巖爆與圍巖分類(lèi)關(guān)系的研究

巖爆與圍巖分類(lèi)關(guān)系的研究

1高地應(yīng)力對(duì)軟巖段巖爆的影響隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下洞穴的深度逐漸增加。計(jì)劃建設(shè)的錦屏二級(jí)水電站引水隧洞最大埋深可達(dá)2525m。伴隨著埋深的增大,地應(yīng)力在增高。如二郎山公路隧道最大水平地應(yīng)力為50MPa,錦屏二級(jí)水電站引水隧洞最大垂直地應(yīng)力預(yù)計(jì)可達(dá)到54MPa。在高地應(yīng)力條件下,軟巖將產(chǎn)生塑性流動(dòng)變形、脆性硬巖有產(chǎn)生巖爆的可能。探索高地應(yīng)力條件下的圍巖分類(lèi)方法,建立硬巖巖爆烈度與圍巖類(lèi)別的關(guān)系、軟巖塑性變形量與圍巖類(lèi)別的關(guān)系,確定高外水壓力對(duì)圍巖類(lèi)別影響的判別指標(biāo),是目前水利水電圍巖分類(lèi)中急待解決的問(wèn)題。2主要問(wèn)題2.1srf值的確定Q系統(tǒng)中,通過(guò)對(duì)應(yīng)力折減系數(shù)SRF的調(diào)整考慮地應(yīng)力對(duì)圍巖類(lèi)別的影響。主要根據(jù)σc/σ1、σθ/σc的計(jì)算結(jié)果確定相應(yīng)的SRF值,其中σc是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,σ1是最大主應(yīng)力,σθ是最大切向應(yīng)力。這樣便可通過(guò)對(duì)不同形狀洞室最大切向應(yīng)力的計(jì)算考慮高地應(yīng)力對(duì)圍巖分類(lèi)的影響。2.2地下洞室圍巖分類(lèi)RMR分類(lèi),即“巖體評(píng)分”,又稱地質(zhì)力學(xué)系統(tǒng),早期主要用于隧洞等地下洞室圍巖分類(lèi),目前也逐漸廣泛地運(yùn)用于邊坡、壩基等工程的巖體分類(lèi),在國(guó)內(nèi)、外有廣泛的應(yīng)用。RMR分類(lèi)方法的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮高地應(yīng)力對(duì)圍巖類(lèi)別的影響。2.3bq法深埋巷道圍巖BQ法在采用定量分析的時(shí)候,主要考慮了巖石的強(qiáng)度和巖體完整程度兩個(gè)方面,而對(duì)于巖體所處的地應(yīng)力環(huán)境、地下水狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)面的方位等只是作為定量結(jié)果的一種修正。某深埋隧洞硬質(zhì)巖圍巖分類(lèi)結(jié)果表明:BQ法在較堅(jiān)硬巖中的適用性差,在堅(jiān)硬巖中的適用性中等;由于其分類(lèi)結(jié)果受巖石強(qiáng)度影響較大,地應(yīng)力的修正顯得效果不明顯。2.4lhc法的圍巖類(lèi)別HC法以巖石強(qiáng)度、巖體完整程度及結(jié)構(gòu)面狀態(tài)為基本因素,以地下水及主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為修正因素。以基本因素和修正因素的累計(jì)得分為基本判據(jù)、以圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(S)為限定判據(jù)進(jìn)行圍巖類(lèi)別劃分。HC法考慮了高地應(yīng)力對(duì)圍巖類(lèi)別的影響,以強(qiáng)度應(yīng)力比(S)的大小來(lái)判別圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境,當(dāng)S較小時(shí),對(duì)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖,圍巖類(lèi)別相應(yīng)降低一級(jí)。該方法對(duì)高地應(yīng)力條件下的圍巖類(lèi)別,簡(jiǎn)單地采取了降級(jí)的處理方法,勢(shì)必影響圍巖分類(lèi)的精度。為了獲得合理的分類(lèi)結(jié)果,尚須結(jié)合具體工程,對(duì)高地應(yīng)力條件下圍巖類(lèi)別進(jìn)行修正。2.5一些分類(lèi)方法存在的問(wèn)題表1中列出了幾種常用地下洞室圍巖分類(lèi)方法依據(jù)的主要參數(shù),結(jié)合前面的分析,可以看出現(xiàn)有圍巖分類(lèi)存在的主要問(wèn)題。3與其他方法的對(duì)比目前,我國(guó)的大型地下洞室圍巖分類(lèi)主要采用HC法、Q系統(tǒng)分類(lèi)、RMR分類(lèi)、國(guó)標(biāo)BQ分類(lèi)4種方法進(jìn)行圍巖分類(lèi),其中HC法、BQ法都是現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,得到了幾種分類(lèi)結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系(表2)。從表2可以看出,RMR與HC、SD、BQ分類(lèi)結(jié)果基本呈線性關(guān)系,這4種方法的分類(lèi)結(jié)果與Q系統(tǒng)分類(lèi)結(jié)果基本呈對(duì)數(shù)關(guān)系,這與N.Barton、Bieniawski得到的相關(guān)關(guān)系非常相似。值得注意的是,在中～低應(yīng)力條件下,上述相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)都比較大,一般在0.90左右,而在高地應(yīng)力條件下相關(guān)系數(shù)卻很低,最小的只有0.18,其原因是各種分類(lèi)方法對(duì)高地應(yīng)力條件下圍巖分類(lèi)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不一致——Q系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算σθ/σc值較好地考慮了高地應(yīng)力條件下巖爆對(duì)圍巖類(lèi)別的影響;BQ法通過(guò)引入地應(yīng)力修正系數(shù)考慮高地應(yīng)力對(duì)圍巖類(lèi)別的影響,但修正系數(shù)的取值有待更多的工程實(shí)例驗(yàn)證;RMR法沒(méi)有考慮高地應(yīng)力的影響;HC法在高地應(yīng)力條件下簡(jiǎn)單地采用降低圍巖類(lèi)別的方法,分類(lèi)結(jié)果偏于保守。4巖爆和巖石分類(lèi)4.1地下巖爆的界定巖爆是巖體高應(yīng)力區(qū)的一種重要地質(zhì)現(xiàn)象,是指地下開(kāi)挖過(guò)程中洞室圍巖因開(kāi)挖卸荷、應(yīng)力分異造成巖石內(nèi)部破裂和彈性能突然釋放,而引起的爆裂松脫、剝離、彈射乃至拋擲性破壞現(xiàn)象,屬地下采掘地質(zhì)災(zāi)害,具滯后性、延續(xù)性、衰減性、突發(fā)性、猛烈性、危害性等特點(diǎn)。巖爆的界定應(yīng)區(qū)別于與圍巖的其他類(lèi)型的變形、破裂,如拱頂?shù)奶?、冒?邊墻內(nèi)鼓、滑落,底板隆起以及大變形等塑性流動(dòng)變形等。巖爆以其突發(fā)性的破裂(爆裂)和特有的破裂形式區(qū)別于后者。4.2圍巖及下圍巖階段分類(lèi)巖體基本質(zhì)量(rockmassbasicquality)指巖體所固有的、影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性,巖體基本質(zhì)量由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度所決定,用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ描述,按BQ值的大小把巖體基本質(zhì)量分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5個(gè)級(jí)別。BQ值越高,巖體基本質(zhì)量越好。圍巖分類(lèi)是對(duì)具有某種基本質(zhì)量的巖體在洞室開(kāi)挖條件下圍巖穩(wěn)定性級(jí)別的劃分。地下洞室存在于一定的應(yīng)力環(huán)境中,洞室開(kāi)挖又會(huì)形成二次應(yīng)力場(chǎng)?？梢?jiàn),圍巖分類(lèi)是在應(yīng)力條件變化的情況下對(duì)具有某種基本質(zhì)量的巖體圍巖穩(wěn)定性級(jí)別的劃分。在高地應(yīng)力條件下開(kāi)挖地下洞室,硬巖可能發(fā)生巖爆,軟巖可能發(fā)生塑性流動(dòng)。在變化了的應(yīng)力條件下,即使是巖體基本質(zhì)量為Ⅰ類(lèi)的巖體,也可能出現(xiàn)圍巖不穩(wěn)定的情況。4.3巖爆類(lèi)型及影響國(guó)內(nèi)外不少巖爆研究專(zhuān)家對(duì)不同地區(qū)的巖爆進(jìn)行了烈度分級(jí),由于分級(jí)的原則和依據(jù)不同,各類(lèi)分級(jí)差異較大。各烈度分級(jí)方案對(duì)比見(jiàn)表3。目前,我國(guó)雖然沒(méi)有統(tǒng)一的巖爆烈度分級(jí)方案,但各個(gè)分級(jí)方案差別不大,主要把巖爆烈度分為4級(jí):Ⅰ級(jí)——輕微巖爆:圍巖變形、拉裂、剝落或片幫,有微弱聲響,無(wú)彈射現(xiàn)象,為巖爆初期現(xiàn)象;Ⅱ級(jí)——中等巖爆:圍巖變形破裂,有相當(dāng)數(shù)量的巖片彈射、松脫和突然性破壞,并伴有清脆的爆裂聲,多產(chǎn)生在洞室局部周邊圍巖,也稱表面型巖爆;Ⅲ級(jí)——強(qiáng)烈?guī)r爆:圍巖強(qiáng)烈爆裂,突然被彈射拋出或涌入隧洞,并伴有強(qiáng)烈的爆裂聲和轟響、氣噴、暴風(fēng)等現(xiàn)象,具延續(xù)性,迅速向圍巖深部擴(kuò)展;Ⅳ級(jí)——?jiǎng)×規(guī)r爆:頂板和側(cè)壁圍巖發(fā)生嚴(yán)重的巖片彈射,甚至巨石拋射,其聲響?yīng)q如炮彈爆炸,底板隆起,洞室周邊變形嚴(yán)重,可引起洞室垮塌,甚至產(chǎn)生新斷裂或誘發(fā)地震,嚴(yán)重者摧毀整個(gè)地下工程,并危及地面建筑。各級(jí)別巖爆對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度如下:Ⅰ級(jí)——影響甚微,適當(dāng)?shù)陌踩胧┚涂墒故┕ふ＿M(jìn)行;Ⅱ級(jí)——有一定影響,應(yīng)及時(shí)采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù)措施,否則巖爆有向深部發(fā)展的可能;Ⅲ級(jí)——有較大影響,應(yīng)及時(shí)掛網(wǎng)噴描支護(hù);Ⅳ級(jí)——嚴(yán)重影響甚至摧毀工程,必須采取相應(yīng)的特殊措施加以防治。根據(jù)各級(jí)別巖爆對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響程度,作者建議增加有關(guān)巖爆烈度與圍巖類(lèi)別的關(guān)系的規(guī)定(表4)。4.4巖石爆炸癥的選擇(1)巖爆的超前預(yù)報(bào)巖爆的發(fā)生取決于地應(yīng)力條件、巖性、巖體結(jié)構(gòu)等,另外與構(gòu)造條件也有關(guān),可以根據(jù)斷裂、褶皺、地下水等發(fā)育規(guī)律預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生,采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法成功地預(yù)報(bào)過(guò)巖爆。(2)上覆巖體巖爆發(fā)生臨界深度該方法是侯發(fā)亮教授在1989年首先提出的。他認(rèn)為,巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū),但如果洞室埋深較大,即使沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力,由于上覆巖體效應(yīng),洞室也可能會(huì)發(fā)生巖爆。根據(jù)彈性力學(xué)求解,侯發(fā)亮教授推導(dǎo)出僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生最小埋深Hcr(即巖爆臨界深度)的計(jì)算公式為式中,Rb為巖石單軸抗壓強(qiáng)度;μ為巖石泊松比,γ為容重。(3)d3/1-3洞室輪廓控制何思為等認(rèn)為——巖爆發(fā)生在洞室圍巖內(nèi)dσ3/(σ1-σ3)正增長(zhǎng)期增長(zhǎng)很快的那一范圍,dσ3/(σ1-σ3)越高,越容易引起巖爆。洞室輪廓控制dσ3/(σ1-σ3),最小角度的輪廓突變點(diǎn)周?chē)欢ㄓ凶罡叩膁σ3/(σ1-σ3)。用dσ3/(σ1-σ3)判別巖爆已在國(guó)外一些礦山得到證實(shí)。(4)圓形洞室產(chǎn)生破壞巖爆的條件完整巖石中仍有許多細(xì)微裂紋,這些裂紋可以假定成橢圓形,在外力作用下(假定為平面應(yīng)力狀態(tài)),在裂紋的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,并產(chǎn)生拉應(yīng)力。一旦拉應(yīng)力值超過(guò)巖石材料的抗拉強(qiáng)度σt,就必然引起材料的破壞。對(duì)于圓形洞室產(chǎn)生破壞(巖爆)的條件是σθ/(8σt)≥1。另外,在σθ/(8σt)≥1的條件下,σθ/σt越小,發(fā)生巖爆強(qiáng)度越高,若引入挪威學(xué)者Russenes的巖爆判別式,并用σθ/σt表示則為:σθ/σt>40,無(wú)巖爆;40≥σθ/σt≥26.7,弱巖爆;26.7≥σθ/σt≥14.5,中巖爆;σθ/σt<14.5,強(qiáng)巖爆。(5)巖爆判據(jù)的臨界值國(guó)內(nèi)外學(xué)者多將有限元計(jì)算的斷面洞壁切向應(yīng)力σθ和巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc之比值作為巖爆判據(jù)(表5),從表5可以看出,在該判據(jù)臨界值的取值上有較大的爭(zhēng)議。因此,在判別巖爆烈度的實(shí)際工作中,要根據(jù)工程的實(shí)際情況綜合確定。5高地應(yīng)力地層分類(lèi)西南某地下洞室斷面為馬蹄形,矩形斷面尺寸3×3m2,拱高0.4m。開(kāi)挖至3733～3885m洞段時(shí)出現(xiàn)了弱～中等巖爆,巖爆型式主要有剝落、松脫、彈射～剝落等。該段巖石為中厚層狀大理巖,上覆巖體厚度約2000m,地應(yīng)力場(chǎng)以自重應(yīng)力為主。用Q系統(tǒng)、RMR方法、HC法、BQ法每10m洞段進(jìn)行一次圍巖分類(lèi),部分圍巖分類(lèi)結(jié)果列于表6中,由于篇幅所限,各參數(shù)的取值依據(jù)等未詳細(xì)列出。由于Q系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算σθ/σc值考慮了高地應(yīng)力對(duì)圍巖類(lèi)別的影響,其分類(lèi)結(jié)果多為Ⅲ類(lèi),與實(shí)際情況吻合較好;而RMR法沒(méi)有考慮高地應(yīng)力的影響,其分類(lèi)結(jié)果偏高,多為Ⅰ、Ⅱ類(lèi),對(duì)隧洞安全不利;HC法所得結(jié)果多為Ⅳ類(lèi),偏于保守,說(shuō)明在高地應(yīng)力條件下簡(jiǎn)單地降低圍巖類(lèi)別是不合適的;BQ法以調(diào)整修正系數(shù)的方法對(duì)在高地應(yīng)力下的圍巖類(lèi)別進(jìn)行了修正,分類(lèi)結(jié)果多為Ⅲ類(lèi),與實(shí)際情況吻合較好。6高地應(yīng)力的圍巖類(lèi)別劃分Q系統(tǒng)、BQ法能較好地描述高地應(yīng)力條件下堅(jiān)硬巖中巖爆對(duì)圍巖類(lèi)別的影響;而RMR法沒(méi)有考慮高地應(yīng)力的影響,其分類(lèi)結(jié)果偏高,對(duì)隧洞安全不利;我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的H