隧洞开挖中岩爆防治施工措施研究

1、隧洞开挖中岩爆防治施工措施研究中铁一局五公司 王 博摘要:通过对锦屏辅助洞开挖过程中发生的岩爆现象的调查分析,查明了该隧洞岩爆的特征和发生规律,并从开挖爆破方法、初期支护、转移围岩应力释放等方面着手，阐述了该隧洞岩爆防治施工措施，取得了良好的实际使用效果。关键词:隧洞；岩爆特征；防治施工措施； 0引言岩爆是在高应力下岩石工程中围岩体的突然破坏,并伴随着岩体中应变能的突然释放,是一种岩石破裂过程失稳现象,尤其是深部岩体破坏失稳的主要方式。南非是最早系统开展岩爆研究的国家之一。此外,阿尔卑斯山区Simplon水工隧洞、日本清水隧洞和关越隧道、德国鲁尔矿区、前苏联塔什塔戈尔铁矿、波兰卢宾铜矿、美国G

2、alena矿、美国爱达荷州北部克达伦铅锌银矿、加拿大萨德伯铜镍矿、加拿大安大略省柯克兰德湖区的马卡萨金矿、智利埃尔特尼恩特铜矿、挪威赫古拉公路隧道、瑞典维斯塔引水隧洞、瑞典Forsmark核电站附属水工隧洞均发生过不同程度的岩爆,也做了相关的岩爆预测和防治措施研究1-3。我国最早记录的煤爆发生于1933年抚顺胜利煤矿。岷江渔子溪一级水电站引水隧洞、南盘江天生桥二级水电站引水隧洞、川藏公路二郎山隧道、铜陵冬瓜山铜矿、秦岭铁路隧道、浙江省台缙高速公路苍岭隧道、瀑布沟水电站地下厂房、重庆宜昌高速公路陆家岭隧道亦发生多次岩爆,相关研究成果也非常丰富4,5。目前,有关岩爆的发生机理仍不十分清楚。在深部高

3、应力作用下,岩爆的发生机制更为复杂,既要考虑岩体在长期载荷作用下的疲劳、损伤,确定岩体的长期强度,还要考虑水、气等环境因素的影响。在理论和施工现场探测相结合基础上,国内外学者提出了多种岩爆判据和岩爆分级,而且总结出较好的预测预报方法和防治措施6-8,但岩爆的复杂性使得岩爆问题至今仍是岩石力学世界性难题之一。本文研究了锦屏辅助洞工程岩爆现象和特征,提出并成功应用了相关岩爆防治措施。1工程概述锦屏水电枢纽辅助洞工程是国家西部大开发和“西电东送”的重要电源点锦屏梯级水电站前期工程的关键施工项目之一,集交通、科研、试验等多种功能于一身。辅助洞由A,B两孔单车道隧洞组成,采用城门洞形断面,水平中心距约3

4、5 m。辅助洞工程具有特长(长达17.5 km,独头掘进9.5 km)、埋深大(达2 400 m、最大地应力可达54 MPa)、水压高(达10 MPa)的特点,岩爆是其主要工程地质问题之一。本工程围岩主要由三迭系(T)地层组成,岩性主要为碳酸岩。工程区处于我国西南高地应力区,隧洞最大埋深约为2 375 m,埋深大于1 500 m的洞段长度约12 875 m,占全洞长度的73.1%。在硬岩无水高地应力地段岩爆发生不可避免,对施工安全极易造成危害,对工程进度也会造成严重影响。根据勘测设计单位资料,长探洞在埋深1 843 m处实测最大主应力达42.1 MPa,随着埋深的增加,地应力值将有所增加。经回

5、归分析,洞线高程的最大主应力可达54 MPa,属高地应力区,在施工开挖过程中将会产生中等强度岩爆,部分洞段为强岩爆。对岩爆的预测和处理是本工程的一大难点。2锦屏辅助洞岩爆的现象与特征锦屏辅助洞自开工至今两年来,发生了规模不等的岩爆近百次,典型岩爆照片如图1所示。从岩爆发生前、发生过程中以及岩爆后的资料看,岩爆大体上有如下基本特征:1)岩爆发生前无明显征兆,爆破后虽然经过仔细找顶,但并无空响声;2)岩爆发生洞段一般干燥无水,岩层相对较完整、坚硬,埋深较大,多发生在埋深200 m以上的洞段;3)岩爆发生的地点多在新开挖掌子面及其附近,有的距掌子面较远(达数十米),初期支护之后仍然发生;4)岩爆发生

6、时的爆裂声音有强有弱,有的沉而闷,有的清而脆。总的来说,声响沉闷的岩爆规模较大,而声响清脆的规模较小,有的伴随着声响可见破碎处冒岩灰。绝大多数岩爆伴随着声响爆裂,即使在施工干扰下,也能听到围岩内部的爆裂声;5)岩爆的弹射距离一般不超过3 m;6)岩爆的岩体有体积较大的块体,也有体积较小的薄片。薄片的形状呈中间厚、四周薄的贝壳状,其长与宽尺寸相差不太悬殊,但周边厚度方向参差不齐。块体的形状多为有一至两组的平行裂面,其余的一组破裂面呈刀刃状。岩块几何尺寸均较小,一般在40 cm45 cm(520)cm范围内;7)从岩爆坑的形态看,有直角形、阶梯形和窝状形。爆坑为直角形的岩爆,其规模较大,爆坑较深,

7、发生时一般伴随有沉闷的爆裂声;阶梯形爆坑岩爆的规模较小,时常伴随着多次爆裂声发生,爆落的岩体多为片状或板状;窝状爆坑的岩爆规模则有大有小,在石英岩脉富集处规模较大,而在岩脉较少处则规模较小,一般一次爆裂成窝状,破坏与声响同步；8)岩爆可能重复发生。应力释放区发生岩爆后,还可能发生二次甚至多次岩爆。3防治岩爆的施工措施3.1施工方法简述锦屏辅助洞在开挖掘进施工前,我们制定了详细的实施性施工组织设计,对不同围岩类别实施不同的施工方法。隧洞按新奥法原则组织施工,实施光面爆破、喷锚支护、围岩量测等。开挖采用瑞典Atlas353E三臂液压钻孔台车钻孔,人工装药爆破,德国ITC312挖掘装载机装碴,DXT

8、-18(12)T电瓶车牵引16 m3梭式矿车有轨(轨距900 mm)出碴。在钻孔台车循环钻孔之前,采用国际先进的TSP203+系统、地质雷达及超前钻孔相结合的综合地质预报方法对隧洞施工全过程进行地质超前预报。针对可能出现的情况制定了岩爆应急预案。防治岩爆是立足于减轻或避免岩爆伤人、毁机及导致围岩大面积失稳而引起洞室破坏的目标的。按照“安全第一、稳扎稳打、不盲目冒进”的指导思想,遵循“以防为主、防治结合、多种手段综合治理”的原则进行组织施工和防治岩爆。3.2开挖爆破方法1)洞室采用光面控制爆破,岩爆洞段(,类围岩)调整后的爆破参数见表1。表1光面爆破参数表爆破技术围岩类别炮眼直径d/mm周边孔间

9、距E/cm周边孔抵抗线W/cm线装药密度g/m装药直径/mm光面爆破中硬岩40505565608030040020252)考虑到全断面一次性钻孔对掌子面围岩扰动较大,易诱发岩爆,故钻孔作业分两步进行:先利用三臂台车(三臂分别按左中右进行布置)进行上半部钻孔,空孔能有效释放拱部部分应力,以降低岩爆出现的几率,减少下半部钻孔作业时对人和设备的威胁。通过调整钻孔作业顺序,改变布孔方式和掏槽方法,改善洞室周边轮廓形状,取得了较为明显的效果。3.3支护形式岩爆的成因主要取决于洞室的地应力条件和施工触发等因素。为降低岩爆的危害,很重要的一条就是在洞室开挖后对围岩进行及时的支护,这样做不仅可以改善地应力的大

10、小和分布,而且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态,从而达到减轻岩爆危害的目的,并且还能起到有效的防护作用,防止岩块(片)剥落和弹射造成事故。锦屏辅助洞在开挖掘进前采用国际先进的TSP203+系统、地质雷达及超前钻孔相结合的综合地质预报方法进行地质预报工作。根据超声波检测成果,从围岩完整性、强度、地下水、是否存在断层等情况,超前预报了掌子面前方围岩是否会有岩爆(以及岩爆等级)产生。开挖后,根据已发生岩爆的特征,结合现场的现象尽快对岩爆进行分级,并有针对性地采取了以下几种支护措施。3.3.1环向锚杆+素喷混凝土支护根据锦屏辅助洞已发生的后发性和重复性岩爆,为减少或防止这些岩爆的

11、发生、降低岩爆对人员及设备的威胁,设置了环向22锚杆,长2.5 m3.5 m、间距1.0 m1.5 m、梅花形布置。同时,为了防止锚杆间出现岩爆,我们还喷了8 cm12 cm厚C25素混凝土。实践证明,在预测较小规模岩爆的洞段进行这种支护,对预防后发性岩爆有良好的效果。3.3.2环向锚杆+钢筋网+喷混凝土支护岩爆发生后,由于岩体的应力重分布,围岩会产生一个一定厚度的松动圈。为防止地质条件的进一步恶化,发生更大规模的岩爆或坍塌,需采用环向锚杆+钢筋网+喷混凝土支护的支护形式。这种支护的弹性模量与天然岩体弹性模量接近,与围岩粘结密贴,维护围岩的能力较强,可有效地使地应力向围岩深部转移,是一种经济有

12、效的防治岩爆的支护措施。3.3.3环向锚杆+喷钢纤维混凝土锦屏辅助洞的主要支护形式是环向锚杆+喷射钢纤维混凝土。钢纤维采用CW03-30-1000型钢纤维,掺量为40 kg/m360 kg/m3,采用MEYCO麦斯特大型湿喷机喷射混凝土。由于短而细的钢纤维在混凝土基体中呈乱向且不连续分布,在受荷载作用下,钢纤维能限制混凝土基体裂缝的开展,即具有较高的阻裂效应,从而使原来脆性的材料呈现较高的抗拉、抗裂和抗弯韧性。为增加喷射钢纤维混凝土与岩面的粘结强度并减少回弹损失,在喷射钢纤维混凝土前先在基岩面上喷一层约1 cm厚的水泥砂浆,在砂浆凝固以前即喷射钢纤维混凝土。在喷射钢纤维混凝土结束后,为提高喷层

13、的平整度和保护面层裸露的钢纤维不生锈,故在面层再喷1 cm厚的砂浆保护层。同标号的喷射钢纤维混凝土较之喷射素混凝土在抗拉强度和韧度系数方面有了显著的提高,在防治岩爆支护中可基本取代钢筋网,减小了喷射混凝土层的厚度,节省了混凝土,也不需新增添其他设备,不但在技术上安全可行,而且在经济上用钢纤维喷混凝土支护,总造价比挂钢筋网喷混凝土节约8%15%,再加上因取代钢筋网而节省的时间,具有极大的优越性。实践证明,喷射钢纤维混凝土在锦屏辅助洞的防治岩爆、节约投资等方面是很成功的,具有广泛的推广应用前景。3.4转移应力释放的能量由于天然岩体中储存有很大的弹性应变能,洞室开挖后,由于天然岩体单侧卸载后的回弹作

14、用,释放了一部分能量,结果便是使洞室周边切向产生挤压而形成加载,同时产生应力集中,这种不利的应力重分布和能量的急剧积聚,将导致洞室局部地方发生破坏,属于脆性破坏。因此,假如能够在岩爆部位减缓应力集中和能量的急剧积聚,使之向围岩深部转移或释放掉,必定能减轻或避免岩爆。在锦屏辅助洞岩爆发生较为频繁、较为强烈的洞段,在掌子面上打设3个5个超前钻孔,深18 m25 m,这样既可以起到地质超前钻探的作用,又可以起到释放掌子面应力的作用。同时,沿隧洞环向打了许多空孔,深度为1.0 m3.0 m不等,梅花形布置,并对干燥的岩面洒水湿润以释放部分应力,直接转移应力能量。根据现场经验表明,在开挖后0 h4 h时

15、段内即找顶和装碴时扰动围岩,岩爆活动的频率较高,岩石破坏厚度也较大;开挖后15 h20 h时段内,岩爆发生的频率也较高,此时正值掌子面10 m范围内施作喷锚支护,这些时段对作业工人安全威胁极大,随时都可能有岩爆伤人事故发生,故需采取“躲”的策略,有意识地避让岩爆的高发时段和地段,间接地转移应力能量。5结语1)在地下水发育、溶孔较多的洞段一般不会发生岩爆。2)岩爆洞段经常向岩壁喷水具有实际意义,可有效降低岩爆发生的几率和强度。3)相关的试验结果表明:在喷钢纤维混凝土中加入适量的硅粉,能显著提高钢纤维混凝土的力学性能和围岩粘结强度,同时减少水泥用量,减少喷射混凝土的回弹量,对确保工程开挖施工的安全

16、、加快开挖施工进度和提高经济效益都有显著的效果。4)岩爆洞段在开挖后,应立即进行喷锚支护,以尽可能减少岩层暴露时间,降低岩爆发生的几率。初期安全支护后,在有条件的情况下,应及时跟进二次永久衬砌支护,以免该洞段出现二次或多次岩爆现象,危及人员及设备的安全,并造成支护费用的增加。5)洞室发生岩爆后,出现岩块的爆落或弹射,势必会造成隧洞一定程度上的超挖,“超挖值”的大小目前尚无规可循。如果掌握了不同强度岩爆的具体“超挖值”,那么,可以在施工中采取更为合理而有效的对策措施,这对降低工程造价将会有一定的现实意义。参考文献:1张镜剑,傅冰骏.岩爆及其判据和防治J.岩石力学与工程学报,2008,27(10):2034-2042.2许博,谢和平,涂扬举.瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟J.岩石力学与工程学报,2007,26(S1):2894-2900.3宫凤强,李夕兵.岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用J.岩石力学与工程学报,2007,26(5):1013-1018.4徐林生,王兰生.二郎山公路隧道岩爆发生规律与岩爆预测研究J.岩土工程学报,1999,21(5):569-572.5谭以安.岩爆特征及岩体结构效应J.中国科学,1991,B辑(9):985-991.6E.Broch,