巖石力學(xué)論文-巖爆研究

1、巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程洞室開挖過程中，因開挖卸荷引起洞室周邊圍巖產(chǎn)生徑向應(yīng)力降低、切向應(yīng)力增高的應(yīng)力分異作用，儲(chǔ)存于硬脆性圍巖中的彈性應(yīng)變能突然釋放且產(chǎn)生爆裂脫落、剝離、彈射甚至拋擲性等破壞現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，以成為世界性的地下難題之一。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，筆者將巖爆烈度可以劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈、劇烈四級(jí)，其中/Rb的對(duì)應(yīng)關(guān)系是經(jīng)實(shí)例測(cè)試總結(jié)所得。 近幾十年來，國(guó)內(nèi)外很多專家、學(xué)者在巖爆形成機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面做了大量研究。有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗(yàn)結(jié)果的得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點(diǎn)得出產(chǎn)生巖爆的巖

2、體破壞過程分為劈裂成板條剪（切）斷成塊快片彈射三個(gè)階段式破壞。EHoek(霍克)認(rèn)為巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物。Mastin和Haimson通過有圓孔的砂巖巖板進(jìn)行單向壓縮模擬試驗(yàn)，砂巖板發(fā)生孔壁崩落現(xiàn)象，他們得出這一現(xiàn)象是由于孔壁應(yīng)力集中破壞所引起，系統(tǒng)性破壞。我國(guó)專家楊淑清教授通過對(duì)天生橋引水隧洞巖爆機(jī)制物理模擬試驗(yàn)，總結(jié)出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切破壞的兩種機(jī)制。劈裂破壞屬脆性斷裂，而剪破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度狀態(tài)的破壞；前者形成的破裂面與洞壁平行，后者則相交。譚以安博士認(rèn)為巖爆為一個(gè)漸進(jìn)破壞過程。王蘭生教授在二郎山隧道巖爆研究基礎(chǔ)上，認(rèn)為巖爆機(jī)理的基本表現(xiàn)形式是壓致拉

3、裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折。王青海教授等按巖爆形成的力學(xué)表現(xiàn)形式，將巖爆分為劈裂破壞型、剪切破壞型和彎折內(nèi)鼓型三種形式。 目前有關(guān)巖爆的研究，主要通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)或者三軸試驗(yàn)，如郭志等得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。另一種研究巖爆的方式就是數(shù)值模擬，建立適當(dāng)模型，通過數(shù)值分析軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。需要著重指出的是，誘發(fā)巖爆的因素主要是人類活動(dòng)開挖洞室改變了地下巖體的賦存空間，而這個(gè)改變了的賦存空間又與周圍圍巖相互作用。 引起巖爆的原因有很多，比如巖石性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、隧洞開挖方式及開挖速度等等。正是因?yàn)橐蛩剌^多，才給研究巖爆的機(jī)制，建立巖爆的判據(jù)帶來了許多困難。但是，在這諸多的因素中，必然

4、有一種起著決定作用的因素，應(yīng)當(dāng)全力抓住決定性的因素進(jìn)行分析，才能反映事物的本質(zhì)。我們認(rèn)為：巖性和圍巖應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的決定性因素。巖石的性質(zhì)是巖爆發(fā)生的內(nèi)因，是第一位的因素。圍巖應(yīng)力是巖爆發(fā)生的外因，是巖爆發(fā)生的必然條件。只有同時(shí)具備上述兩種因素，才有可能發(fā)生巖爆。通過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，人們已經(jīng)證實(shí)巖爆發(fā)生時(shí)，總是要突然釋放許多能量，這是巖爆區(qū)別于外因的基本特征。因此，從能量的觀點(diǎn)出發(fā)研究巖爆的規(guī)律，建立巖爆的判據(jù)是比較合理的。實(shí)際上，上述巖爆的兩個(gè)主要因素完全可以用能量來描述，并建立起巖爆的能量判據(jù)。 （一）、巖性條件 從巖性上看，并不是所有的巖石都會(huì)產(chǎn)生巖爆。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生巖爆的

5、巖石都是新鮮完整，質(zhì)地堅(jiān)硬，性脆，抗壓強(qiáng)度較高，線彈性特征明顯及沒有或很少有裂隙；相反，那些結(jié)構(gòu)松散、彈性模量小、抗壓強(qiáng)度低、含水量高的巖石則不易發(fā)生巖爆。分析巖石的全程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以解釋這一現(xiàn)象。全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸所圍的面積，反映了巖石變形過程中能量變化的關(guān)系。（2） 、圍巖能量條件 如果具備了巖爆德爾巖性條件，即Wqx1.5,還不能斷言巖爆發(fā)生與否。這是因?yàn)閹r爆還與圍巖能量或應(yīng)力有關(guān)，在地下開挖洞室后，原有的地應(yīng)力場(chǎng)被破壞，圍巖內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)重新分布并在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。從能量意義上講，巖體受力變形后講積蓄應(yīng)變能，開挖洞室后由于臨空面的形成能量進(jìn)一步積聚，當(dāng)達(dá)到某一極限后，將在某些

6、薄弱位置突然釋放出來，產(chǎn)生巖爆。因此，圍巖內(nèi)積蓄有大量的彈性能是產(chǎn)生巖爆的物質(zhì)條件。實(shí)際上，巖爆多發(fā)生于高地應(yīng)力區(qū)也就是這個(gè)道理。一般認(rèn)為，要產(chǎn)生嚴(yán)把，首先要發(fā)生巖石破壞，前面說過巖石破壞必定要消耗能，消耗能越大，釋放出的能就小，產(chǎn)生巖爆的可能性也小。從這個(gè)意義上講，可以定量給出巖爆的圍巖能量條件。隧洞開挖后，洞壁處于二維應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于圓截面隧洞一般有，=，=，=0，設(shè)圍巖的彈性模量為E，泊松比為，那么彈性比能 u=（2+2-2）/2E式中：洞室的環(huán)向應(yīng)力；、主應(yīng)力 洞室的軸向應(yīng)力至于在二維應(yīng)力狀態(tài)下，巖石破壞時(shí)所耗散的能，顯然與/的比值有關(guān)，而該比值有無窮多種，因此僅靠試驗(yàn)很難找出二維應(yīng)力狀

7、態(tài)下巖石破壞的散耗能。考慮到能量是一標(biāo)量，它只是數(shù)值的大小，而與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。故可假設(shè)不論在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，只要圍巖內(nèi)某處的彈性應(yīng)變能超過單向應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞所消耗的能，就有可能產(chǎn)生巖爆。于是得出巖爆的圍巖能量條件是： u=（2+2-2）/2E 脆性破壞的力學(xué)模型、（1） 格里菲斯準(zhǔn)則反映巖石破裂的準(zhǔn)則，其強(qiáng)度準(zhǔn)則可表達(dá)如下： 對(duì)于二維情形中的主應(yīng)力，（以壓應(yīng)力為正），如果 （-）2=8(+) 若+0 （1） =- 若+30.4 (強(qiáng)巖爆)式中，為巖石單軸抗壓強(qiáng)度； 為圍巖主應(yīng)力； 為系數(shù)。（2） 挪威學(xué)者魯森斯（Russenes）判別式Russenes根據(jù)洞石的最大切向應(yīng)力與巖石的徑向

8、點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is建立了巖爆烈度關(guān)系圖。按照=22Is(50)的關(guān)系，把巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度換算成常用的單軸抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)Russenes圖上的斜率得 0.2 (無巖爆) 0.20.55 (強(qiáng)巖爆)按上式繪出用，表示的巖爆烈度圖。 (3)候光亮等建立的強(qiáng)度公式 候光亮等建立的公式，考慮了圍巖應(yīng)力和組合的情況，兩個(gè)應(yīng)力的組合狀態(tài)不同，發(fā)生巖爆的條件是不同的。我們把巖爆劃分為五級(jí)，為了便于比較，改為四級(jí)，并只考慮/=0.5的一種組合狀態(tài)，有判別式如下。根據(jù)下式畫出巖爆的烈度圖。 0.3 (無巖爆) 0.30.62 (強(qiáng)巖爆)巖爆理論的綜述 1、能量理論 人們普遍認(rèn)識(shí)到巖體中應(yīng)變能的集中在巖爆的發(fā)生中起著

9、舉足輕重的作用。但是，直到1956年，才由庫侖等人經(jīng)過一系列的巖爆試驗(yàn)研究，提出了基于試驗(yàn)結(jié)果的能量理論。由于這個(gè)理論沒有考慮巖爆的時(shí)間因素和空間因素，所以并不完善，后來又經(jīng)過一些學(xué)者的修正，提出了如下巖爆的能量判據(jù)： EN= =。其中，EN為能量指標(biāo)，等于巖體中所集中的彈性應(yīng)變能ENe與發(fā)生塑性變形所消耗的能量ENp之比,依據(jù)這個(gè)指標(biāo)，對(duì)巖爆的發(fā)生可作如下判斷：1） 當(dāng)EN2.0時(shí)，不易發(fā)生巖爆；2）當(dāng)2.0EN5.0時(shí)，最有可能發(fā)生巖爆。 2、強(qiáng)度理論 霍克認(rèn)為一種被稱為巖石強(qiáng)度指標(biāo)的指標(biāo)可以作為地下開挖面的失穩(wěn)判據(jù)。這個(gè)指標(biāo)就是RSi，它是最大主應(yīng)力值與單軸壓縮強(qiáng)度比值的3倍，即RSi=

10、3/Sc。依據(jù)這個(gè)指標(biāo)有如下判據(jù):當(dāng)時(shí)RSi1.0時(shí)，發(fā)生巖爆。 由此可以看出，能量理論以巖石的單軸抗壓為度量標(biāo)準(zhǔn)，從圍巖的靜力平衡條件出發(fā)，將各種強(qiáng)度準(zhǔn)則作為巖爆的判據(jù)，這種理論沒有明確的機(jī)理作為依據(jù)，只是根據(jù)單軸試驗(yàn)現(xiàn)象得出依據(jù)，不能準(zhǔn)確解釋巖塊（片）的彈射機(jī)理。 3、剛度理論剛度理論的產(chǎn)生源于剛性壓力機(jī)，此理論由布萊克將其發(fā)展和完善，他認(rèn)為礦體的剛度大于圍巖的剛度是產(chǎn)生沖擊地壓的必然條件。但是由于這種理論主要用于解釋煤礦沖擊地壓和礦柱巖爆問題，所以使用并不廣泛。我國(guó)阜新礦院認(rèn)為巖爆取決于巖石加載過程的剛度與應(yīng)力達(dá)到峰值以后卸載過程的剛度比值，并提出以剛度為參數(shù)的沖擊性指標(biāo)： FCF=。其

11、中，Km為應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線上加載過程的剛度；|Ks|為應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線達(dá)到峰值后的剛度。 當(dāng)FCF1時(shí)，就是巖爆發(fā)生的可能。4、 其他理論除了以上介紹的幾種巖爆理論以外，還有許多理論如分形維數(shù)理論、沖擊傾向性理論、微重力理論、失穩(wěn)理論以及綜合理論等來表達(dá)巖爆的方式機(jī)理。結(jié)論1、 巖爆的主要因素是巖石性質(zhì)和圍巖應(yīng)力，二者都必須同時(shí)達(dá)到一定的條件才有可能發(fā)生巖爆，缺一不可。不同的巖性，其巖爆的臨界圍巖應(yīng)力不同。2、 洞室開挖是一動(dòng)態(tài)過程，因而洞室圍巖應(yīng)力也是變化的。巖爆發(fā)生的部位與圍巖應(yīng)力分布密切相關(guān)。環(huán)向應(yīng)力在巖爆中起主要作用，但從能量觀點(diǎn)出發(fā)軸向應(yīng)力也起作用。數(shù)值分析結(jié)果表明出現(xiàn)在離掌子面

12、一倍洞徑處，天生橋隧洞大量統(tǒng)計(jì)資料證實(shí)，巖爆恰發(fā)生在這一位置。3、 在Wqx/關(guān)系圖上，有兩個(gè)不出現(xiàn)巖爆的區(qū)域。一是Wqx1.5區(qū)域，這里不論圍巖應(yīng)力多大都不會(huì)產(chǎn)生巖爆；一是在某一臨界圍巖應(yīng)力值以下的區(qū)域，這里不論Wqx多大也不會(huì)產(chǎn)生巖爆。巖爆發(fā)生的地應(yīng)力條件地下工程實(shí)踐中，通常將大于20MPa的硬質(zhì)巖體內(nèi)的初始地應(yīng)力稱為高地引力。高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的必要條件。初始地應(yīng)力高，可能是構(gòu)造應(yīng)力造成的，也可能是洞室埋藏深度較大所致；因而實(shí)錄巖爆現(xiàn)象可以發(fā)生在淺部，也可以發(fā)生在深部地下工程洞室圍巖中。因此，巖爆發(fā)生與否與地下工程洞室埋深狀況并不存在著密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐還表明，巖爆發(fā)生部位主

13、要集中在于巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)中最大主應(yīng)力相垂直的洞室主應(yīng)力作用面上、下角隅處附近。高地應(yīng)力區(qū)隧道等地下工程洞室開挖后，其周圍圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的強(qiáng)烈分異作用則是直接導(dǎo)致巖爆發(fā)生的重要原因之一。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多將洞室洞壁切向應(yīng)力和巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb之比值/Rb作為巖爆的重要判據(jù)，然而在該判據(jù)臨界值的取值上卻有較大的爭(zhēng)議。根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知，無巖爆活動(dòng)洞段，/Rb1.2,與水平面夾角多小于20，重力和地形對(duì)巖爆影響不明顯，因而無統(tǒng)一的巖爆臨界深度；第二種類型的巖爆是由于斷層錯(cuò)動(dòng)所引起的，當(dāng)開挖靠近斷層，特別是從斷層底下通過時(shí)，地下工程開挖使作用于斷層面上的

14、正應(yīng)力減少，從而使沿?cái)鄬用娴哪Σ磷枇档?，引起斷層局部突然重新活?dòng)，進(jìn)而形成巖爆；這類巖爆一般多發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)埋深較大多的地下工程中，破壞性很大；第三類巖爆主要發(fā)生在距斷裂構(gòu)造（帶）一定距離范圍的局部構(gòu)造應(yīng)力增高區(qū)洞段，它是由于斷裂構(gòu)造導(dǎo)致局部巖體發(fā)生松弛現(xiàn)象，從而造成了局部應(yīng)力降低帶，其應(yīng)力則向斷裂構(gòu)造（帶）兩側(cè)一定范圍的圍巖中轉(zhuǎn)移，從而造成了引發(fā)該類巖爆活動(dòng)的局部構(gòu)造應(yīng)力增高區(qū)。水文地質(zhì)條件 發(fā)生巖爆的地下工程由于地處高地應(yīng)力區(qū)，因而巖體嵌合較為緊密，圍巖表面比較干燥，地下水不發(fā)育。一般有地下水活動(dòng)的濕潤(rùn)地段，圍巖中地應(yīng)力較易釋放，故就不易發(fā)生巖爆活動(dòng)。據(jù)研究，在高地應(yīng)力區(qū)地下洞室開挖掘

15、進(jìn)施工過程中，若經(jīng)常在掌子面和洞壁噴撒冷水，一定程度上也可以降低表層圍巖的強(qiáng)度；采用超前鉆孔向硬質(zhì)巖體內(nèi)高壓均勻注水，則可以通過以下三個(gè)方面的作用來防治巖爆的發(fā)生：一是可以提前釋放彈性應(yīng)變能并將最大切向應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移；二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體的強(qiáng)度；三是高壓注水可產(chǎn)生新的張裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低巖體儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的能力。開挖施工因素 高地應(yīng)力區(qū)地下工程洞室施工過程中，如果開挖方法、工程措施等選擇不當(dāng)，則會(huì)大大惡化圍巖的物理力學(xué)性能和應(yīng)力條件，從而誘發(fā)或加劇巖爆的發(fā)生。根據(jù)國(guó)內(nèi)外地下工程巖爆防治的經(jīng)驗(yàn)，高地應(yīng)力區(qū)采用鉆爆法施工時(shí)，應(yīng)短進(jìn)尺掘進(jìn)，減少藥量和減少爆破頻

16、率，控制光面爆破的效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微巖爆、中等巖爆區(qū)：一般進(jìn)尺控制在22.5m,盡可能全斷面開挖，一次成形，以減少圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)的破壞，必要時(shí)可以采用超前鉆孔應(yīng)力解除方法，形成局部應(yīng)力釋放區(qū)，以減少（弱）巖爆；輕微巖爆段在開挖清撬后，一般向洞壁噴510cm厚的C20砼；中等巖爆段可采用淺孔密錨掛網(wǎng)噴砼：錨桿22mm，L=22.5m,12m,梅花型布置；鋼筋網(wǎng)6mm,20cm20cm;噴C20素砼510cm;必要時(shí)加斜向超前錨桿（22cm,L=2.53.5m，0.91.5m）。強(qiáng)烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆區(qū):一般進(jìn)尺控制在2m以內(nèi)，必要時(shí)可以采用上下臺(tái)階法開挖，以減弱巖爆破壞程度；嚴(yán)

17、格控制光面爆破的效果，以減弱巖爆破壞程度；嚴(yán)格控制光面爆破的效果，以最大限度地減少圍巖表面應(yīng)力集中現(xiàn)象；采用系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)加循環(huán)噴砼，進(jìn)一步加長(zhǎng)加密錨桿，進(jìn)行多個(gè)循環(huán)反復(fù)噴C20砼，每個(gè)循環(huán)噴厚5cm,最終噴至1520cm厚，從而有效地防治巖爆的發(fā)生。結(jié)論 綜上所述，地下過程中巖爆的發(fā)生是受多方面條件因素所制約的，其中高地應(yīng)力條件是巖爆產(chǎn)生的能量來源，巖體結(jié)構(gòu)及其性能、地質(zhì)構(gòu)造條件、水文地質(zhì)條件等決定了產(chǎn)生巖爆的能量積蓄和釋放能力、巖爆方式等，高地應(yīng)力區(qū)易發(fā)生巖爆的地下工程施工中則應(yīng)選擇合理的開挖方法與防治工程措施廣義巖爆作為一種出現(xiàn)在完整硬巖中的隧道施工地質(zhì)災(zāi)害，包括圍巖的動(dòng)力破壞（狹義巖爆）

18、和靜力破壞（片剝）兩種基本形式。經(jīng)過長(zhǎng)期研究，人們發(fā)現(xiàn)巖爆一般僅發(fā)生于堅(jiān)硬的脆性巖石中，隧道橫斷面上的應(yīng)力分量的和（）的量級(jí)一般較高。文12、13則進(jìn)一步指出，應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度的高儲(chǔ)能體的存在，是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因，某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因，文14、15的觀點(diǎn)與此基本一致，被眾多學(xué)者廣泛采用的巖爆預(yù)測(cè)判據(jù)切應(yīng)力（）與單軸抗壓強(qiáng)度（）之比（/）也是基于這一思想。除圍巖條件外，上述思想強(qiáng)調(diào)的主要是“荷載接近強(qiáng)度”，可以稱之為巖爆發(fā)生機(jī)制的靜荷載理論。表1為不同學(xué)者給出的用于判別巖爆潛勢(shì)的/值。表1說明，大多數(shù)巖爆都是在低于甚至遠(yuǎn)低于的情況下發(fā)生的；盡管隧道開挖誘發(fā)的應(yīng)力重分布可以使開挖輪廓面附近的有所增大，但根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，增大的幅度還不足以將圍巖壓爆。 此外，若干長(zhǎng)大隧道的巖爆實(shí)錄表明，即使隧道圍巖的初始地應(yīng)力量級(jí)較高，隧道開挖后圍巖的也不易達(dá)到或接近，但依然有巖爆發(fā)生。實(shí)錄資料表明，大多數(shù)巖爆，尤其是強(qiáng)烈?guī)r爆，都是在結(jié)構(gòu)致密、無裂縫的堅(jiān)硬圍巖中發(fā)生的，巖爆坑較少受已有裂隙控制，而且具有巖體強(qiáng)度越大、巖爆越強(qiáng)烈的規(guī)律。因此，即使存在尺寸效應(yīng)，巖爆也不應(yīng)是應(yīng)力接近強(qiáng)度情況下的