TBM隧道施工的巖爆災害及其預防-2019年文檔

1、TBM1道施工的巖爆災害及其預防巖爆是在高地應力硬脆性巖體中隧道開挖誘發(fā)的一種工程地質問題,嚴重威脅洞內施工人員和設備的平安,影響隧道正常施工.TBM施工對圍巖擾動較小,且開挖斷面多為圓形,在一定程度上減弱了圍巖應力局部集中現(xiàn)象,降低了巖爆發(fā)生的可能性.盡管如此,在國內外一些隧道TBM施工過程中,仍然有巖爆發(fā)生,如我國的秦嶺隧道和天生橋二級水電站引水隧洞,在TBM施工中均發(fā)生了不同程度的巖爆.1巖爆的定義關于巖爆的定義,學術界至今仍未形成統(tǒng)一的熟悉,總的來說可以概括為以下兩種觀點：第一種觀點認為只要巖體破壞時有聲響,產(chǎn)生片幫、爆裂剝落甚至彈射等現(xiàn)象,有新鮮破裂面即可稱為巖爆；另一種觀點認為只有

2、產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞者才能稱為巖爆.王蘭生教授等1998從巖爆的力學機制出發(fā),將巖爆定義為：在高地應力條件下地下洞室開挖過程中,圍巖因開挖卸荷導致洞壁產(chǎn)生應力分異作用,儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放,因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落離、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質災害.2巖爆的形成機制及特征1巖爆的形成機制.巖爆的形成具有一定的條件,強大的地應力場構成的地質環(huán)境和硬脆性圍巖是巖爆發(fā)生的決定因素,是內因；而施工引起的洞室圍巖應力的變化那么是誘發(fā)因素,是巖爆發(fā)生的外因.可以說,巖爆發(fā)生是內外因相互作用的結果.由于巖體本身的復雜性,加之巖爆是一種極為復雜的動力現(xiàn)象,人們對于巖爆的破壞過程還不清楚,關于

3、巖爆的形成機理一直未能定論.目前,用于分析巖爆災害形成機理的根本理論主要有強度理論、能量理論、穩(wěn)定性理論等,人們從不同角度對巖爆的形成機理進行了分析.E.Hoek等認為,巖爆是高地應力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物.Zoback教授在解釋鉆孔崩落現(xiàn)象成因時,也認為類似“巖爆的孔壁崩落破壞屬于剪切破壞.然而Mastin(1984)、Haimson(1972,1985)那么通過打有圓孔的砂巖巖板進行的單項壓縮物理模擬試驗,在實驗室真實地再現(xiàn)了孔壁崩落現(xiàn)象,他們得出這一現(xiàn)象是由于孔壁應力集中部位的局部破壞所引起的,系張性破裂的產(chǎn)物.我國楊淑清教授等通過天生橋二級水電站引水隧洞相似材料巖爆機制物理模擬試

4、驗,總結出圍巖劈裂破壞和剪切破壞是巖爆的兩種產(chǎn)生機制,并認為他們是兩種應力水平的產(chǎn)物,即劈裂破壞屬于脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應力到達峰值強度狀態(tài)時的破壞；譚以安那么認為,巖爆系一漸進破壞過程,其形成過程可分為“劈裂成板-剪斷成塊一塊片彈射三個階段,巖爆屬張、剪脆性破壞；王蘭生教授等認為,巖爆就其破裂機制而言,是一種開挖卸荷條件下巖石自身彈性應變能忽然釋放所造成的脆性破裂或爆裂,爆裂造成的巖塊片那么可以爆裂松脫、爆裂剝離、爆裂彈射或拋擲等不同方式脫離母體,其脫離方式、初速度和規(guī)模等與爆裂時的破壞機制及釋放彈性應變能的多少和涉及深度等因素有關,并將巖爆力學機制歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓

5、折三種根本形式；李廣平將受壓巖體中的裂紋分為壓剪閉合裂紋和壓剪不閉合裂紋兩種性態(tài),分析了壓剪裂紋的啟裂和擴展準那么,認為巖爆是圍巖在洞室開挖過程中發(fā)生應力調整時,巖體中的預存裂紋發(fā)生擴展而引起巖體發(fā)生宏觀脆性斷裂的結果.巖爆的特征.隧道施工中的巖爆主要有以下特征：突發(fā)性：巖爆現(xiàn)象是一種能量的忽然釋放,在發(fā)生前沒有明顯的預兆.延續(xù)性：巖爆的發(fā)生并不是一次就終止了,往往具有延續(xù)性.首次巖爆后幾天或幾十天再次發(fā)生,有的可能持續(xù)較長時間才結束.滯后性：巖爆現(xiàn)象一般并不伴隨巖體開挖立即發(fā)生,而往往在巖體開挖后幾小時、幾天甚至更長時間一個月甚至數(shù)月才發(fā)生,發(fā)生的頻率隨暴露后的時間延長而降低.衰減性：巖爆一

6、般在開挖初期比擬強烈,隨著時間推移,能量釋放減弱,強度也隨之衰減.巖爆主要發(fā)生于高地應力條件下結構完整或較完整的花崗巖、片麻巖、石英巖、砂巖、閃長巖、石灰?guī)r等硬脆性圍巖中.絕大多數(shù)巖爆都發(fā)生在掌子面及附近一定范圍內.巖爆頂峰區(qū)段,隨著掌子面的前移而被向前拖動,但和掌子面的間距一般保持不變；掌子面和頂峰區(qū)段以外,也有巖爆發(fā)生,但是發(fā)生幾率相對較小.3巖爆對TBM施工的危害巖爆具有突發(fā)性,會不同程度地危害洞內施工人員和設備的平安,影響隧道正常施工：(1)巖塊爆裂飛出,砸傷洞內工作人員,破壞施工設備；使隧道掌子面凸凹不平,影響TBM掘進效率,嚴重時可能損壞刀具；強烈?guī)r爆時,造成巖體大規(guī)模坍塌,使TB

7、M®進困難,甚至將機體掩埋,導致卡機事故,嚴重地拖延工期.4TBM施工中巖爆的預防舉措(1)TBM施工中巖爆的預測預報方法.目前基于巖爆理論和巖爆破壞機制而提出的各種預測預報理論方法很多,但在實際工程應用中尚存在一些困難；在實際隧道施工中需要一些具體的、切實可行的現(xiàn)場預測預報方法,目前國內外隧道施工中常用的巖爆預測預報方法主要有：鉆孔巖芯餅化法：對于強度很高的巖石,在高地應力作用下鉆孔巖芯發(fā)生餅化,出現(xiàn)餅裂現(xiàn)象.因此可以根據(jù)某一深度以下巖芯出現(xiàn)的餅裂現(xiàn)象及巖餅數(shù)量的相對大小來判斷巖爆發(fā)生的可能性.聲發(fā)射法(A-E法)：根據(jù)應力與聲發(fā)射信號的強弱,分析判斷巖爆發(fā)生的強弱與位置.該種方法

8、是對巖爆孕育過程最直接的監(jiān)測方法和預報方法.此方法的根本參數(shù)是能率E和大事件數(shù)頻度N,它們在一定程度上反映出巖體內部的破裂程度和應力增長速度.此方法可望在現(xiàn)場對巖爆進行直接的定位定量預報,具有很大開展前景.超前地質預報法：綜合采用地面地質調查、洞內超前導坑、超前鉆及各種物探方法如地質雷達探測、TSP探測等相結合的方法進行超前地質預報.根據(jù)超前地質預報成果,分析研究圍巖體的巖性、地應力大小、應力集中程度以及構造發(fā)育程度等,判斷巖爆的發(fā)生與否以及巖爆的位置、規(guī)模.地震波預測法：結合超前地質預報工作,利用單道地震儀對掌子面及前方巖體進行監(jiān)測,到達預測巖爆的目的.TBM施工中巖爆的防治舉措.由于巖爆具

9、有突發(fā)性、破壞性,會不同程度地影響TBMIE常施工,降低掘進效率,甚至危及洞內施工人員和設備的平安,嚴重拖延工期.因此,一定要做好巖爆超前預測預報工作,確定巖爆發(fā)生的位置、規(guī)模,并制定相應的施工對策.對于稍微巖爆,可不進行預處理；而對于中等或強烈?guī)r爆,那么可在TBM施工中采取以下處理舉措：超前應力釋放：TBM®進前,利用超前鉆孔釋放地應力,并在鉆孔中注水,濕化巖體,從而有效地降低圍巖體內部的高地應力,到達預防巖爆的目的.改善圍巖體的物理力學特性：TBM掘進過程中,不斷向掌子面圍巖噴灑冷水,濕潤巖體,以此到達降低圍巖強度、增強圍巖塑性、減弱圍巖脆性、最終消除巖爆或降低巖爆烈度的目的.及時支護：TBMFF挖后,及時采取適宜的支護形式增強支護,盡量減少圍巖暴露時間.支護形式隨TBM護盾形式的不同而變：對于雙護盾TBM應在TBMFF挖后及時安裝管片襯砌；對于敞開式或單護后TBM那么可根據(jù)巖爆烈度不同分別采用噴射混凝土、錨噴網(wǎng)或格柵鋼拱架等方式進行支護.止匕外,為防止巖爆石塊坍落傷人或砸毀機械設備,最好在TBMB配套設備上安裝防石棚.增強監(jiān)測工作：隧道施工中一定要增強對強烈?guī)r爆的監(jiān)測工作,并及時采取緊急舉措,防止強烈?guī)r爆造成人員傷亡和設備損壞.5結語目前TBM掘