巖爆研究現(xiàn)狀與巖爆類型劃分

巖爆研究現(xiàn)狀與巖爆類型劃分

巖爆是地下工程開挖過程中，由于開挖和避荷，硬脆巖的洞壁高度異常，巖屑?xì)堅(jiān)冃?，?dǎo)致滑動地殼。它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全,影響工程進(jìn)度,已成為世界性的地下工程難題之一。本文總結(jié)了國內(nèi)外巖爆研究現(xiàn)狀,并在某些方面提出了一些新的見解。1巖爆類型與巖爆烈度分類的研究1.1斷層錯動引起的巖爆巖爆類型劃分主要是依據(jù)巖體彈性應(yīng)變能的儲存與釋放特征或應(yīng)力作用方式而進(jìn)行的,目前學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成共識。張倬元教授等按巖爆發(fā)生部位及所釋放的能量大小,將巖爆分為三大類型,即洞室圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆、礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆、斷層錯動引起的巖爆;左文智、張齊桂(1995年)從巖爆形成的內(nèi)在因素出發(fā),將巖爆類型劃分為水平構(gòu)造應(yīng)力型、垂直壓力型和綜合型三大類;武警水電指揮部天生橋二級水電站巖爆課題組對巖爆分類有二種標(biāo)準(zhǔn):一是按破裂程度將巖爆分為破裂松弛型和爆脫型二大類,二是按規(guī)模將巖爆劃分為零星巖爆(長0.5～10m)、成片巖爆(長10～20m)和連續(xù)巖爆(長>20m)三大類;郭志根據(jù)巖爆巖體破壞方式,將巖爆劃分為爆裂彈射型、片狀剝落型和洞壁垮塌型三大類。迄今為止,譚以安博士的巖爆類型劃分方案影響最大:他首先根據(jù)巖爆巖體高地應(yīng)力成因和最大主應(yīng)力σ1方向,將巖爆類型劃分為水平應(yīng)力型、垂直應(yīng)力型和混合應(yīng)力型三大類;然后依據(jù)具體應(yīng)力條件和巖爆特點(diǎn),再將巖爆劃分成六個亞類。1.2國內(nèi)外巖爆烈度指標(biāo)比較迄今為止,國內(nèi)外對巖爆烈度分級問題尚有不同的見解。德國學(xué)者G·布霍依諾1981年根據(jù)巖爆發(fā)生時對工程的危害程度,將巖爆烈度劃分為輕微損害、中等損害、嚴(yán)重?fù)p害三級;挪威巖爆權(quán)威人士拉森斯(B.F.Russeness)的巖爆烈度分級方案在國外很有影響,他在1974年研究挪威陡山坡隧道時,就根據(jù)巖爆發(fā)生時的聲響特征、圍巖爆裂破壞特征等將巖爆烈度劃分為0～3四級。我國譚以安博士1988年率先依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時的力學(xué)和聲學(xué)特征、破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中等、強(qiáng)烈、極強(qiáng)四級;鐵道部第二勘探設(shè)計(jì)院1996年在《二郎山隧道高地應(yīng)力技術(shù)咨詢報告》中,提出按判據(jù)σθ/Rb將巖爆烈度劃分為弱、中等、強(qiáng)烈三級;交通部第一公路設(shè)計(jì)院1996年則依據(jù)巖爆發(fā)生的聲響、巖體變形破裂狀況、σθ/Rb比值及最大水平主應(yīng)力σHmax,σHmax/σV,將巖爆烈度劃分為微弱、中等、劇烈三級。綜上所述,國內(nèi)外巖爆烈度分級主要是依據(jù)與巖爆有關(guān)的一個單項(xiàng)或少數(shù)幾項(xiàng)指標(biāo)來劃分的,考慮因素不夠全面;此外,上述巖爆烈度分級方案中普遍對巖爆現(xiàn)場容易判別的宏觀標(biāo)志重視程度不夠,這樣不利于工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和科研人員在現(xiàn)場及時取得共識。為了克服上述巖爆烈度分級方案中的缺乏,以王蘭生教授為首的“川藏公路二郎山隧道高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定性課題組”在借鑒前人分級方案的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時的聲響特征、運(yùn)動特征、爆裂巖塊形態(tài)特征、斷口特征、巖爆發(fā)生部位、巖爆時效特征、影響深度和σθ/Rb比值等,將巖爆烈度劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈、劇烈四級(RMS方案1,1998)。上述巖爆烈度分級方案的對應(yīng)關(guān)系見表1。2巖爆機(jī)制物理模擬E.Hoek等認(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。Zoback教授在解釋鉆孔崩落現(xiàn)象成因時,也認(rèn)為類似“巖爆”的孔壁崩落破壞屬剪切破壞。然而Mastin(1984)和Haimson(1972,1985)則通過打有圓孔的砂巖巖板進(jìn)行的單向壓縮物理模擬試驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)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(yīng)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(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的二種機(jī)制,并且認(rèn)為它們是二種應(yīng)力水平的產(chǎn)物,即劈裂破壞屬脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度狀態(tài)時的破壞;前者形成的破裂面與洞口邊界平行,而后者則與洞口邊界斜交,呈對數(shù)螺旋形狀。譚以安博士則認(rèn)為,巖爆系一漸時破壞過程,其形成過程可分為“劈裂成板→剪斷成塊→塊片彈射”三個階段。以王蘭生教授為首的“川藏公路二郎山隧道高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定性課題組”將巖爆作用與巖石在三向應(yīng)力條件下的壓縮變形破壞全過程(Lane,Bieniawski等,1970年)加以對照,認(rèn)為巖爆力學(xué)機(jī)制可以歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折三種基本形式,也可以多種組合方式出現(xiàn)。綜上所述,由于巖爆是極為復(fù)雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象,迄今人們對其形成機(jī)理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。3將巖爆局部調(diào)整作為預(yù)測的前提巖爆預(yù)測問題極為復(fù)雜,目前國內(nèi)外還沒有一整套成熟的理論和方法。這里將現(xiàn)有的幾種預(yù)測方法綜述如下:(1)施工地質(zhì)超前預(yù)報法:巖爆的發(fā)生不僅取決于地應(yīng)力條件,而且還與巖性及其分布特征、巖體結(jié)構(gòu)、斷裂和地下水狀況及其它因素有關(guān)。工程實(shí)踐表明,高地應(yīng)力區(qū)地下工程施工過程中,圍繞巖爆問題開展全面、系統(tǒng)的施工地質(zhì)調(diào)研工作,查明巖爆發(fā)生的基本規(guī)律,從而利用與巖爆有關(guān)的某些特殊地質(zhì)現(xiàn)象來正確預(yù)測巖爆,這對保證安全施工和優(yōu)化工程措施等均具有重要意義。例如,日本Kan-Etsu公路隧道施工過程中,超前鉆孔發(fā)現(xiàn)的巖芯餅裂區(qū)就與巖爆區(qū)完全一致,這為正確預(yù)報巖爆、保證該隧道安全施工提供了重要依據(jù)。我們在川藏公路二郎山隧道巖爆預(yù)測中,也通過施工地質(zhì)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)該隧道巖爆的發(fā)生與最大水平主應(yīng)力方向近于平行的NW向出水陡傾斷裂和巖性條件關(guān)系甚為密切;現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),二郎山隧道中發(fā)育產(chǎn)狀為N40°～60°W/NE∠60°～85°的張扭性次級斷裂,其中多見有線狀～股狀地下水,顯示斷裂處巖體因張扭性活動而有所松弛,氡氣α卡儀測試也顯示其氡氣值明顯高于兩側(cè)巖體;洞壁二次應(yīng)力場測試資料則表明,該組斷裂的存在造成了局部應(yīng)力降低帶,其應(yīng)力向兩側(cè)圍巖中轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致NW向陡傾斷裂兩側(cè)形成局部應(yīng)力增高帶;東段主洞已有巖爆活動大多發(fā)生在距該組斷裂10～20m距離以外的地段,究其原因就與這種應(yīng)力局部調(diào)整有很大關(guān)系;因此,掘進(jìn)過程中如遇到NW向出水的陡傾斷裂時可作為預(yù)測前進(jìn)方向可能產(chǎn)生巖爆的一個重要宏觀預(yù)測標(biāo)志。此外,現(xiàn)場調(diào)研還發(fā)現(xiàn),該隧道某些洞段巖爆常發(fā)生在泥巖軟質(zhì)巖層內(nèi)的泥灰?guī)r或砂巖、粉砂巖夾層中;綜合分析研究表明,這是因?yàn)猷徑鄮r軟質(zhì)巖的這些硬脆性巖夾層,由于前者應(yīng)力調(diào)整也出現(xiàn)了局部應(yīng)力增高現(xiàn)象,因此當(dāng)開挖至巖性軟硬變化部位時,巖爆則往往發(fā)生在硬脆性夾層側(cè);這一規(guī)律性的認(rèn)識也可作為軟硬相同的高地應(yīng)力區(qū)洞室掘進(jìn)過程中對巖爆進(jìn)行預(yù)測的一個重要地質(zhì)依據(jù)。(2)σθ/Rb判據(jù)預(yù)測法:國內(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Rb之比值作為巖爆判據(jù)。拉森斯1974年就應(yīng)用有限元計(jì)算和kirsch方程:σθmax=3σ1-σ3,計(jì)算洞壁最大切向應(yīng)力σθmax。利用σθmax及其巖樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is值,他繪制出巖爆烈度與隧道洞壁σσmax和Is的關(guān)系圖,用于預(yù)測巖爆和判定巖爆等級。我們在二郎山公路隧道巖爆預(yù)測中,則采用鉆孔應(yīng)力解除和應(yīng)力恢復(fù)測試法,現(xiàn)場測定洞壁二次應(yīng)力場;根據(jù)洞壁二次應(yīng)力場測試成果和現(xiàn)場巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度資料,求得各測點(diǎn)σθ/Rb比值,并與圍巖實(shí)際變形破裂狀況作對比分析,力圖從中找出正確預(yù)測巖爆及其烈度級別應(yīng)力量化的依據(jù);研究結(jié)果表明:無巖爆活動洞段σθ/Rb<0.3,輕微巖爆活動洞段σθ/Rb介于0.3～0.5之間,中等巖爆洞段σθ/Rb介于0.5～0.7之間;籍此分析,發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆活動時,σθ/Rb比值至少應(yīng)大于0.7。(3)巖爆儲能測試分析預(yù)測法:巖石中積聚彈性應(yīng)變能是巖爆發(fā)生的內(nèi)部主導(dǎo)因素。波蘭學(xué)者Kidybinski提出,將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rb,然后再卸載到0.05Rb時,卸載所釋放的彈性應(yīng)變能φSP和耗損的彈性應(yīng)變能φST之比值,定義為巖爆傾向性指數(shù)WET,用于判斷和預(yù)測巖爆:根據(jù)波蘭國家標(biāo)準(zhǔn):WET≥5.0,出現(xiàn)嚴(yán)重巖爆;WET=2.0～4.9,出現(xiàn)中、低烈度巖爆;WET<2.0,則不產(chǎn)生巖爆。(4)巖爆臨界深度預(yù)測法:這一方法為侯發(fā)亮教授在1989年首先提出。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,即使沒有構(gòu)造應(yīng)力,由于上覆巖體效應(yīng),洞室也可能會發(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:式中:μ為巖石泊松比,Υ為巖石重度。(5)聲發(fā)射現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)測法:根據(jù)李強(qiáng)(1994年)和Langstaff(1997年)資料,無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是現(xiàn)場監(jiān)測成果,均表明聲發(fā)射信號急劇增加都超前巖體(石)的變形破壞。根據(jù)這一特點(diǎn),可以將巖體聲發(fā)射技術(shù)推廣應(yīng)用到巖爆監(jiān)測預(yù)報中去。(6)煤(巖)體電磁輻射監(jiān)測預(yù)報法:這一方法是依據(jù)完整煤(巖石)壓縮變形破壞過程中,彈性范圍內(nèi)不產(chǎn)生電磁輻射,峰值強(qiáng)度附近時電磁輻射最強(qiáng)烈,軟化后無電磁輻射的原理,采用特制的儀器,現(xiàn)場監(jiān)測煤(巖)體變形破裂過程中發(fā)出的電磁輻射“脈沖”信號,通過數(shù)據(jù)處理和分析研究,來預(yù)報煤(巖)爆。這一方法首先由俄羅斯學(xué)者提出,我國王來貴博士后等人也在開展具體應(yīng)用研究工作,目前該方法主要應(yīng)用在煤爆監(jiān)測預(yù)報領(lǐng)域。4巖爆段圍巖支護(hù)技術(shù)從巖爆防治理論上來講,工程選址時首先應(yīng)盡量避開易發(fā)生巖爆的高地應(yīng)力集中地區(qū);實(shí)難避開時,也應(yīng)盡量使洞軸線與最大主應(yīng)力方向平行布置,以減小應(yīng)力集中系數(shù),防止巖爆或降低巖爆烈度級別。目前,地下工程具體施工過程中的巖爆防治措施主要有以下三大類:(1)改善圍巖物力性能:如在掌子面和洞壁經(jīng)常噴撒冷水,一定程度上可以降低表層圍巖的強(qiáng)度(煤炭科學(xué)研究院,1985)。采用超前鉆孔向煤等非堅(jiān)硬巖體高壓均勻注水,據(jù)王賢能博士研究(1998),該方法可以通過三方面作用來防治巖爆:一是可以釋放應(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,三是高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展,從而降低了巖體儲存應(yīng)變能的能力。但陳宗基教授(1987)指出,對于具有高地應(yīng)力的堅(jiān)硬巖體來說,巖體內(nèi)裂隙由于受到注水的潤滑作用又能觸發(fā)引起“地震”,結(jié)果往往起不到應(yīng)有的軟化圍巖作用。(2)改善圍巖應(yīng)力條件:根據(jù)挪威赫古拉公路隧道和我國川藏公路二郎山隧道、岷江太平驛水電站引水隧道等工程施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),巖爆地段盡量采用鉆爆法施工,短進(jìn)尺掘進(jìn);減小藥量,控制光爆效果,以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法,以減少對圍巖的擾動。強(qiáng)烈以上的烈度巖爆地段,必要時也可采用分部開挖的方法,以降低巖爆的破壞程度,但在施工中應(yīng)盡量減少爆破振動觸發(fā)巖爆的可能性;采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或震動爆破等方法,使巖體應(yīng)力降低,能量在開挖前釋放。(3)加固圍巖:對不同烈度的巖爆一般采取不同的加固處理措施。對輕微巖爆段,錨桿?22mm,L=1.5～2m,@200～250cm,多梅花型布置,加墊板;洞壁噴5～15cm厚C20砼或鋼纖維砼;必要時局部掛網(wǎng),?6mm～?8mm,@20cm×20cm。中等巖爆段,采用淺孔密錨掛整體網(wǎng)噴砼措施;錨桿?22mm,L=2～2.5m,@100～200cm,多梅花型布置,加墊板;整體網(wǎng)多采用長鋼筋在同一循環(huán)相互之間與錨桿縱橫焊接、緊貼周壁巖石布置(下同),