岩爆与大变形专题

1、 大量的国内外地下工程实例表明，在满足高大量的国内外地下工程实例表明，在满足高或极高地应力水平条件下，在特殊不良地质区段或极高地应力水平条件下，在特殊不良地质区段修建隧道时，施工中将会遇到硬岩中的岩爆，以修建隧道时，施工中将会遇到硬岩中的岩爆，以及软岩中的大变形破坏等工程灾害。因此在工程及软岩中的大变形破坏等工程灾害。因此在工程技术上有许多难点问题需要解决。事实上近几十技术上有许多难点问题需要解决。事实上近几十年来年来, 随着矿山开采随着矿山开采, 隧道工程隧道工程, 水利水电水利水电, 军工建军工建设等地下工程的大型化发展，因岩爆和大变形造设等地下工程的大型化发展，因岩爆和大变形造成的围岩稳

2、定性破坏，已经客观的构成了高地应成的围岩稳定性破坏，已经客观的构成了高地应力区两大最严重的地下工程灾害力区两大最严重的地下工程灾害, 这种工程上的这种工程上的客观要求是本项科题研究的主导因素。客观要求是本项科题研究的主导因素。 本文以秦岭长大隧道为依托工程，围本文以秦岭长大隧道为依托工程，围绕秦岭隧道高地应力区围岩稳定性进行研绕秦岭隧道高地应力区围岩稳定性进行研究。主要包括以下几方面的内容：究。主要包括以下几方面的内容： 1、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定，段的判定，2、岩爆问题：通过对国内外隧道工程施、岩爆问题：通过对国内外隧道工程施工中所发生典型

3、岩爆实例的统计、分析与工中所发生典型岩爆实例的统计、分析与归纳，阐明岩爆发生的基本条件；归纳，阐明岩爆发生的基本条件； 3、工程应用：将本文提出的岩爆发生判、工程应用：将本文提出的岩爆发生判据应用于秦岭隧道据应用于秦岭隧道II线出口段发生岩爆的线出口段发生岩爆的地质区段，进行工程验证，结果很好。地质区段，进行工程验证，结果很好。4、岩爆治理：归纳岩爆的类型、性质和、岩爆治理：归纳岩爆的类型、性质和特点，提出合理有效的工程理技术措施。特点，提出合理有效的工程理技术措施。5、大变形问题：结合工程实例进行分析，、大变形问题：结合工程实例进行分析，阐明大变形现象的特征，阐明大变形现象的特征，提出大变形

4、的分提出大变形的分级和预测方法，以及治理大变形的工程措级和预测方法，以及治理大变形的工程措施。施。 一般说，岩爆和大变形的发生都与地应力场一般说，岩爆和大变形的发生都与地应力场的演变有关。因此的演变有关。因此,在说明岩爆和大变形工程现在说明岩爆和大变形工程现象之前，首先，应对秦岭隧道的地应力场的基象之前，首先，应对秦岭隧道的地应力场的基本变化情况给以说明。本变化情况给以说明。（一）、秦岭隧道初始地应力场分析（一）、秦岭隧道初始地应力场分析 秦岭隧道初始地应力场在没有实地测试数据秦岭隧道初始地应力场在没有实地测试数据的情况下，最可靠的方法是采用对既有工程的的情况下，最可靠的方法是采用对既有工程的

5、实测数据进行统计分析，而后根据统计分析式实测数据进行统计分析，而后根据统计分析式进行判定的方法。我们根据进行判定的方法。我们根据276个国内外地下工个国内外地下工程的地应力场的实测数据进行统计分析，获得程的地应力场的实测数据进行统计分析，获得以下结果。以下结果。 垂直应力垂直应力v=1.88+0.0244H (r=0.965) 平均水平应力平均水平应力h avg=10.276+0.0182H (r=0.7812) 最大水平应力最大水平应力h max=13.763+0.0211H (r=0.7839) 最小水平应力最小水平应力h min=6.464+0.0146H (r=0.8206) 平均水平

6、应力与垂直应力之比在下式范围之内：平均水平应力与垂直应力之比在下式范围之内： 150/H+0.50 C 1000/H+0.80 式中，式中， H 埋藏深度埋藏深度(m) v 垂直应力垂直应力(MPa) h avg平均水平应力平均水平应力(MPa) h max最大水平应力最大水平应力(MPa) h min最小水平应力最小水平应力(MPa) C=h avg/v侧压力系数侧压力系数 根据上述公式决定的地应力场，沿隧道纵向根据上述公式决定的地应力场，沿隧道纵向分布如图分布如图1所示。所示。 1、高地应力判据、高地应力判据 为了确定出秦岭隧道沿纵向分布的高地应力或极高地应力地段，本文采用了国标工程岩体分

7、级标准(GB50218-94)所建议的划分标准，进行分类。其判据表达式为： 极高地应力：Rc/max Rc/max 4 式中，Rc为岩石的抗压强度，而max为最大地应力值。显然，Rc/max的值越小，说明地应力水平越高。区分高或极高地应力水平的界限是： Rc/max = 4。 2、岩石抗压强度指标、岩石抗压强度指标Rc的确定的确定 1）勘测阶段）勘测阶段Rc确定确定 方法：在隧道通过的轴线部位共完成60m607m不同深度的钻孔10个，并在孔中取岩样共51组进行岩石的常规物理力学及岩石纵波速度的测试。然后进行了归纳和统计，在此基础上，分（4个）区段提出隧道穿越，主要岩样（三种）的物理力学指标(详

8、见表1)。 结果：第一段岩石干抗压强度范围值是122.1137Mpa，平均值分别为107.6MPa。第二段岩石干抗压强度范围值是122.1162.46Mpa，平均值为147.1Mpa。第四段岩石干抗压强度范围值是117192.2MPa，平均值为162.3Mpa。第 三 段 的 混 合 片 麻 岩 干 抗 压 强 度 范 围 值 是105.3325.0Mpa，平均值为195.0Mpa。 2 2）施工阶段）施工阶段RcRc确定确定 平导施工综合地质测试阶段在平导内取岩样37组，其中第一段混合片麻岩8组，第二段混合花岗岩4组，第三段混合片麻岩17组，第四段含绿色矿物混合花岗岩3组。蚀变闪长岩2组，碎

9、裂岩3组。获得结果：第一段混合片麻岩干抗压强度波动范围值是99.8148.3MPa，平均值分别为122.2MPa。第二段混合花岗岩干抗压强度波动范围值是152.7208.9MPa，平均值分别为173.3MPa。第三段混合片麻岩干抗压强度波动范围值是82.6302.1MPa，平均值分别为154MPa。第四段含绿色矿物混合花岗岩干抗压强度波动范围值是141.7226.5MPa，平均值分别为170.5MPa。 3 3、秦岭隧道高地应力或极高地应力地段分布、秦岭隧道高地应力或极高地应力地段分布 如图2所示，秦岭隧道沿纵向高地应力和极高地应力地段的分布情况。从中可以看出，秦岭隧道在整体上具有高地应力分布

10、的特点，其范围达到隧道全长的95%，而在隧道中部还呈现出大范围（占隧道全长的52%）的极高地应力分布，并且向两边延展，逐渐降低到高地应力及其以下地应力水平。 秦岭隧道所呈现出高地应力水平分布状况，将会在满足一定条件下，引起围岩发生岩爆，这是很自然的。 事实上，秦岭隧道II线已发生岩爆的工程实例表明，在进、出口两端，当隧道平导开挖进入极高地应力区域（见图2）后，分别在里程DYK64+370 DYK73+875和 DYK77+735+854大约4100m的范围内，相继发生了大规模的长时间的持续性岩爆，这一结果显然与秦岭隧道“具有大范围的高或极地应力的分布”是有很大关系的。 一般的，我们认为一般的，

11、我们认为“岩爆岩爆”的发生需要满足的发生需要满足工工程岩体分级标准程岩体分级标准(GB50218-94)(GB50218-94)规定：规定：Rc/Rc/max max 4 4，即需要满足一倍以上高地应力的条件；这是最基本的即需要满足一倍以上高地应力的条件；这是最基本的岩爆发生要素。但究竟是否发生岩爆，还要受到其他岩爆发生要素。但究竟是否发生岩爆，还要受到其他多种要素的影响和制约（如岩层的完整性、坚硬程度多种要素的影响和制约（如岩层的完整性、坚硬程度等），这也是显然的。围绕岩爆问题，目前已提出诸等），这也是显然的。围绕岩爆问题，目前已提出诸多理论，如：强度理论、刚度理论、能量理论、冲击多理论，如

12、：强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、扩容理论、失稳理论、表面失稳理论等倾向性理论、扩容理论、失稳理论、表面失稳理论等。本文从工程实际的角度出发，在收集和分析国内外。本文从工程实际的角度出发，在收集和分析国内外岩爆发生的工程实例的基础上，对岩爆发生的基本条岩爆发生的工程实例的基础上，对岩爆发生的基本条件和规律进行分析和研究，这是十分必要的。件和规律进行分析和研究，这是十分必要的。 表表3列出国内外曾经发生岩爆的一些隧列出国内外曾经发生岩爆的一些隧道工程的概况，从中对岩爆发生的条件，道工程的概况，从中对岩爆发生的条件，或许可以找出一些可供参考的规律。表或许可以找出一些可供参考的规律。表

13、1中中参数参数c 表示岩石单轴抗压强度；表示岩石单轴抗压强度；Is表示点表示点荷载强度；荷载强度；max 和和min 分别表示地应力分别表示地应力的最小值和最大值。的最小值和最大值。 通过对已发生岩爆地下工程的施工调查，可初通过对已发生岩爆地下工程的施工调查，可初步归纳出以下几点：步归纳出以下几点： 1、从开挖的坑壁，岩块迅速射出。严重时，整个掌、从开挖的坑壁，岩块迅速射出。严重时，整个掌 子面瞬间压坏；子面瞬间压坏； 2、在世界各地的深矿山中经常发生；、在世界各地的深矿山中经常发生； 3、在非常深的矿山中，也有衬砌瞬间破坏的情况。、在非常深的矿山中，也有衬砌瞬间破坏的情况。 此时，多是由于附

14、近的矿山开挖所致；此时，多是由于附近的矿山开挖所致； 4、在、在700以上埋深的情况发生的居多。在浅层的也以上埋深的情况发生的居多。在浅层的也 有发生的实例；有发生的实例； 5、视岩质情况发生的方式不同。例如，日本清水岭、视岩质情况发生的方式不同。例如，日本清水岭 下的四座隧道，关越隧道在页岩中就没有发生，下的四座隧道，关越隧道在页岩中就没有发生， 而在石英闪长岩中则发生多次；而在石英闪长岩中则发生多次； 6、有涌水时不发生；、有涌水时不发生； 7、与地层的方向、节理、夹层等强烈相关，例如顺、与地层的方向、节理、夹层等强烈相关，例如顺 层的情况下发生较多；层的情况下发生较多； 8、爆落块的大小

15、各式各样，但多是偏平的；、爆落块的大小各式各样，但多是偏平的； 9、掌子面附近的岩爆发生较多，掌子面打锚杆后可、掌子面附近的岩爆发生较多，掌子面打锚杆后可 防止岩爆；防止岩爆； 10、在同等地质条件下，采用掘进机（、在同等地质条件下，采用掘进机（TBM）施工）施工 的发生少，的发生少， 采用矿山法施工的发生多。采用矿山法施工的发生多。 在隧道勘测、设计阶段，根据揭示的地在隧道勘测、设计阶段，根据揭示的地质条件应该对岩爆的发生与否，有一个基本质条件应该对岩爆的发生与否，有一个基本判断。判断。 因此，一些国家对此曾提出相应的基准，因此，一些国家对此曾提出相应的基准，一些研究成果也提出若干建议。这些

16、规定和一些研究成果也提出若干建议。这些规定和建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。 瑞士的SIA198号岩体分级标准中规定：第1类岩体有岩爆，其基本条件是：单轴抗压强度c 100MPa、内摩擦角40、粘结力C 2.0MPa。 挪威学者Bardon 提出如下判据： c /max =52.5 t /max = 0.330.16 轻微岩爆 c /max 5 t /max = 0.16 强烈岩爆 我国“工程岩体分级标准”中规定：在极高应力和高应力条件下可发生岩爆。 极高应力条件是c /max 80MPa(至少60MPa) 表3实例中的岩石单轴抗压强度至少在6080MP

17、a以上，多数超过100MPa。这说明在岩石单轴抗压强度小于6080MPa的岩石中发生岩爆的可能性是不大的。也就是说，岩爆基本上是在坚硬的硬岩体中发生的。 2、岩质和岩性：坚硬、脆性 在列举的工程实例中，岩爆多数发生在石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体中。 这些岩体的共同力学特性是脆性的岩体。即达到峰值强度后，岩石急剧断裂。这可用岩石的脆性度表示。岩石的脆性指数是岩石峰值强度前的总变形与永久变形之比。并且比值越大，脆性越高。 表4 岩石脆性指数与岩爆的关系岩石脆性指数043.55.557.87岩爆发生强度无弱中等严重 3、岩体结构：完整或基本完整 在列

18、举的工程实例中，岩体结构大都是完整的和比较完整的。因为，完整和比较完整的岩体，积聚有很大的弹性应变能量。这是发生岩爆的必要条件之一。 4、地应力场的应力值：max 和min 地应力值是表示岩体内积聚弹性应变能的具体指标。一般说,地应力在岩体中是三维存在的。但为简单计，在一般情况下可用地应力中最大值表示。即最大地应力值越大，积聚弹性应变能越大。当岩石峰值强度前的弹性应变能积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩爆。因此可用下述指标判定岩爆发生强度。 max 0.25c 严重岩爆 max =0.150.25c 中等岩爆 max 1.35作为岩爆发生的一个判据。 5、 岩爆的发生与坑道轮廓的平整度

19、有关，例如在上述地质条件下，采用掘进机(TBM)施工的隧道，就可能不发生岩爆，而采用钻爆法施工的隧道就会经常发生岩爆。这是因为钻爆法在坑道轮廓上造成的超欠挖所致，而超欠挖所会造成围岩局部高度应力集中。并导致岩爆的发生。 隧道内表面的凹凸不平，对岩爆的发生也具有一定的影响。因此，控制超欠挖也是控制岩爆发生的重要措施。 (四四)、 工程应用工程应用 根据上文分析提出的岩爆发生的基本条件，对目前正在施工的西康线秦岭隧道出口段II线平导所发生岩爆的区段进行了验证。西康线秦岭隧道分为I线、II线，其中II线采用钻爆法施工，I线采用掘进机(TBM)施工。 表5给出秦岭隧道II线发生岩爆区段的地质状况。 需

20、要指出的是，在隧道开挖前这一地段(里程为DK77+735+854)被认为是“不发生岩爆”的，因为按照Barton判据发生岩爆需满足最小值max /c0.2的临界条件。结合本文提出的岩爆发生基本条件，进行重新考察，和得到max /c =0.150.1520.15，它满足本文提出岩爆发生临界最小值条件，这种情况与该地段现场发生的“轻度”岩爆很好地吻合。表5 秦岭隧道II线岩爆发生区段地质状况 里程里程埋埋 深深m岩质、岩性、种类岩质、岩性、种类围岩类别、围岩类别、结构完整性结构完整性力学参数、力学参数、地应力水平地应力水平/MpaDYK77+735+854570620坚硬、脆性、片麻坚硬、脆性、片

21、麻岩岩VI类、类、完整性好完整性好c =145, max =21.722.21、 岩爆的类型、性质和特点岩爆的类型、性质和特点 在埋深大的围岩内开挖隧道或矿山时，岩石会从侧壁、拱顶或开挖面，伴随声响飞出。这种现象叫做岩爆。这是因开挖隧道形成的应力集中，超过岩石单轴抗压强度，再加上表面不光滑的应力集中所致。岩爆的机理，尚未明确。 但认为是由岩石的拉伸破坏的人不少。但也有问题。要使产生破坏的拉应力发生，在岩石中就必需有弱点。根据经验，在没有弱点的整体岩层中，更易发生岩爆。而且，其破裂面与地质构造关系不大。 因此，目前认为岩爆是由压力产生的剪切破坏所致的较多。岩爆是因压力显著集中，超过周边围岩的抗压

22、强度所引起；另外切入效果也颇引人注意。 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。岩爆是突发性的，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，与塌方、塌顶有明显不同。 岩爆的特征可从多个角度去描述，目前，主要是根据现场调查所得到的岩爆特征,考虑岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素，分为以下几类： 1）、破裂松脱型 围岩成块状、版状、鳞片状，爆裂声响微弱，弹射距离很小，岩壁上形成破裂坑。破裂坑的深度，主要受围岩应力和强度的控制。 2）、爆裂弹射型 岩片弹射及岩粉喷射，爆裂声响如同枪声，弹射岩片体积一般不超过1/3m3 ，直径510cm。

23、洞室开凿后，一般出现片状岩石弹射，崩落或成笋皮状的薄片剥落，岩片的弹射距离一般为25m。岩块多为中间厚，周边薄的菱形岩片。 3）、爆炸抛射型 岩爆发生时，巨石抛射，其声响如同炮弹爆炸。抛射岩块的体积数从1m3 到数10m3，抛射距离从几m到1020m。 此外，还有冲击地压型，远围岩地震型，断裂地震型等，但隧道施工中很少遇到。 2、 岩爆治理的技术措施岩爆治理的技术措施 通过大量的工程实践及经验的积累，目前已有许多行之有效的治理岩爆的措施。归纳起来有：加固围岩、防护措施、完善施工方法、改善围岩应力条件及改变围岩性质等。 1）、围岩加固措施是指对已经开挖洞室周边进行加固以及掌子面前超前加固，可改善

24、掌子面本身以及0.53倍洞室直径范围内围岩的应力状态，使得洞室周边岩体应力状态从两向变为三向，并具有防护作用，以防止弹射、塌落等事故。从工程实例来看，目前采取的加固治理措施大致有以下几种： 2）、喷射混凝土或钢纤维混凝土； 喷射混凝土法能将未清除干净的小块石粘结在一起，还能防止锚杆之间岩石碎片飞出；及时起到降低岩爆强度的作用。当喷射混凝土支护不能满足要求时，可采用喷射钢纤混凝土来增强柔性，以减少猛烈岩爆的倾向，从而有效的阻止岩体发生较大的变形及表面开裂。 3）、系统锚杆 其主要作用是防止洞室周边及掌子面岩体劈裂、剥落、岩块塌落。施作方法是在拱顶处布置系统锚杆，当掌子面发生岩爆时，须向掘进前方打

25、超前锚杆对掌子面进行加固，锚杆长度一般为两倍的爆破进尺距离。在一个循环的爆破之后仍有一部分锚杆存留在岩体中，对掌直面起着加固作用。这就是行之有效的膨胀锚杆(Swellex Bolt)治理隧道岩爆的原理。 图 5 采用膨胀锚杆防止岩爆实施的四个阶段 如图5所示为采用膨胀锚杆控制掌子面的施工过程。24根4m长的锚杆安设在掌子面上，每一循环钻爆进尺深度为1.5m，锚杆在爆破时被截断，但仍有约2/3的杆体存留以保持掌子面的稳定，这使得下一个循环钻眼作业不受岩爆的影响。掌子面在安设锚杆之后同样也施作混凝土。在发生岩爆的情况下，支护必须能够屈服，通常锚杆破坏是由于超载而使其丧失承载力。岩爆可能产生相当大的

26、瞬时荷载作用在锚杆上，因此非屈服锚杆则会被破坏，而屈服锚杆则可以滑移并且约束岩块的变形，当变形终止时，仍然保持相当的约束力。 在某些特殊情况下，如岩爆发生频繁且较剧烈，通常采用钢丝网或钢支撑配合锚喷支护进行加固。 如上所述，按着岩爆的程度不同，可分为三种情况来处理：vl岩石剥落，破坏不严重：在掌子面上喷射混凝土，安设摩擦型锚杆，按要求使用垫板。锚杆长度应为2倍循环进尺。vl中等程度的岩爆：喷射混凝土，布置系统的摩擦型锚杆。锚杆长度要求2倍进尺深度。在锚杆垫板与岩面之间加设木板。vl剧烈的岩爆：系统布置摩擦型锚杆，加钢筋网和喷射混凝土。 4）、改善围岩应力条件 从强度理论分析，岩爆是一种破坏，伴

27、随着破坏释放能量而造成震动、抛突、塌落、堵塞等灾害，若能使围岩应力小于其强度就不会发生岩爆，要达到此目的，可以从设计与施工的角度采取下述办法。 在选择隧道及其地下结构物的位置时，应尽量布置使其长轴方向与最大主应力方向平行，这样做可以减小洞室周边的切向应力。 在设计时选择合理的开挖断面形状，如半圆形、椭圆形等近似圆形的断面形状，以改善围岩应力状态，特别是降低开挖后引起的不均匀的应力集中程度。 在施工过程中，宜采用断进尺和多循环来改善围岩应力状态，这一点已被大量实践所证实。 应力解除法。在洞室开挖之前，在围岩内部造成一个破碎带，使岩体原始应力释放。以便减弱开挖后的掌子面及洞室周边围岩应力，使之不发

28、生岩爆或减弱岩爆的发生。 此法是从掌子面向前方打超前斜孔或在钻孔中进行松动爆破形成一个低弹区，又称超前应力解除法。超前应力解除是在施工中，一边应力解除，一边掘进，已在许多工程中成功运用，例如秦岭隧道出口段II线就是其中一例。图 6 超前应力解除法示意图 如图6所示，超前应力解除法示意图。B为破碎带宽度，k为安全距离，为爆破角，L为爆破长度。 改变围岩性质 采用注水软化的方法以改变围岩的变形及强度特性，此法在秦岭隧道出口段II线得到很好的运用，它也是一种积极防止岩爆的主动措施。 对于拱顶部位由岩爆所产生的松动岩块进行清除，以保证施工安全。 （一）、（一）、 概述概述 根据国内外隧道施工的实践，在

29、下述条件下，施工过程中发生大变形工程现象，是必然的，正常的。vl 挤压性围岩的挤压变形；vl 膨胀性围岩的膨压变形；vl 断层破碎带的松弛变形；vl 高地应力条件下的软弱围岩的大变形等。 它们的共同特征是：断面缩小、基脚下沉、拱腰开裂、基底鼓起等。变形初期不仅变形的绝对值很大，而且位移速度也很大。如不加控制或控制不及时,就会造成不可预计的后果。 例如我国宝中线的大寨岭、老爷岭、老头沟隧道以及穿越煤系地层的家竹箐隧道等就出现了类似的大变形的情况。给施工设计造成极大的难题。这种情况在国外的隧道施工中，也是屡见不鲜的。如日本的惠那山公路隧道、Tauern、Arlberg等隧道都是典型的工程事例。在修

30、建的二朗山隧道，在高地应力条件下，于软岩及断层破碎带等地段，也将会出现较为严重的大变形现象，在工程的设计，施工过程中必需予以极大的关注。 但，应该如何理解大变形这种工程现象?、大变形是如何产生的?、大变形发生的基本条件和规律是什麽?、各种工程措施控制大变形的工程效果如何?、 如何保证在大变形条件下，不遗留后患?、设计和施工应采取的基本原则.等等一系列问题，都需要认真地加以研究和解决。而我国在治理隧道大变形现象上积累了一定的经验,如大寨岭、家竹箐等隧道的治理工作。因此，总结和深化已经取得的经验，改善设计和施工质量是十分必要的。（四）、大变形的治理（四）、大变形的治理 大变形的治理措施，根据国内外的施工经验，归纳如下： 1、 加强稳定撑子面的辅助措施 正面喷混凝土和锚杆； 打超前锚杆或钢筋； 2、 加强基脚的措施，这是基本的，即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住。 向底部地层注浆加固； 向两侧打底部锚杆； 支撑加底板及加劲肋； 设底部横撑或临时仰拱；3、 防止断面挤入的措施 增打加长锚杆；主要在两侧。锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定范围内才有效果； 设底部横撑，打底部锚杆，修筑仰拱；这是极为重要的工程措施； 缩短台阶长度，及早闭合； 下半断