岩爆施工工艺手册

岩爆施工工艺手册岩爆是高地应力地区地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象。在具有大量弹性应变能储蓄的硬质脆性岩体内，由于洞室开挖，地应力分异，围岩应力集中，在围岩应力作用下产生脆性破坏，并伴随响声和震动，在消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化为动能，围岩由静态平衡向动态失稳发展，造成岩块（片）脱离母体，获得有效弹性能量，猛烈向临空方向抛射，是经历劈裂成板、剪断成块、块状弹射三个渐进过程的破坏现象。4.6.1岩爆的类型及特征4.6.1.1岩爆的分类岩爆的特征可以从多个角度去描述。目前一般从工程实践出发，依据现场调查所得到的岩爆特征，考虑岩爆的危害方式、危害程度以及防治对策等，对岩爆进行分类。其中按破裂程度分类岩爆可分为：1、破裂松弛型围岩成块状、板状或片状爆裂，爆裂响声微弱，偶然可听见噼噼啪啪响声，破裂的岩块（板、片）少部分已与洞壁母岩断开，但弹射距离很小，顶板岩爆的石块主要是坠落，底板岩爆石块堆积在原处，而大多数与母岩尚未断开，不易从洞壁上撬下来。2、爆裂弹射型岩爆的岩块（片）完全脱离母岩，经安全处理后留下岩爆破裂坑。岩爆发生时的爆裂声响如枪声，弹射的岩块（片）最大不超过1/3m3，有5～10cm直径的，有拳头大小的，也有粉末烟雾状的岩粉喷射。主要危害是弹射的岩片伤人，对机械、隧道无多大影响。3、爆炸抛射型有巨石抛射，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10～20米，抛石对机械、支撑有损害，但震动不会造成大的破坏。4.6.1.2岩爆的特征经调查研究发现，岩爆在破坏断面和弹射岩块的几何特征、一般力学特征、动力学特征方面具有以下特点：1、爆裂面的形态特征岩爆坑边缘多为阶梯面，其中一组爆裂面与原开挖洞壁平行，另一组与洞壁斜交。爆裂面以新鲜破裂为主，少数迁就围岩裂隙面。新鲜面上爆裂纹定向排列，与隧洞切向应力大体平行。岩爆从洞壁弹射出来的岩块及靠近岩爆裂面残留下来的断块多为棱块状、透镜状、磷片状、片状，少数为板状。上述特征共同反映出洞室产生岩爆的受力状态。2、破裂面的力学特征由岩爆破坏断面统计，爆裂面主要为两组，一组与最大初始应力作用方向平行，破裂角β=0～5°，另一组斜交，β=20～25°。属脆性破坏范围。通过对两组断面及弹射岩块断口电镜扫描分析，前一组破裂面为张性破裂面，后一组斜交洞壁的破裂面属张剪破裂面。综上可见，岩爆属于张、剪脆性破坏。3、岩爆的动力特征（1）震动特征强度弱的岩爆造成的震动较弱，强度大的灾难性岩爆，常引起强烈震动，使洞室及建筑物遭受破坏。（2）弹射特征岩爆抛射具有一定的初速度。据资料介绍，弱岩爆岩块弹射的平均速度V0一般小于2m/s，中等岩爆V0＞2～5m/s，强烈岩爆V0=5～10m/s，严重岩爆V0＞10m/s。弹射物的分布范围远大于爆裂面的面积，并具有一定的散射角。岩爆的弹射特征是区别于隧道一般塌方破坏的重要依据。4.6.2岩爆的形成机制分析岩爆的形成机制十分复杂，搞清岩爆的形成机制，对隧道设计、施工、预测和防治至关重要。4.6.2.1岩爆的形成机制岩爆的形成机制，一般可从以下几个方面进行研究：1、现场岩爆的详细观测及观测结果的分析，找出其规律性。2、岩体及岩石性质试验分析，其中包括单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、点荷载强度、岩石弹性能量指数、岩石蠕变特性、岩石应力—应变全过程曲线、多轴应力下的强度等。3、岩爆的室内模拟实验、应力及应变状态的分析等。4.6.2.2岩爆的形成条件及影响因素1、地层岩性条件从地层岩性上看，并不是所有岩石都会产生岩爆，根据大量的现场调查发现，岩爆都是发生在新鲜完整、质地坚硬、性脆、抗压强度较高、没有或很少有裂隙的岩层中，如花岗岩、片麻岩、混合片麻岩等。那些结构松散、弹性模量小、抗压强度低、含水量高的岩石是不易发生岩爆的。从能量观点出发，上述岩石具有良好的储能条件。这是通过分析岩石的全过程应力—应变关系解释这一现象的，并用岩石弹性能量指数WET作为衡量岩爆产生的岩性条件，WET越大，岩爆的可能性越大。所谓弹性能量指数是指岩石加载过程岩石积蓄的弹性应变能与岩石破坏时耗散的弹性应变能之比值。2、地应力条件从地形图可以看出，南吉顶沟高程900米，线路前进方向右侧高程1500米，左侧高程1200米，假设将隧道放大至左侧坡面切线方向，则隧道左侧荷载为零，右侧承受一偏压荷载P。从力学上分析，隧道偏压存在剪切应力，最大剪切应力发生在右侧拱顶至拱脚位置，隧道开挖后造成应力重分布，在围岩应力重分布调整过程中形成岩爆。现场岩爆发生位置恰在拱脚至拱顶位置，证明了地应力是岩爆发生的主要因素之一。3、岩爆与围岩应力的关系从现场实际调查研究发现，隧道开挖后的应力状态与岩爆密切相关。洞室开挖后在掌子面和洞壁附近的围岩容易产生应力集中，最大环向应力σθ出现在距掌子面1倍洞径附近，最大轴向应力σx出现在掌子面附近。岩爆发生的地点一般都在掌子面2倍洞径左右的地段，持续时间4小时左右，烈度和频率与掌子面的距离增大而逐渐降低。4、岩爆与洞室埋深的关系岩爆与洞室埋深有一定关系，一般来讲，隧道埋深越大，开挖时产生岩爆的烈度和频率就可能越大，但这种关系并不是绝对的。5、岩爆与光爆效果洞室的断面形状直接影响围岩应力分布及应力集中程度。从应力集中角度来看，圆形断面一般比较有利，具有较小的应力集中系数。与岩体的强度相比较，围岩在低得多的初始应力场中产生岩爆，这不仅是由于洞室开挖后围岩应力产生集中，而且由于爆破施工，洞壁凹凸不平增加了洞壁应力集中程度。从现场调查来看，光爆效果好，开挖轮廓圆顺，岩爆的烈度较小；光爆效果差，开挖轮廓线凹凸不圆顺，岩爆的烈度大。根据国内外研究，可以认为引起岩爆的原因很多，影响因素复杂，如地层岩性、地应力状态、洞室埋深、围岩应力状态、开挖断面形状、开挖方法等等。但众多因素中，地层岩性和地应力条件是产生岩爆的决定因素，只有具备这两个条件，才有可能发生岩爆。4.6.2.3岩爆的预测岩爆的成功预测取决于多种因素，然而查明岩体初始应力场（地应力的大小及分布），则是问题的关键所在。岩体初始应力的测试多在工程的勘测阶段进行，采用的方法有：1、实地量测目前常用的量测方法有营钻法、水压致裂法、声发射法等。近年来这几种地应力测试手段，愈来愈为人们所重视。但是，实测常常受到费用高和测试条件的限制。2、地质分析法（1）借助宏观地质力学的方法，研究区域地应力场分布和大小。一般认为岩体的初始应力主要为构造残余应力与自重应力的叠加。高的构造应力主要位于地壳运动活动区。（2）根据地形地貌的分析。某些地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强，其岩体的初始应力大于自重应力。地形地貌造成应力集中，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区。地形地貌造成应力释放，地形受密集的沟谷切割山体不雄厚的地方，构造残余应力不易储存。3、工程类比法可以同地质条件类似的邻区工程进行应力场量级的类比，如终南山隧道就采用了铁路隧道施工的地质资料。4、利用反映高地应力的几种特异地质现象，预示岩爆的发生如果岩体具有的地应力值，足以使洞室围岩发生岩爆的话，它必然也会在前期的地质勘探和岩石力学试验中表现出来，其形态无疑与低应力时有显著不同，故称此为特异地质现象。它预视该地区具有较高的地应力场，并具备发生岩爆的条件。在地质钻孔中，当岩心出现“饼化”现象时，即预示地应力较高。所谓“饼化”即从钻孔中取出的岩心呈有规则的椭圆形薄饼，岩饼厚薄不一，从几毫米到几十毫米。这同钻孔直径有一定关系，直径大，厚度亦大，反之则小。在现场大型剪切试验以及用表面应力解除法做岩体应力测量试验过程中，当岩体四周被解除后（四周和母岩凿断），底部自动断裂，甚至被弹起，并伴有断裂声；或将岩样放置一段时间后，自行破碎时，即预示地应力较高。当地应力较高时，无论进行钻孔压力试验，或现场大型剪切试验及室内单轴压缩试验，其应力应变关系曲线，都可能出现异常。如加载时变形为正值，卸载到零稳定后变形出现负值，或加载时基本不产生变形，卸载出现较大的负变形。4.6.3岩爆综合防治措施4.6.3.1锚喷金属网联合支护1、喷射混凝土在清除拱顶部位由于岩爆产生的松动石块之后，施作喷混凝土覆盖岩爆坑。喷混凝土具有减弱岩爆的效果，可用来保护施工人员和设备的安全，防止锚杆之间的岩石碎块飞出。还可将未清除干净的小石块粘结在一起，预防坠下伤人；另外岩面被覆盖后，若岩爆继续发展，也可以从喷层的开裂、剥落上观察出来。在隧道施工中使用喷混凝土，只要喷层厚度足够，一般可以防止继续剥落。2、锚杆加固围岩这是一种加固围岩最有效的方法，也是岩爆防治中应首先考虑选用的方法之一。其主要作用是进行岩体加固，以防劈裂和剥落的岩块塌落弹射。根据快速掘进的要求，采用锚固剂锚杆。锚杆长度和间距根据最大主应力大小和结构的整体要求而定。一般锚杆长度为2.5～3.5m，超前锚杆长度一般为两倍的爆破进尺深度。由于锚喷网联合结构强度增长迅速，能很快形成支护能力，其弹性模量（2.65×104MΡa）与天然岩石弹性模量相近，而且与围岩密贴，与围岩形成弹性共同体，可阻止应力集中与深部扩散，起到可靠的全面防护作用。经现场实践，锚喷网联合支护能有效地克服轻微岩爆和中等岩爆对施工的影响，且施工简便，现场广泛采用此法，该方法是一种经济有效的防岩爆支护措施。4.6.3.2钢支撑喷锚联合支护在岩爆严重地区，为提高结构整体支护能力，减少岩爆对施工的影响，可在岩爆地段采取密排钢支撑，与喷锚网形成联合支护体系，能有效地抑制了岩爆的继续发展。4.6.3.3待避及找顶待避是一种有效的安全措施。一般在岩爆比较猛烈的时候，为防止飞石造成事故，可以在安全处躲避一段时间，待避到平静为止。找顶也是简单有效的安全措施。在掌子面2倍洞跨范围内，加强巡回找顶，清除岩爆产生的浮石，避免石块坍落伤人。4.6.3.4喷雾射水爆破后立即向工作面及工作面以后一定距离内的隧洞周边进行喷雾和以高压水冲洗，以适当改变岩石物理力学性质，降低岩石的脆性。但现场实践，此方法对防止岩爆作用不大。4.6.3.5改善施工方法采取“短进尺，多循环”的开挖作业方式，缩短每茬炮的开挖进尺，岩爆一般地段不超过3米，岩爆严重地段不超过2.5米，由于岩爆均发生在掌子面局部位置，掌子面在该位置采取“密钻眼、弱爆破”的施工方法，周边眼间距控制在40cm左右，最小抵抗线要60cm，二圈眼、周边眼装药量根据现场岩爆的发生情况比左侧相应减少，并降低一次爆破用药量，尽可能减小爆破对围岩的影响。4.6.3.6应力解除法采用超前应力解除法，在施工过程中，一边应力解除，一边掘进，在洞室未开挖之前，使岩体原始应力释放，以便减缓开挖后的围岩应力，使之不发生岩爆或削弱岩爆的发生。4.6.3.7注水法当向岩