岩爆与围岩分类关系的研究

岩爆与围岩分类关系的研究

1高地应力对软岩段岩爆的影响随着经济的发展，地下洞穴的深度逐渐增加。计划建设的锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深可达2525m。伴随着埋深的增大,地应力在增高。如二郎山公路隧道最大水平地应力为50MPa,锦屏二级水电站引水隧洞最大垂直地应力预计可达到54MPa。在高地应力条件下,软岩将产生塑性流动变形、脆性硬岩有产生岩爆的可能。探索高地应力条件下的围岩分类方法,建立硬岩岩爆烈度与围岩类别的关系、软岩塑性变形量与围岩类别的关系,确定高外水压力对围岩类别影响的判别指标,是目前水利水电围岩分类中急待解决的问题。2主要问题2.1srf值的确定Q系统中,通过对应力折减系数SRF的调整考虑地应力对围岩类别的影响。主要根据σc/σ1、σθ/σc的计算结果确定相应的SRF值,其中σc是无侧限抗压强度,σ1是最大主应力,σθ是最大切向应力。这样便可通过对不同形状洞室最大切向应力的计算考虑高地应力对围岩分类的影响。2.2地下洞室围岩分类RMR分类,即“岩体评分”,又称地质力学系统,早期主要用于隧洞等地下洞室围岩分类,目前也逐渐广泛地运用于边坡、坝基等工程的岩体分类,在国内、外有广泛的应用。RMR分类方法的缺点是没有考虑高地应力对围岩类别的影响。2.3bq法深埋巷道围岩BQ法在采用定量分析的时候,主要考虑了岩石的强度和岩体完整程度两个方面,而对于岩体所处的地应力环境、地下水状态以及结构面的方位等只是作为定量结果的一种修正。某深埋隧洞硬质岩围岩分类结果表明:BQ法在较坚硬岩中的适用性差,在坚硬岩中的适用性中等;由于其分类结果受岩石强度影响较大,地应力的修正显得效果不明显。2.4lhc法的围岩类别HC法以岩石强度、岩体完整程度及结构面状态为基本因素,以地下水及主要结构面产状为修正因素。以基本因素和修正因素的累计得分为基本判据、以围岩强度应力比(S)为限定判据进行围岩类别划分。HC法考虑了高地应力对围岩类别的影响,以强度应力比(S)的大小来判别围岩所处的应力环境,当S较小时,对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩,围岩类别相应降低一级。该方法对高地应力条件下的围岩类别,简单地采取了降级的处理方法,势必影响围岩分类的精度。为了获得合理的分类结果,尚须结合具体工程,对高地应力条件下围岩类别进行修正。2.5一些分类方法存在的问题表1中列出了几种常用地下洞室围岩分类方法依据的主要参数,结合前面的分析,可以看出现有围岩分类存在的主要问题。3与其他方法的对比目前,我国的大型地下洞室围岩分类主要采用HC法、Q系统分类、RMR分类、国标BQ分类4种方法进行围岩分类,其中HC法、BQ法都是现行国家标准。经过对比分析,得到了几种分类结果之间的相关关系(表2)。从表2可以看出,RMR与HC、SD、BQ分类结果基本呈线性关系,这4种方法的分类结果与Q系统分类结果基本呈对数关系,这与N.Barton、Bieniawski得到的相关关系非常相似。值得注意的是,在中～低应力条件下,上述相关关系的相关系数都比较大,一般在0.90左右,而在高地应力条件下相关系数却很低,最小的只有0.18,其原因是各种分类方法对高地应力条件下围岩分类评分标准不一致——Q系统通过计算σθ/σc值较好地考虑了高地应力条件下岩爆对围岩类别的影响;BQ法通过引入地应力修正系数考虑高地应力对围岩类别的影响,但修正系数的取值有待更多的工程实例验证;RMR法没有考虑高地应力的影响;HC法在高地应力条件下简单地采用降低围岩类别的方法,分类结果偏于保守。4岩爆和岩石分类4.1地下岩爆的界定岩爆是岩体高应力区的一种重要地质现象,是指地下开挖过程中洞室围岩因开挖卸荷、应力分异造成岩石内部破裂和弹性能突然释放,而引起的爆裂松脱、剥离、弹射乃至抛掷性破坏现象,属地下采掘地质灾害,具滞后性、延续性、衰减性、突发性、猛烈性、危害性等特点。岩爆的界定应区别于与围岩的其他类型的变形、破裂,如拱顶的坍落、冒落,边墙内鼓、滑落,底板隆起以及大变形等塑性流动变形等。岩爆以其突发性的破裂(爆裂)和特有的破裂形式区别于后者。4.2围岩及下围岩阶段分类岩体基本质量(rockmassbasicquality)指岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性,岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度所决定,用岩体基本质量指标BQ描述,按BQ值的大小把岩体基本质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个级别。BQ值越高,岩体基本质量越好。围岩分类是对具有某种基本质量的岩体在洞室开挖条件下围岩稳定性级别的划分。地下洞室存在于一定的应力环境中,洞室开挖又会形成二次应力场。可见,围岩分类是在应力条件变化的情况下对具有某种基本质量的岩体围岩稳定性级别的划分。在高地应力条件下开挖地下洞室,硬岩可能发生岩爆,软岩可能发生塑性流动。在变化了的应力条件下,即使是岩体基本质量为Ⅰ类的岩体,也可能出现围岩不稳定的情况。4.3岩爆类型及影响国内外不少岩爆研究专家对不同地区的岩爆进行了烈度分级,由于分级的原则和依据不同,各类分级差异较大。各烈度分级方案对比见表3。目前,我国虽然没有统一的岩爆烈度分级方案,但各个分级方案差别不大,主要把岩爆烈度分为4级:Ⅰ级——轻微岩爆:围岩变形、拉裂、剥落或片帮,有微弱声响,无弹射现象,为岩爆初期现象;Ⅱ级——中等岩爆:围岩变形破裂,有相当数量的岩片弹射、松脱和突然性破坏,并伴有清脆的爆裂声,多产生在洞室局部周边围岩,也称表面型岩爆;Ⅲ级——强烈岩爆:围岩强烈爆裂,突然被弹射抛出或涌入隧洞,并伴有强烈的爆裂声和轰响、气喷、暴风等现象,具延续性,迅速向围岩深部扩展;Ⅳ级——剧烈岩爆:顶板和侧壁围岩发生严重的岩片弹射,甚至巨石抛射,其声响犹如炮弹爆炸,底板隆起,洞室周边变形严重,可引起洞室垮塌,甚至产生新断裂或诱发地震,严重者摧毁整个地下工程,并危及地面建筑。各级别岩爆对围岩稳定性的影响程度如下:Ⅰ级——影响甚微,适当的安全措施就可使施工正常进行;Ⅱ级——有一定影响,应及时采取挂网喷锚支护措施,否则岩爆有向深部发展的可能;Ⅲ级——有较大影响,应及时挂网喷描支护;Ⅳ级——严重影响甚至摧毁工程,必须采取相应的特殊措施加以防治。根据各级别岩爆对围岩稳定性的影响程度,作者建议增加有关岩爆烈度与围岩类别的关系的规定(表4)。4.4岩石爆炸症的选择(1)岩爆的超前预报岩爆的发生取决于地应力条件、岩性、岩体结构等,另外与构造条件也有关,可以根据断裂、褶皱、地下水等发育规律预测岩爆的发生,采用地质超前预报法成功地预报过岩爆。(2)上覆岩体岩爆发生临界深度该方法是侯发亮教授在1989年首先提出的。他认为,岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区,但如果洞室埋深较大,即使没有构造应力,由于上覆岩体效应,洞室也可能会发生岩爆。根据弹性力学求解,侯发亮教授推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生最小埋深Hcr(即岩爆临界深度)的计算公式为式中,Rb为岩石单轴抗压强度;μ为岩石泊松比,γ为容重。(3)d3/1-3洞室轮廓控制何思为等认为——岩爆发生在洞室围岩内dσ3/(σ1-σ3)正增长期增长很快的那一范围,dσ3/(σ1-σ3)越高,越容易引起岩爆。洞室轮廓控制dσ3/(σ1-σ3),最小角度的轮廓突变点周围一定有最高的dσ3/(σ1-σ3)。用dσ3/(σ1-σ3)判别岩爆已在国外一些矿山得到证实。(4)圆形洞室产生破坏岩爆的条件完整岩石中仍有许多细微裂纹,这些裂纹可以假定成椭圆形,在外力作用下(假定为平面应力状态),在裂纹的尖端产生应力集中,并产生拉应力。一旦拉应力值超过岩石材料的抗拉强度σt,就必然引起材料的破坏。对于圆形洞室产生破坏(岩爆)的条件是σθ/(8σt)≥1。另外,在σθ/(8σt)≥1的条件下,σθ/σt越小,发生岩爆强度越高,若引入挪威学者Russenes的岩爆判别式,并用σθ/σt表示则为:σθ/σt>40,无岩爆;40≥σθ/σt≥26.7,弱岩爆;26.7≥σθ/σt≥14.5,中岩爆;σθ/σt<14.5,强岩爆。(5)岩爆判据的临界值国内外学者多将有限元计算的断面洞壁切向应力σθ和岩石单轴抗压强度σc之比值作为岩爆判据(表5),从表5可以看出,在该判据临界值的取值上有较大的争议。因此,在判别岩爆烈度的实际工作中,要根据工程的实际情况综合确定。5高地应力地层分类西南某地下洞室断面为马蹄形,矩形断面尺寸3×3m2,拱高0.4m。开挖至3733～3885m洞段时出现了弱～中等岩爆,岩爆型式主要有剥落、松脱、弹射～剥落等。该段岩石为中厚层状大理岩,上覆岩体厚度约2000m,地应力场以自重应力为主。用Q系统、RMR方法、HC法、BQ法每10m洞段进行一次围岩分类,部分围岩分类结果列于表6中,由于篇幅所限,各参数的取值依据等未详细列出。由于Q系统通过计算σθ/σc值考虑了高地应力对围岩类别的影响,其分类结果多为Ⅲ类,与实际情况吻合较好;而RMR法没有考虑高地应力的影响,其分类结果偏高,多为Ⅰ、Ⅱ类,对隧洞安全不利;HC法所得结果多为Ⅳ类,偏于保守,说明在高地应力条件下简单地降低围岩类别是不合适的;BQ法以调整修正系数的方法对在高地应力下的围岩类别进行了修正,分类结果多为Ⅲ类,与实际情况吻合较好。6高地应力的围岩类别划分Q系统、BQ法能较好地描述高地应力条件下坚硬岩中岩爆对围岩类别的影响;而RMR法没有考虑高地应力的影响,其分类结果偏高,对隧洞安全不利;我国现行国家标准中的H