22.5m，厚 0.051.0m （强） 注：实测值，汪泽斌推算值 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 7 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 以及洞室轴线与压性构造线相平行时（即洞室轴线与地区最大主应力方 向垂直或近于垂直时） ，往往可能使岩爆加剧。就洞室与导坑断面形式 而言，方形、梯形的较拱形、园形的洞室或导坑岩爆更为严重。 岩爆控制方法有多种，一旦确定了应力集中区的位置，就应当降低 应力，以减少爆裂的危害。在我国，目前常用的控制岩爆的方法有注水、 钻孔卸压、锚杆钢丝网喷射混凝土，效果尚好。 深埋的长大隧道在勘测设计阶段如何评价和判断岩爆问题，主要是 考虑上述的区域构造应力场条件（即当深埋洞室的轴线垂直或近于垂直 地区构造应力场的最大地应力方向时易发生岩爆）和岩层条件（致密性 脆的岩层，节理密闭，特别是在中厚层灰岩中夹有薄层钙质脆硬性岩层 时，应予特别注意）从而提出产生岩爆的可能性和必要的控制方法。 我国水电工程最早在渔子溪、级及映秀湾水电站隧洞中发生过 岩爆，此后在白鹤滩、大岗山、二滩、太平驿水电站，天生桥二级引水 隧洞中也出现过岩爆，并在鲁布革水电站、三峡三斗坪坝址、拉西瓦水 电站等出现钻孔饼状岩心。这一特异地质现象的出现，引起了人们的关 注，并作了记载和报道。然而，直到 70 年代后期，一些研究者才在分 析钻孔饼状岩心力学机制的基础上，初步探讨了岩爆的发生、发展及预 测防治。 对于岩爆的研究国内外已有不少的论述。从工程实用现点来看，常 把有爆裂声、有弹射的围岩突然破坏的现象称为岩爆。可以看出岩爆所 具有的特征是：（1）从释放的现象看，破坏具有突发性；（2）从围岩 应力角度看，包括集中超限破坏转移过程；（3）从能量变化角 度看，包括聚集消散过程（能量消散包括围岩破坏做功、弹射、发震） ，当聚集的能量仅能造成围岩突然破坏而无剩余能量造成弹射、震动 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 8 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 （可听音）时，即为无可听音岩爆（几种岩爆定义中的一种） 。 以下简述国内外部分实际工程中的岩爆特征及岩爆的分类。 2.1. 实际隧洞工程中的岩爆特征 （1）中国，秦岭隧道线（平导施工） 岩性：混合片麻岩、条带状混合片麻岩、眼球状混合花岗岩、花岗 伟晶岩岩脉。埋深：2001100m。 岩爆特征：岩爆声响既发生在掌子面，也发生在正在发生岩爆的岩 体处。高地应力段洞室施工中，在刚开挖的工作面可听到岩体内部沉闷 的岩体开裂声，声响大时如炮声。平导掌子面处推进至 DyK77+172 处， 出完碴测量时，掌子面内部便发出沉闷如炮声的岩体内部开裂声；有时 发出“喀喀”的声响。这种声音一般在刚开挖后 20 分钟至 6 小时可以 听到，掌子面发生岩爆的声响可以持续至 810 小时。掌子面后部岩爆 处岩体爆裂声，一般轻微岩爆的声音，较为清脆，可以清晰地听到“啪、 啪”的声响；强烈岩爆地段便可听到“澎、澎” ，同时夹有“噼、噼” 的声响。 由于岩爆剧烈程度的不同和岩性的不同，岩爆的爆落体也各有不同。 剥落型岩爆岩爆体多为一边薄一边厚，如砍刀状；轻微弹射型岩爆多为 细长的椭圆片体，该片体中心厚周边薄，片体大小一般由 560.5（cm）28016035（cm）不等；强烈抛射型岩爆体，多为 四棱块状，块体直径一般为 1092cm。岩石矿物晶粒较小的致密混合片 麻岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射出的同时有一圈岩粉伴随射出；岩石 矿物结晶程度较好晶粒较大的花岗伟晶岩，弹射型岩爆时在爆落体弹射 出的同时有一圈岩粉伴随射出，同时在爆落岩体基岩表面有被撕裂的矿 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 9 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 物晶体薄片，大小如指甲或铜钱；侵入脉体尖端的岩爆往往较为剧烈， 岩爆体多为块体。 （2）中国，南盘江天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞 岩性：厚层块状灰岩、白云岩。 单轴抗压强度：60100MPa。 埋深：130760m。 岩体初始应力：1=25.8MPa。 岩爆特征：隧洞共 3 条，每条长 9.5km。灰岩、白云岩洞段长 8km，砂、泥岩洞段长 1.5km。洞径 9.510.8m，圆形断面，用掘进机和 钻爆法两种方法施工。岩爆发生在灰岩、白云岩洞段。其主要特点是： 爆裂声微弱，无弹射现象。在施工噪声干扰的情况下，很少 听见岩爆声响，偶尔听到噼噼啪啪声，不干脆的劈柴撕裂声。顶板岩爆 片自然落下，底板岩爆片仍堆积在原处。 岩爆在隧洞横断面上具对称性。在掘进机施工洞段岩爆发生 在洞壁的左上方及右下方，钻爆法施工洞段一般出现在洞两侧壁。 岩爆多发生在距掌子面 410m 的洞壁上，少数发生在掌子面 上。持续时间 24h，以后一般不再发生新的爆裂，仅在少数地方一个月 后仍见脱块现象。 岩爆规模可以分为以下三种类型：a.零星岩爆，面积 0.50.522m2，零星分布在洞壁上（仍位于左上方及右下方） ；b.大 面积岩爆，宽 34m，长（指沿洞线方向）1020m；c.连续岩爆，宽 23m，长度大于 10m，长达 100150m，在洞壁左上方及右下方各形成 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 10 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 一条长沟； 破裂面类型： a. 劈裂剥落：劈裂面平行洞壁，岩片厚一般为 0.515cm，个别薄如 纸片，边缘锋利。掌子面上劈裂面平行掌子面，爆裂最大深度达 1.3m（有裂隙面） 。 b. 板状破裂：完整岩体破裂成岩板，岩板呈叠瓦状排列，岩板厚 （在钻爆法洞段）520cm，个别厚达 3040cm。岩板与洞中心线夹角 1820，锐角指向掘进方向。 c. 块状破裂：破裂缝如同板状破裂，破裂面呈雁行排列，与洞中心 线夹角 3640，锐角指向掘进方向，岩块较厚（在掘进机施工洞段） 普通 3040cm，还受横向破裂面切割形成岩块。 d. 磷片状破裂：类似板状破裂，只是岩片小而薄，岩片厚 110cm，破裂面与洞中心有两种情况，一种夹角为 3640爆裂较深， 一种夹角 1820爆裂甚浅。溶洞、暗河、大断层中断岩爆范围的延 伸，较大的岩爆距溶洞、暗河、大断层的距离为 1830m。小规模的零 星岩爆可出现在胶结好的断层带上及溶蚀裂隙旁边。 （3）中国，四川岷江渔子溪一级水电站引水隧洞 隧洞岩性为中粒、中细粒花岗闪长岩及闪长岩，单轴抗压强度为 170MPa，埋深 250600m，洞壁的切向应力为 3045MPa。岩爆特征为： 岩爆主要集中发生在隧洞的拱肩处或右边墙处（山体外缘一 侧） ，裂隙走向与洞线成锐角相交，出现片状弹射。崩落或呈笋皮状的 薄片剥落。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 11 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 新开挖的洞体，在 24h 内顶板岩石的爆裂声最明显，之后逐 渐减弱。 岩爆一般持续 12 个月，以后逐渐减少或趋于停止，个别地 段在一年后仍有岩爆发生。 （4）中国，成昆铁路 成昆铁路上的官村坝隧道（震旦系灰岩） 、莲地隧道（火成岩、变 质岩） 、百家岭隧道（灰岩、白云岩） 、沙木拉达隧道（砂岩） 、窄板沟 隧道岩爆特征：岩爆多在隧道施工爆破后一小时内发生，岩爆地点主要 在新开挖的工作面及其附近顶板的牛角湾处，发生前常连续发出“噼啪” 响声，爆出的岩块成片状弹射或剥离。弹射距离一般 23m，射出来的 岩块多为中间厚、周边薄的菱片。开始拳头大小、速度很快，后渐为蚕 豆般碎石四散弹射，最大体积为 0.50.40.007m，剥离的岩块体积可 达 21.30.2m。岩爆发生后有岩粉尾随出现，如烟雾状。 （5）挪威，霍扬阁兰峡湾隧道 岩性：前寒武系片麻岩。 单轴抗压强度：60200MPa。 埋深：110m。 岩体初始应力：1=34MPa，3=8MPa。 岩爆特征：霍杨阁一端 200m 处开始在拱顶和掌子面上发生剥落和 偶然岩爆。从 450m 至贯通处埋深大的洞段边墙发生剥落和岩爆。当隧 道穿过断层带、破碎带和闪长岩透镜体时，剥落发生的位置也有一些变 化。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 12 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 （6）挪威，赫古拉公路隧道 岩性：片麻岩。 单轴抗压强度：67210MPa。 岩体初始应力：1=24.8MPa，2=9.3MPa， 3=6.6MPa。 岩爆特征：发生 12 级岩爆（拉森斯分级） ，围岩剥落，片落。 （7）挪威，Sewage 隧道 岩性：花岗岩。 洞壁应力：75.4MPa。 岩爆特征：围岩发生劈裂。在岩爆最强烈处，连续劈裂发出噼噼啪 啪的爆裂声。 （8）瑞典，Ritsem 厂房交通洞 岩性：糜棱岩。 埋深：130m。 初始应力：v=1220MPa,H=10MPa。 岩爆特征：洞顶突然连续松脱。洞壁产生垂直的平行岩板。每月加 深 0.5m，直至锚固。 （8）苏联，阿尔帕塞凡隧洞 最大埋深：1230m。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 13 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 岩爆特征：岩爆和气喷。岩石被抛到离工作面 150m 远处，形成大 空洞，个别容积近 2500m3。最大的空洞尺寸超过设计轮廓线 25m。 （9）日本，关越隧道 岩性：石英闪长岩。 单轴抗压强度：236MPa。 埋深：7301050m。 岩爆特征：在 10.9km 隧道中有 1.1km 为岩爆危险区，岩爆有以下 特点：1.岩爆在石英闪长岩中频频发生，而在角页岩内几乎不发生，第 一次岩爆大约 45m2的岩块从掌子面突出，爆裂深度达 4m。岩爆特别集 中，从汤泽洞口 44204580m、47254845m、51805240m 区间内。2.岩 爆与地下水密切相关，在无漏水的北工区经常发生岩爆，而在涌水多的 南工区，没有发生明显的岩爆。3.岩爆在掌子面记录到的次数是 1417 次， 侧壁只有 16 次。侧壁岩爆发生在掌子面后方 510m 左右的位置。4.掌 子面的岩爆多发生在左侧。5.岩爆在刚爆破后激烈，随后平静，有少数 活化现象。6.碴块放置一段时间，会变成碎片。 （10）日本，新清水隧洞 岩爆特征：岩爆发生在边墙及掌子面，岩片飞散。岩片 0.20.21.22.5m 厚 0.051.0m，开挖期剧烈，持续 23 月。 （11）格兰萨索公路隧道 岩性：泥灰岩、石英岩。 埋深：2001200m。 岩爆特征：在里程 4085m 处，随着掌子面的推进，观察到如下几种 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 14 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 现象：岩体中的渗透水逐渐减少：RQD 值逐渐减少到零；掌子面不稳定， 其表现形式为大块石岩板发出爆裂声，并同时射出大量的岩石碎块。破 坏是沿节理发生的，而不是沿层面（具有不同程度的螺旋线面） 、交叉 层面以及显然稳定的岩层发生。在左隧道里程 4240m 处（此处覆盖层厚 1220m） ，出现了断层密集交错的、特殊的地质构造特征；在几个爆破循 环之后，大约过了 15 分钟，隧道的右壁突然发生岩爆，喷射出大量的 岩块。由于右侧壁发生岩爆，并向洞内喷入了大量的岩块，因此，造成 拱顶岩石松动、掉落，并一直扩展到左侧起拱线，其塌落体积达几百 m3。在掌子面附近几米宽的范围内岩爆最为严重，并沿右侧壁扩展，致 使用钢筋和喷射混凝土支护的 40m 长的一段右侧壁完全倒塌。 2.2. 岩爆的分类 为了保持围岩的稳定，保证地下洞室施工开挖的顺利进行，预防发 生岩爆对机器设备和施工人员造成伤害，有目的地对影响围岩稳定的岩 爆进行分类是十分有意义的事情。 岩爆的特征可以从多个角度去描述它，因而可以从多方面进行分类 或分级。比如，根据一次岩爆所释放出的能量的大小，可以象划分地震 级那样将其分级。又比如根据一次岩爆弹射岩片的大小和体积多少可以 分级。 已见的岩爆分类方法有以下几种： （1）按变量系数分类法 应用岩体力学知识，提出了应力释放的岩爆变量系数，从而评价围 岩的稳定性。岩爆变量系数表达式如下： )cos( max 2 PKW E （2-1） 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 15 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 式中 KW岩爆变量系数（MPa） ； max应力场最大主应力（MPa） ； P侧应力系数（水平应力垂直应力） ； E弹性模量（MPa） ； 主应力水平夹角。 按变量系数 KW 进行分类： 当 KW0.30.6 为围岩稳定性差，预测可能发生中等岩爆 当 KW0.6 ， 为围岩稳定性很差，预测可能发生强烈岩爆 （2）按岩爆活动性分类法 挪威的罗申斯（Russenes）将岩爆的活动性分为四级，其具体分级 如表 2 所示。 表 2 岩爆分级表 岩爆等岩爆等 级级 描描 述述 无无岩爆，无岩石应力引起的不稳定问题，岩石中无声音 轻微低的岩爆活动性，有使岩石松弛与开裂的趋势，岩石中略有声音 中等中等的岩爆活动性，岩石大量成片或松弛，有随时间发生周界变形的 趋势，岩石中有强烈的开裂声 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 16 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 强烈高度的岩爆活动性，开挖后边顶拱上即有严重掉块，底拱上成片状 破裂或拱起，洞壁有严重的破碎和变形，响声如枪声 （3）按岩爆特征分类法（一） 根据上述公式和分级，结合我国的一些大中型水电工程所发生的岩 爆特征，提出岩爆分类，如表 3 所示。 表 3 岩爆分类表 岩爆类型岩爆类型特特 征征 松动脱落 围岩呈块、板、片状爆裂，声响微弱，偶然可以听见噼噼啪啪响声、 无弹射现象。在顶板岩爆块自由坠下，在底板岩爆块堆积原处 爆裂弹射型 岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如枪声。弹射的岩片最大不超过 0.3m3，有拳头大小者和粉末烟雾者，弹射岩片可伤人，对机械、隧洞 无大的影响 爆炸冲击型 巨石冲击，声响巨大，岩块体积达数立方米至数十立方米。岩块冲击 抛射距离达一、二十米，岩块对机械、支护有损害，但其震动不会造 成太大的损害 围岩深部地 震型 由于地下洞室的开挖靠近断层、岩脉，从而引起断层、岩脉聚积能量 孕震，在围岩深部产生地震 （4）按岩爆特征分类法（二） 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 17 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 我国的汪泽斌从工程实践的观点出发，提出主要根据感官感觉到的 岩爆特征，着眼于危害方式，危害程度，防治对策等因素进行分类的方 法。这样分类的优点在于不受有否详细的仪器测试资料的限制。这种分 类还有一个考虑就是试图用各种模式来描述岩爆的特征及发生机理。该 分类法分为：破裂松脱型，爆裂弹射型，爆炸抛实型，冲击地压型，远 围岩地震型，断裂地震型六种型式。 1）破裂松脱型 围岩成块、板、鳞片状爆裂，爆裂声响微弱，偶然可听见劈劈啪啪 响声，弹射距离很小，在顶板岩爆块主要是坠落，在底板岩爆板堆积在 原处。典型代表如： 南盘江天生桥二级（坝索）水电站引水隧洞。 隧洞共 3 条，每条长 9.5km。灰岩、白云岩洞段长 8km，砂、泥岩 洞段长 1.5km。洞径 9.510.8m，圆形断面，用掘进机和钻爆法两种方法 施工。岩爆发生在灰岩、白云岩洞段，其主要特点是： a. 爆裂声微弱，弹射很小，在施工噪声干扰情况下，很少听见岩爆 声响，偶而听见劈劈啪啪声、不干脆的劈柴撕裂声、冰层开裂声，顶板 岩爆片自然落下，部分地段有弹射现象，底板岩爆片仍堆积在原处。 b. 岩爆在隧洞横断面上具对称性。掘进机施工洞段岩爆发生洞壁上 方及右下方（面对掌子面）两爆裂坑中心连线倾角 6790，钻爆法 施工洞段部分洞段的两侧壁，部分在右顶部。 c. 岩爆多数发生在距掌子面 410m 的洞壁上，少数发生在掌子面上， 岩爆活跃期为半小时至数小时，持续时间 24 小时，以后一般不再发生 新的爆裂，仅少数地方一个月后仍见脱块现象。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 18 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 d. 岩爆破裂可分以下三种类型：A：零星岩爆：面积 0.50.522m2，零星分布在洞壁上（仍位于左上方及右下方） 。B：大 面积岩爆，宽 34m，指沿洞线方向长 1020m。C：连续岩爆宽 23m， 长度大于 10m，长达 100150m，在洞壁左上方以右下各形成一条长沟。 沿洞线方向的延续性为溶断、断层等地质体中断。 e. 岩爆破裂坑的深度主要受围岩应力和强度控制，在厚层块状、整 体状白云洞段，岩石单轴抗压强度达 100120MPa。岩体初始应力虽达 31MPa，爆裂坑深度仅为 0.50.8m。而在角砾状灰岩洞段，由于角砾状 灰岩中有方解石细脉穿插，岩体初始应力 25MPa，岩爆坑深度却达 1.52.0m，当薄层中厚层泥质条带灰岩（含碳岩）层面平行洞壁最 大切应力时，岩爆深度亦很大，达 12m。 f. 距大溶洞、暗河、断层带 1830m 范围内无大岩爆产生，但小规 模零星岩爆可以出现在胶结好的断层带上及溶蚀裂隙旁边。 瑞典 Vietas 水电站 2、3 号发电洞。 两条隧洞中岩爆的特征皆为劈裂，有平啪声，开裂声。劈裂面大多 数平行掌子面。在 2 号隧洞中岩爆发生在前寒武系基底岩中，劈裂面平 行于横交洞线的陡倾（6085）层面（母岩层面清晰，但未曾破裂） 。 3 号隧洞为寒武系水平粉砂岩，岩爆产生两组破裂面，一组沿层面，层 面充填石英、方解石、绿泥石，开挖时这些层面张开，在洞顶超挖，形 成平顶。另一组破裂面平行掌子面，垂直或陡倾，倾向东，间距 1560cm，偶然可见间距小于 5cm。 2）爆裂弹射型 其岩爆特征是：岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如枪声，弹射岩片 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 19 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 最大不超过 1/3m3，有 510cm 直径者，拳头大小者，粉末烟雾者。危 害主要为弹射岩片伤人，于机械、隧道无多大影响。典型代表如： 渔子溪一级电站引水隧洞出现片状弹射、崩落或呈笋皮状的 薄片剥落；新开挖的洞体，在 24 小时内顶板岩石的爆裂声最明显，之 后逐渐减弱；岩爆一般持续 12 个月，以后逐渐减少或趋于停止，岩石 表面逐渐变潮。个别地段在一年以后仍有岩爆发生。 成昆铁路上的官村坝隧道、莲地隧道、沙本拉达隧道、窄板 沟隧道、百家岭隧道。 岩爆多在隧道施工后一小时内发生，岩爆地点主要在新开挖的工作 面及其附近顶板的尖角处，发生前常连续发出“霹啪”响声。爆出的岩 块成片状弹射或剥离。弹射距离一般 23m，射击出来的岩块，多为中 间厚，周边薄的菱片。开始拳头大小，速度很快，后渐为蚕豆般碎石四 散弹射，最大体积为 0.50.40.007m，剥离的岩块体积可达 21.30.2m，岩爆发生后有岩粉尾随出现，如烟雾状，发生岩爆后的 洞壁岩面一般光滑平整。 属于这种类型还有挪威的 Hyanger-Lanefjord 隧道、Heggura 公路 隧道、污水隧道、瑞典 Juktan 抽水蓄能电站隧洞、Forsmark 核电站隧洞、 苏联的拉斯丰恰尔矿、基洛夫矿等。 3）爆炸抛实型 巨石抛射，声响如炮弹，抛石体积数立方米，至数十立方米。抛射 距离数米至一、二十米，抛石对机械、支撑有损害，但震动不造成大的 损害，如：挪威 Sima 地下电站，洞壁呈蛋壳状劈裂，有严重的弹射现 象，一次 220.5m 岩块抛射 20m，击中对壁。又如日本关越隧道一 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 20 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 次大岩爆，从掌子面抛出 45m3岩块，爆裂深度达 4m，在岩爆特别集中 的 340m 洞段，发生岩爆 1433 次， （其中掌子面 1417 次，侧壁 16 次） 。 再如日本的新清水隧道，岩爆发生在边墙及掌子面，岩片飞散，岩片 0.20.21.22.5m，厚 0.051.0m，开挖期剧烈，持续 23 月。 冲击地压型、远围岩地震型、断裂地震型多发生在煤矿施工过程之 中，在此不再多叙。 3.3. 岩爆的断裂破坏机制岩爆的断裂破坏机制 岩爆的原因是具高蓄能特性的硬脆性岩体中，积蓄的应变能突然释 放，发生的过程却是岩体的断裂破坏。 断裂力学是研究材料特别是金属材料脆断破坏的一门新学科，目前 已逐渐引用于岩石力学领域，研究岩体的破坏现象。断裂力学有三种基 本的断裂破坏模型，即型（张开型）裂纹，型（剪切型）裂纹及 型（撕断型）裂纹。而岩爆反映了岩体中的裂纹参数、岩体的应力状态 及岩体本身的断裂强度（断裂韧性）之间的关系。当决定于岩体中裂纹 尺寸参数及应力状态的应力强度因子大于或等于岩体的断裂韧性时，便 产生快速的断裂破坏或不稳定扩张，产生岩爆。与岩体的抗拉、抗压及 抗剪强度一样，岩体的断裂韧性亦是岩体所固有的一种强度指标，因此 称做断裂强度，且不同的裂纹型式其值是不相同的。 产生岩爆的硬脆性岩体，具有整体块状的完整结构，但其中却存在 数目众多呈随机分布的微裂隙及隐微裂隙。洞室开挖改变了围岩的初始 应力状态，在围岩特别是洞壁部位产生显著的应力集中，不但在一定的 范围内可能产生拉应力，而且在靠近洞壁的部位剪应力亦最大。这就为 岩爆提供了必要的应力条件，决定着围岩的断裂破坏。由于岩体中微裂 隙的随机性及洞壁应力的复杂性，岩爆往往不是单一型裂纹的断裂破坏， 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 21 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 通常为型及型裂纹的复合问题，在这种情况下，从工程角度来看可 以采用下述断裂准则，即： KKKIC （2-2） 这里 K及 K分别为复杂受力条件下断裂扩张型裂纹及型裂 纹的应力强度因子，KIC 为岩体型裂纹的断裂韧性（强度） 。 洞室开挖后，围岩的岩爆既可以随时发生，亦可以延续发生，这不 但决定于围岩的受力状态，而且还与岩体的应力腐蚀特性有关。应力腐 蚀是岩体裂隙在介质中稳定扩张的特性，地下洞室中常具地下水，对岩 体断裂破坏起应力腐蚀介质的作用。在一般情况下介质对断裂破坏的应 力腐蚀存在图中所示的关系。 岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现象。地下洞室岩爆 常以片状剥落的形式出现，形成葱皮状结构。产生岩爆需要一定的应力 条件及岩体结构和性质条件。通常多为完整的整体块状结构及厚层状结 构，岩石硬脆，单轴抗压强度在 1500kg/cm2以上，声波速度大于 6000m/s，且只有当岩体初始应力场的最大主应力与岩块的单轴抗压强 度之比值大于 0.150.2 的高应力条件下才可能发生。洞室的轴向布置即 与初始应力场的最大主应力的关系及洞室的断面形状亦是显著地影响着 岩爆，洞轴与最大主应力垂直且洞室具非平滑轮廓时容易产生岩爆，因 为这时洞壁围岩的应力集中最严重，洞壁的超欠挖亦恶化了围岩的应力 集中程度，使岩爆更容易发生。 从宏观现象上来看岩爆的本质是弹性应变能的大量突然释放，但其 发生机制是岩体的断裂破坏。岩体中存在数目众多的呈随机分布的微裂 隙，为岩体的断裂破坏提供了必要的裂纹条件，这里裂纹受到复杂应力 状态的作用及应力腐蚀，从而使岩爆具延时及延续发生的特点。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 22 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 3.1. 贾愚如等人提出的岩爆判据 我国贾愚如、范正绮等人通过对国内大型水电工程岩爆的实测计算 以及对国内外大量资料统计分析后认为： 高地应力不是岩爆发生的唯一条件，岩爆的发生尚与围岩储存弹性 应变能力以及围岩变形速度等因素有关，其破坏为脆性断裂。并在此基 础上提出了一个简明的岩爆判据，可为水工地下洞室的设计和施工提供 预测岩爆的依据。以下所述是该研究论文的主要内容。 3.2. 岩爆的特征及破坏机理 通过对岩爆的观察和分析，不难看出岩爆具有如下的特征。这些特 征从不同的角度揭示出围岩动力失稳的力学原因，对认识、研究岩爆机 制大有帮助。 （1）围岩应力与单轴抗压强度的比值，在较低的情况下就可能出 现岩爆。现摘录几个实测数据列在表 4 中。 表 4 发生岩爆时 （或 1）/c的比值 地点地点工工 程程 名名 称称岩石种类岩石种类 切向应力切向应力 （或 （或 1） （MPa） 单轴抗压强单轴抗压强 度度 c（MPa） （或 （或 1）/c 中国 天生桥引水隧洞 二滩水电站3号洞 渔子溪引水洞 瀑布沟水电站 太平驿水电站 白云质灰岩 正长岩 花岗闪长岩 闪长花岗岩 花岗岩 30.0 90.0 (3045)* 21.7* 31.3* 88.7 220.0 170.0 123.0 165.0 0.30 0.41 0.170.27 0.18 0.19 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 23 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 苏联 拉斯丰恰尔矿 基洛夫矿 霓霞石磷霞石 霓霞石磷霞石 63117 51110 180.0 170.0 0.350.65 0.300.65 美国 爱达荷州CAD矿 （A） 爱达荷州CAD矿 （B） 石英岩 石英岩 66.0* 52.0* 190.0 190.0 0.35 0.27 瑞典维斯塔轮水洞石英岩40180.00.22 1）为实测围岩最大切向应力 2）*为实测坝址区最大地应力1 （2）岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，在爆裂面上，一 般肉眼观察不到明显的裂隙。 所谓完整岩体是指裂隙间距相对较大、宏观上没有贯通的岩体。岩 块的破裂不是沿裂隙面发生，而是岩石内部裂纹扩展的结果。根据国内 外 34 个曾发生过岩爆的工程统计，发生在完整、坚硬的岩浆岩中约占 总数的 70，在新鲜坚硬的变质岩及沉积岩中的约占 30。其单轴抗 压强度一般均在 60MPa 以上。如天生桥二级引水隧洞 2 号支洞，发生 岩爆的洞段为：02300500（c100MPa，岩石完整系数 0.90） ； 06450880（c80MPa，岩石完整系数 0.75） ； 09200936（c80MPa，岩石完整系数 0.90） 。 上述特征反映了岩爆发生的岩性条件。新鲜完整及坚硬的岩石近似 于弹性体，其应力应变关系曲线近于直线。只有这样，岩石才能积聚大 量的弹性应变能，使断裂面的岩块获得足以弹射的动能。如果存在着明 显的裂隙、节理以及受力后产生较大的塑性变形，则外力功将过多的被 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 24 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 耗散，失稳的岩块就不可能获得足够的动能。 （3）岩爆一般发生在洞室开挖后数小时或数天内，也有持续一至 几个月后逐渐减弱或停止的。一般而言，比较剧烈的岩爆多发生在开挖 后数小时内。 洞室开挖后，围岩应力有一个调整的过程，其时间的长短与岩石的 结构等因素有关，一般在很短时间内就可完成。对持续数月才能减弱或 终止的现象有不同的解释：有人指出这是岩体变形的时间效应所致。然 而；发生岩爆的岩体近似于弹性体，这种岩石在短时间内（几个月到一 年）的蠕变量是有限的；从下面的蠕变试验成果中将可以看出这一点。 综上所述，发生岩爆的岩体虽然在宏观上是完整的，但在微观上其 内部存在着许多随机分布的微裂隙，或用常规手段无法发现的非常小的 不均匀粒子，当围岩受力后其中处于最不利方向的裂隙端部，将会产生 极高的集中拉应力，这个应力足以克服分子引力造成的内聚力，使裂隙 端部产生新的拉伸破裂。 一般情况下，岩体的宏观破裂并非是单个裂纹扩展形成的，而且单 个裂纹的扩展方向与宏观方向也不一致。只有当微裂隙破裂和相邻裂隙 相互连通起来，逐步形成裂隙带后，才有可能从微观破裂发展成为宏观 破坏。而宏观破坏的形态，可能是剪切或张性破裂，这取决于岩石的结 构和裂隙开展的方向等多种因素。由此可以得出，岩爆破坏的进程可以 分为三个阶段：低应力状态下的微裂纹扩展微裂隙相互贯通，形成宏 观破坏岩体中贮存的弹性应变能转化为动能，使破裂的岩块以不同的 速度弹射出去，即为岩爆。 （4）室内试验成果 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 25 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 围岩应力是导致岩爆发生的外部条件，但不是充分条件。因为岩石 的结构和构造不同，变形特性也不相同，所以在相同应力条件下，围岩 发生岩爆与否，尚取决于岩体的变形特性，这可以用岩石弹性能量指数 （WET）表示。 当对岩石试件加载时，外力所作的功（W）等于： 211 )(EEdfW （2-3） 所谓弹性能量指数是指加载到 0.700.80c时，再卸载到 0.05c， 这时卸载释放出的弹性应变能（E2）与耗散的应变能（E1）之比，用 WET 表示，则有： dfdf df ET W )()( )( 21 2 （2-4） 弹性能量指数的大小，可反映岩石具有爆裂倾向的程度。这里，我 们用天生桥水电站等地的 11 种岩石进行测试，其结果列于表 5。 从表 5 可以看出：天生桥、二滩、太平驿及瀑布沟水电站实测 WET 值，分别为 6.6，7.3，9.0 和 5.0，其值大于或等于 5.0，且应力比 值 /c0.30，所以它们在不同程度上都发生了岩爆。而李家峡、龙 羊峡和鲁布革水电站实测 WET 值，分别为 5.7、7.4 和 7.8，也都大于 5.0，然而应力比值却小于 0.30（龙羊峡实测最大地应力 19.4MPa， 李家峡 15.5MPa，鲁布革 117MPa。如果将 1换算成 ，再 与 c相比，其比值均小于 0.30） ，却不曾发生岩爆。这表明，WET 值 只反映了岩性条件，即是说岩体只具有发生岩爆的内在因素是不够的， 同时必需满足应力条件，即围岩应力要达到临界值，才可能出现岩爆； 反之亦然。 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆防治研究专题报告 26 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 表 5 若干工程弹性变形能指数测定成果 工程名称工程名称岩岩 性性 抗压强度抗压强度c (MPa) 抗拉强度抗拉强度t (MPa) 弹性模量弹性模量E (104MPa) s/ 1 2 E E ET W t/c 试件试件 数量数量 备备 注注 天生桥引水隧 洞 白云质灰岩88.73.75.60.876.60.04239发生岩爆 二滩水电站3号 支洞 正长岩220.07.45.90.937.30.03445发生岩爆 龙羊峡水电站花岗岩178.05.76.70.957.40.03212未发生岩爆 鲁布革水电站灰岩150.05.46.60.967.80.0365未发生岩爆 龙门水库粘土质砂岩52.03.71.00.741.30.0706未发生岩爆 黄石市大理岩99.74.85.30.883.80.0489未发生岩爆 渔子溪引水洞花岗闪长岩170.0发生岩爆 太平驿水电站闪长岩165.09.47.20.949.00.0576发生岩爆 瀑布沟水电站花岗岩123.06.10.855.06发生岩爆 李家峡水电站 黑云母角闪 斜长片岩 115.010.00.985.7未发生岩爆 雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞工程投标文件 岩爆问题研究专题 27 中铁十三局集团有限公司 北京振冲工程股份有限公司 联合体 中国铁建 3.3. 岩爆判别准则 岩爆是由围岩应力状态、岩体强度、变形特性、岩体赋存环境、洞 室布置和开挖方法等多种因素综合影响的结果。我们通常说的岩爆是岩 体具有高地应力的一种表现形式，这是说高地应力是岩爆发生的一个外 部主导因素，而内因则取决于岩体的变形特性等。如果外力不超过一定 的临界值或者岩石具有产生大量塑性变形的能力，那么岩石就不会发生 脆性破坏，而是在产生静态的弹性变形之后，以塑性破坏的形式出现。 根据内外大量的实测成果及统计分析，建议对新鲜、完整及坚硬的 围岩，采用下列判别式预测岩爆。 0 . 5 )50 . 0 30 . 0 ET c W （ (2-5) 式中系数根据围岩切向应力和洞轴线方向应力之比而定。即： 轴系数 如果围岩裂隙发育、岩体破碎、强度较低时，其破坏机制有所改变， 这时结构面起控制作用，局部围岩可能沿裂隙、节理或其它软弱面发生 剪切或劈裂，其破坏形态为坍落、滑移或其它非弹射形式的破坏。如碧 口水电站为千枚岩，单轴抗压强度 12MPa，围岩最