岩爆发生机理及防治措施

岩爆发生机理与治理措施摘要：岩爆是深埋长大隧道的主要地质灾害之一，目前基于岩爆发生机理和治理方式国内外专家都提出了不少理论方法，但用于生产实践时都遇到或多或少的问题。内外相关文献资料的基础上，笔者通过两年多来在岩爆洞段的施工经验，并查阅国对岩爆的发生机理和防治对策进行探讨。关键词：深埋长隧道 断裂型岩爆 应力型岩爆 水胀式锚杆 爆破应力释放孔1、岩爆发生机理岩爆是高地应力地区岩石地下工程中的一种常见灾害。它常常表现为声响、片状剥落、严重照片帮和岩爆性的坍塌，有的伴的声响及岩片弹射、能量猛烈释放、洞室豁然破坏，往往给人员、机械设备和建筑的安全带画巨大的损失。在地下洞室的修建过程中，由于开挖使地应力重新分布，围岩应力集中，在洞壁平行于最大初始应力1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。这种应力的作用不断增强，首先产生环向的张裂或劈裂，进而发生剪切破坏。一旦岩块被剪断，且又具有较高的剩余能量时，致使岩块发生弹射，完成弹性势能到动能的转换，形成岩爆。岩爆的发生有外部和内部两方面的原因。其外因在于：岩体中蓄存有高地应力，特别是地下洞室的开挖改变了岩体内存的力学环境，其内因是岩石矿物结构密度、坚硬度较高，一般发生岩爆的岩石单轴搞压强度均在120Mpa以上，内因和外因同时成立是即发生岩爆。2、岩爆的分类根据对辅助洞1000多米的岩爆洞段的观察分析，可将岩爆划分为应力型岩爆和断裂型岩爆，应力型岩爆主要发生在围岩结构完整，无贯穿性结构面的岩层中，岩石的主应力达到40%岩石单轴抗压强度以上，岩爆表现形式以片状剥落为主，并伴有声响及岩片弹射，一般破坏性不大；断裂型岩爆主要发生在岩石结构完整，并伴有贯穿性结构面或断层的岩体中，岩体的应力主要集中在贯穿性结构面附近，往往岩体内的最大主应力大于或接近岩石单轴抗压强度，主要表现形式为突发性的震动，并伴有强烈的响声，在有相交结构面的围岩中往往还因岩爆震动引起大规模的坍塌，破坏性较大。对辅助洞施工安全造成严重威胁的极强岩爆多属于断裂型岩爆，从本质上讲，岩爆的发生并不是洞周高应力直接作用结果，而是开挖面附近某一范围内存在的断裂构造在高应力作用下发生破坏（如错动），导致能量突然释放，对围岩造成强烈冲击作用的结果。断裂破坏过程中伴随着不同程度的震动，岩爆是开挖面附近围岩在震动冲击荷载下发生破坏的结果。因此，震动是诱发岩爆的内在原因，岩爆是破坏的表现方式。现场出现的大范围坍塌破坏，并不都是岩爆，很大程度是岩爆震动导致岩体破裂，开挖后出现坍塌破坏的结果。实际上，震动可导致岩爆，也可以导致岩体坍塌。在绝大多数情况下，前者说明破坏岩体受到了很大的冲击，后者倾向于岩体比较破碎，自身稳定性差。3、岩爆的预测 岩爆的预测是工程施工容易忽略的重要问题，目前国内外尚无一套有效的预测方法。在辅助洞施工中，结合生产实践，主要采取了以下预测措施：1）宏观上，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。2）微观上，采用先进的物探手段，如TSP超前地质预报、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，一般来说如果前方岩性较完整，80%的情况下是有岩爆发生的。4、岩爆的治理 岩爆的治理是解决岩爆问题的最终目的，也是关系人员安全和设备安全的重要措施。岩爆的防治方法很多，根据国内外常用的处理岩爆的方法，并结合辅助洞的实际，对岩爆的治理作如下讨论：1）开挖前释放岩爆能量，释放能量的方法有很多种，如打应力释放空孔、松动爆破、冲水减压等，在辅助洞也试用了多种解压方法。首先是冲水减压法，在掌子面爆破后立即用高压水对掌子面以及周边暴露岩面进行冲洗，冲洗时间均在十分钟左右，通过五个循环的试用，冲水减压法对释放岩爆应力没有起到一点作用，事后分析其原因，主要在于冲水减压法治理岩爆的机理在于也许变岩石的性能，减弱其岩石强度，从而从岩爆发生的内因上消除岩爆，但在大理岩中用此方法，因大理岩遇水并不软化的特性而失效。其后试用了打应力释放空孔减压的方法，每个循环均在易发生岩爆的拱部针对性的打1020个深5m，直径50mm的空孔，并对孔内注水，此方法在弱岩爆地段有一定的效果，但在中等以上岩爆洞段因打孔释放的能量不够而起不到有效的成效。最后在国际知名岩爆处理专家朱焕春博士的指导了，辅助洞成功运用了应力解除爆破孔释放能量的方法。根据辅助洞的开挖断面尺寸，在中等强度岩爆洞段，应力解除爆破孔按9个孔布置，三排三列均匀布置在掌子面，其中最上一排孔距离顶拱1m，以15仰角布置，最上排的两侧孔同时均以10的角度分别向两侧边墙倾斜，最底一排孔距离底板高程2m，中间一排孔距离最底一排孔2.25m，这两排孔均优先考虑为水平与洞轴平行布置。爆破孔深4m（一般为当循环开挖深度的两倍），底部1.4m长度装7卷32药卷（炸药类型与正常爆破用药相同），外端封堵1m，以保证密实为原则。上述方案的基本思路是利用应力解除爆破释放可能导致强岩爆的能量，降低风险，些后利用及时的柔性支护系统保护围岩的完整性的围压条件，维持围岩的承载能力和抗冲击能力，使得较低的冲击能量不至于导致围岩破坏。运用爆破应力释放孔结合爆破后柔性支护的方法，对控制岩爆发生可起到有效的抑制作用，并且运用简单，处理快速，成本低廉。2）开挖过程中控制洞室成型，避免应力集中 开挖使用光面爆破，短进尺、弱爆破，钻孔深度2.0m，周边眼孔距50cm，周边眼单孔装药量不大于400g/孔，单循环总装药量不大于200kg；并严格控制超欠挖，使洞室成型圆顺，减少因为洞室不规则引起的应力集中而诱发岩爆；3）减少岩体暴露时间和面积 除开挖使用短进尺和弱爆破外，爆破后立即对暴露岩面（包括掌子面）进行初喷混凝土支护，根据对岩爆发生情况的观察，爆破后25个小时是岩爆发生频率较高的时间段，因此宜在此时间前给洞壁围岩一个附加的径向压力，虽然喷混凝土能够提供的附加径向压力不大，但能起到四俩拨千斤的作用，一是控制围岩继续变形，二是有效的控制片帮的发生。喷混凝土厚度宜在510cm之间。适量的掺入钢纤维可起到很好的效果，钢纤维混凝土较一般喷混凝土具有强度高，柔性好，护变形能力大的特点。4）加固支护 在作好初期喷混凝土支护后，并不能完全消除岩爆安全隐患，此时的围岩处于应力重新分布、岩爆能量积累的过程中，一旦积累到一定程度，必然导致初期喷混凝土支护的失效。常用的支护手段视岩爆级别采取措施如下：继续加喷钢纤维混凝土；周边锚杆加固，可应付突然发生的岩爆，通常摩擦型锚杆能收到很好的效果，锚杆数量视岩爆级别定，常用的锚杆有普通砂浆锚杆、水胀式锚杆等；挂网锚喷支护，先施作锚杆，再挂钢筋网或钢丝网，钢筋网规格以410cm10cm为宜，最后复喷钢纤维混凝土；格栅钢架支护，钢架尽量紧贴岩面，用锚杆固定，再喷钢纤维混凝土覆盖。5、施工安全措施 1）增设临时防护措施，给主要的施工设备安装防护网和防护棚架，给施工人员配发钢盔，掌子面加挂钢丝网；2）岩爆非常剧烈时，为了安全，在危险距离以外躲避一段时间，直到岩爆平静为止；3）加强巡回撬顶，及时清除爆裂危石，确保施工人员安全；4）所有工序都从远离掌子面的安全地段向掌子面