巖爆的預(yù)防及處理

1.1巖爆的預(yù)防及處理江門中微子實驗站地下洞室開挖，根據(jù)《江門中微子實驗基地詳勘（初設(shè)）階段工程地質(zhì)勘察報告》地應(yīng)力及巖爆分析，根據(jù)室內(nèi)試驗成果，微（新）風(fēng)化花崗巖容重約為26.6X103kN/m3,飽和抗壓強度一般為80MPa?120MPa,平均值為97MPa。，實驗廳最大埋深為約為763m，根據(jù)地應(yīng)力測試成果，估計實驗廳處地應(yīng)力值不超過20MPa，巖石強度應(yīng)力比=4.85。ZK1鉆孔打出的深部巖芯完整性好，在孔底（埋深約651m）的巖芯仍呈長柱狀（見巖心相片集）。實驗廳相對靠近侵入巖巖株中心，推測該處巖體完整性好，經(jīng)綜合分析，該部位應(yīng)力中等，不致產(chǎn)生大的巖爆現(xiàn)象。根據(jù)以上分析，實驗站洞室開挖巖爆是低強度的，不會對施工進度造成大的影響，采取的措施主要為及時封閉（噴混凝土），爆破解除應(yīng)力等。1.1.1巖爆產(chǎn)生條件近代構(gòu)造活動山體內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲存著很大的應(yīng)變能；圍巖新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，屬堅硬脆性介質(zhì)，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，應(yīng)力解除后，回彈變形很小；具有足夠的上覆巖體厚度，一般均遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶，埋藏深度多大于200m；無地下水，巖體干燥；開挖斷面形狀不規(guī)則，造成局部應(yīng)力集中。在溶孔較多的巖層里，則一般不會發(fā)生巖爆。1.1.2巖爆的特點隧洞內(nèi)的巖爆一般具有以下特點：在未發(fā)生前，并無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細尋找，并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，也會突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊有時應(yīng)聲而下，有時暫不墜下。巖爆發(fā)生的地點多在新開挖的工作面附近，個別的也有距新開挖工作面較遠，常見的巖爆部位以拱部或拱腰部位為多；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的2?3小時，24小時內(nèi)最為明顯，延續(xù)時間一般1?2個月，有的延長1年以上，事前一般無明顯預(yù)兆。巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可多達幾十噸重。石塊由母巖彈出，小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產(chǎn)生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn)，裂隙一旦貫通就產(chǎn)生剝落或彈出，屬于表部巖爆；在強度較低的巖體，則在離隧洞掌子面以里一定距離產(chǎn)生，造成向洞內(nèi)臨空面沖擊力量最大，這種巖爆屬于深部沖擊型。1.1.3巖爆的現(xiàn)場預(yù)測預(yù)報地形地貌分析法及地質(zhì)分析法認真查看其地形地貌，對該區(qū)的地形情況有一個總體的認識，在高山峽谷地區(qū)，谷地為應(yīng)力高度集中區(qū)，另外根據(jù)地質(zhì)報告資料初步確定輔助洞施工期間可能遇到的地應(yīng)力集中和地應(yīng)力偏大的地段。依據(jù)地質(zhì)理論，在地殼運動的活動區(qū)有較高的地應(yīng)力，在地區(qū)上升劇烈，河谷深切，剝蝕作用很強的地區(qū)，自重應(yīng)力也較大。AE法（聲發(fā)射法）AE法主要利用巖石臨近破壞前有聲發(fā)射現(xiàn)象這一結(jié)果，通過聲波探測器對巖石內(nèi)部的情況進行檢測，該方法的基本參量是能率E和大事件數(shù)頻度N，它們在一定程度上反映出巖體內(nèi)部的破裂程度和應(yīng)力增長速度。這種預(yù)報方法是最直接的，也是最有效的。鉆屑法（巖芯餅化法）這種方法是通過對巖石鉆孔進行，可在進行超前預(yù)報鉆孔的同時，對鉆出的巖屑和取出的巖芯進行分析；對強度較低的巖石，根據(jù)鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值來判斷巖爆趨勢。在鉆孔過程中有時還可以獲得如爆裂聲、磨察聲和卡鉆現(xiàn)象等輔助信息來判斷巖爆發(fā)生的可能性。地溫法采用紅外線測溫儀，若地溫接近正常埋深地溫，說明地下水滲流弱，圍巖干燥無水，則產(chǎn)生巖爆的可能性較大。以上幾種方法在實際施工過程中要綜合應(yīng)用，相輔相成互相印證，方能對巖爆的發(fā)生進行準確的預(yù)報。1.1.4巖爆防治措施改善圍巖應(yīng)力采用支護的方法，這種方法主要是改善圍巖應(yīng)力大小及分布使圍巖應(yīng)力小于圍巖強度，避免巖爆的發(fā)生。在施工中主要采取如下措施：在洞身開挖爆破時，采用“短進尺、多循環(huán)”，采用光面爆破技術(shù)，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。選擇合適的開挖斷面形式，也可改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法：通過打設(shè)超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內(nèi)部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區(qū)，從而使動壁和掌子面應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，施工時可在掌子面上打設(shè)5?6個超前鉆孔，深15?20m左右，鉆孔方向垂直巖面，間隔數(shù)十厘米，鉆孔可以起到超前鉆探地質(zhì)的作用，又可以起到釋放掌子面應(yīng)力的作用。超前鉆孔的布置形式及參數(shù)與地質(zhì)預(yù)測預(yù)報孔相同。改善圍巖性質(zhì)在施工過程中，可采取對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。但這種方法在隧道施工中一般對隧道圍巖的穩(wěn)定有一定的影響。對圍巖進行加強支護和超前支護加固對圍巖的加固其作用有兩個：改善掌子面及1?2倍洞徑洞段內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，由于支護的作用不但改變了應(yīng)力大小的分布，而且還使洞壁從單維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)。擬采用的加固辦法有：錨桿和超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐，二次襯砌。這種方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在易發(fā)生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐等多種支護方法有效的組合在一起來防止巖爆的發(fā)生。1.1.5巖爆段施工技術(shù)措施針對隧道的地質(zhì)特征，在施工中可能出現(xiàn)巖爆的地段應(yīng)采取積極主動的預(yù)防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：在施工前，針對已有勘測資料，首先進行概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，通過三維有限元數(shù)值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級以及施工過程中哪些部位及里程容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。事先做好地質(zhì)勘測工作，利用地質(zhì)雷達，超前鉆孔綜合方法進行地質(zhì)預(yù)報工作，根據(jù)超聲波結(jié)果，從圍巖完整性，輕度，地下水，是否存在斷層等情況，超前預(yù)測掌子面前方圍巖是否能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，分析巖爆的等級，預(yù)先做好措施。在施工過程中，加強超前地質(zhì)探測，根據(jù)預(yù)測的地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地質(zhì)雷達探測方法，同時利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，開挖后根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的巖爆特征，結(jié)合現(xiàn)場施工情況有針對性的采取支護措施打設(shè)超前鉆孔轉(zhuǎn)移隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機或液壓鉆孔臺車打設(shè)超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環(huán)可布置4?8個孔，深度5?10m，必要時也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1?3m不等。必要時，若預(yù)測到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。對干燥的巖石噴水濕潤，改善巖石應(yīng)力吩咐，在施工中應(yīng)加強監(jiān)測工作，通過對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀察、通過對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數(shù)的變化，可以定量化地預(yù)測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護的施工，以確保安全。在開挖過程中采用“短進尺、多循環(huán)”同時利用光面爆破技術(shù)，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內(nèi)。加強施工支護工作支護的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維混凝土，頂拱再加設(shè)錨索。必要時還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進行支護。開挖后立即進行支護減少巖石暴露的時間，工作條件允許的情況下及時進行二次永久襯砌支護，以避免洞身段發(fā)生二次或多次巖爆，必要時可采取跳段襯砌。同時應(yīng)準備好臨時鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進行支護，以防發(fā)生事故。對發(fā)生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應(yīng)力。以降低巖爆的強度。在巖爆地段施工對人員和設(shè)備進行必要的防護，以保證施工安全。噴車鋼纖維混凝土支護時，為使鋼纖維混凝土與巖面粘結(jié)性好，事前先在巖面噴射2cm后砂漿，待砂漿凝結(jié)前噴射混凝土，此外混凝土中的鋼纖維雖增強了混凝土的抗拉，抗彎及韌性，但鋼纖維易生銹，所以在噴完混凝土后在噴射一層砂漿，提高襯砌的平整度保護鋼纖維。1.2巖爆的預(yù)防及處理江門中微子實驗站地下洞室開挖，根據(jù)《江門中微子實驗基地詳勘（初設(shè)）階段工程地質(zhì)勘察報告》地應(yīng)力及巖爆分析，根據(jù)室內(nèi)試驗成果，微（新）風(fēng)化花崗巖容重約為26.6X103kN/m3,飽和抗壓強度一般為80MPa?120MPa，平均值為97MPa。，實驗廳最大埋深為約為763m，根據(jù)地應(yīng)力測試成果，估計實驗廳處地應(yīng)力值不超過20MPa，巖石強度應(yīng)力比=4.85。ZK1鉆孔打出的深部巖芯完整性好，在孔底（埋深約651m）的巖芯仍呈長柱狀（見巖心相片集）。實驗廳相對靠近侵入巖巖株中心，推測該處巖體完整性好，經(jīng)綜合分析，該部位應(yīng)力中等，不致產(chǎn)生大的巖爆現(xiàn)象。根據(jù)以上分析，實驗站洞室開挖巖爆是低強度的，不會對施工進度造成大的影響，采取的措施主要為及時封閉（噴混凝土），爆破解除應(yīng)力等。1.2.1巖爆產(chǎn)生條件近代構(gòu)造活動山體內(nèi)地應(yīng)力較高，巖體內(nèi)儲存著很大的應(yīng)變能；圍巖新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，屬堅硬脆性介質(zhì)，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，應(yīng)力解除后，回彈變形很??；具有足夠的上覆巖體厚度，一般均遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶，埋藏深度多大于200m；無地下水，巖體干燥；開挖斷面形狀不規(guī)則，造成局部應(yīng)力集中。在溶孔較多的巖層里，則一般不會發(fā)生巖爆。1.2.2巖爆的特點隧洞內(nèi)的巖爆一般具有以下特點：在未發(fā)生前，并無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細尋找，并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，也會突然發(fā)生巖石爆裂聲響，石塊有時應(yīng)聲而下，有時暫不墜下。巖爆發(fā)生的地點多在新開挖的工作面附近，個別的也有距新開挖工作面較遠，常見的巖爆部位以拱部或拱腰部位為多；巖爆在開挖后陸續(xù)出現(xiàn)，多在爆破后的2?3小時，24小時內(nèi)最為明顯，延續(xù)時間一般1?2個月，有的延長1年以上，事前一般無明顯預(yù)兆。巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可多達幾十噸重。石塊由母巖彈出，小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規(guī)則的片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產(chǎn)生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現(xiàn)，裂隙一旦貫通就產(chǎn)生剝落或彈出，屬于表部巖爆；在強度較低的巖體，則在離隧洞掌子面以里一定距離產(chǎn)生，造成向洞內(nèi)臨空面沖擊力量最大，這種巖爆屬于深部沖擊型。1.2.3巖爆的現(xiàn)場預(yù)測預(yù)報地形地貌分析法及地質(zhì)分析法認真查看其地形地貌，對該區(qū)的地形情況有一個總體的認識，在高山峽谷地區(qū)，谷地為應(yīng)力高度集中區(qū)，另外根據(jù)地質(zhì)報告資料初步確定輔助洞施工期間可能遇到的地應(yīng)力集中和地應(yīng)力偏大的地段。依據(jù)地質(zhì)理論，在地殼運動的活動區(qū)有較高的地應(yīng)力，在地區(qū)上升劇烈，河谷深切，剝蝕作用很強的地區(qū)，自重應(yīng)力也較大。AE法（聲發(fā)射法）AE法主要利用巖石臨近破壞前有聲發(fā)射現(xiàn)象這一結(jié)果，通過聲波探測器對巖石內(nèi)部的情況進行檢測，該方法的基本參量是能率E和大事件數(shù)頻度N，它們在一定程度上反映出巖體內(nèi)部的破裂程度和應(yīng)力增長速度。這種預(yù)報方法是最直接的，也是最有效的。鉆屑法（巖芯餅化法）這種方法是通過對巖石鉆孔進行，可在進行超前預(yù)報鉆孔的同時，對鉆出的巖屑和取出的巖芯進行分析；對強度較低的巖石，根據(jù)鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值來判斷巖爆趨勢。在鉆孔過程中有時還可以獲得如爆裂聲、磨察聲和卡鉆現(xiàn)象等輔助信息來判斷巖爆發(fā)生的可能性。地溫法采用紅外線測溫儀，若地溫接近正常埋深地溫，說明地下水滲流弱，圍巖干燥無水，則產(chǎn)生巖爆的可能性較大。以上幾種方法在實際施工過程中要綜合應(yīng)用，相輔相成互相印證，方能對巖爆的發(fā)生進行準確的預(yù)報。1.2.4巖爆防治措施改善圍巖應(yīng)力采用支護的方法，這種方法主要是改善圍巖應(yīng)力大小及分布使圍巖應(yīng)力小于圍巖強度，避免巖爆的發(fā)生。在施工中主要采取如下措施：在洞身開挖爆破時，采用“短進尺、多循環(huán)”，采用光面爆破技術(shù)，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。選擇合適的開挖斷面形式，也可改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法：通過打設(shè)超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內(nèi)部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區(qū)，從而使動壁和掌子面應(yīng)力降低，使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至圍巖深部，施工時可在掌子面上打設(shè)5?6個超前鉆孔，深15?20m左右，鉆孔方向垂直巖面，間隔數(shù)十厘米，鉆孔可以起到超前鉆探地質(zhì)的作用，又可以起到釋放掌子面應(yīng)力的作用。超前鉆孔的布置形式及參數(shù)與地質(zhì)預(yù)測預(yù)報孔相同。改善圍巖性質(zhì)在施工過程中，可采取對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。但這種方法在隧道施工中一般對隧道圍巖的穩(wěn)定有一定的影響。對圍巖進行加強支護和超前支護加固對圍巖的加固其作用有兩個：改善掌子面及1?2倍洞徑洞段內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，由于支護的作用不但改變了應(yīng)力大小的分布，而且還使洞壁從單維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿S應(yīng)力狀態(tài)。擬采用的加固辦法有：錨桿和超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐，二次襯砌。這種方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在易發(fā)生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐等多種支護方法有效的組合在一起來防止巖爆的發(fā)生。1.2.5巖爆段施工技術(shù)措施針對隧道的地質(zhì)特征，在施工中可能出現(xiàn)巖爆的地段應(yīng)采取積極主動的預(yù)防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發(fā)生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應(yīng)力地段施工中可采用以下技術(shù)措施：在施工前，針對已有勘測資料，首先進行概念模型建模及數(shù)學(xué)模型建模工作，通過三維有限元數(shù)值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級以及施工過程中哪些部位及里程容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，優(yōu)化施工開挖和支護順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。事先做好地質(zhì)勘測工作，利用地質(zhì)雷達，超前鉆孔綜合方法進行地質(zhì)預(yù)報工作，根據(jù)超聲波結(jié)果，從圍巖完整性，輕度，地下水，是否存在斷層等情況，超前預(yù)測掌子面前方圍巖是否能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，分析巖爆的等級，預(yù)先做好措施。在施工過程中，加強超前地質(zhì)探測，根據(jù)預(yù)測的地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、聲反射、地質(zhì)雷達探測方法，同時利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，開挖后根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的巖爆特征，結(jié)合現(xiàn)場施工情況有針對性的采取支護措施打設(shè)超前鉆孔轉(zhuǎn)移隧道掌子面的高地應(yīng)力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質(zhì)鉆機或液壓鉆孔臺車打設(shè)超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環(huán)可布置4?8個孔，深度5?10m，必要時也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，間距數(shù)十厘米，深度1?3m不等。必要時，若預(yù)測到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或?qū)⑼暾麕r體用小炮震裂，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。對干燥的巖石噴水濕潤，改善巖石應(yīng)力吩咐，在施工中應(yīng)加強監(jiān)測工作，通過對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場觀察、通過對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數(shù)的變化，可以定量化地預(yù)測滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護的施工，以確保安全。在開挖過程中采用“短進尺、多循環(huán)”同時利用光面爆破技術(shù)，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規(guī)則，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內(nèi)。加強施工支護工作支護的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維混凝土，頂拱再加設(shè)錨索。必要時還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進