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，巖屑殘渣變形，導致滑動地殼。它直接威脅施工人員、設備的安全,影響工程進度,已成為世界性的地下工程難題之一。本文總結了國內(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)巖體彈性應變能的儲存與釋放特征或應力作用方式而進行的,目前學術界尚未達成共識。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造應力型、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準: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)巖爆巖體高地應力成因和最大主應力σ1方向,將巖爆類型劃分為水平應力型、垂直應力型和混合應力型三大類;然后依據(jù)具體應力條件和巖爆特點,再將巖爆劃分成六個亞類。1.2國內(nèi)外巖爆烈度指標比較迄今為止,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、嚴重損害三級;挪威巖爆權威人士拉森斯(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)生時的力學和聲學特征、破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中等、強烈、極強四級;鐵道部第二勘探設計院1996年在《二郎山隧道高地應力技術咨詢報告》中,提出按判據(jù)σθ/Rb將巖爆烈度劃分為弱、中等、強烈三級;交通部第一公路設計院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)與巖爆有關的一個單項或少數(shù)幾項指標來劃分的,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志重視程度不夠,這樣不利于工程設計、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力與圍巖穩(wěn)定性課題組”在借鑒前人分級方案的基礎上,依據(jù)巖爆危害程度及其發(fā)生時的聲響特征、運動特征、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、強烈、劇烈四級(RMS方案1,1998)。上述巖爆烈度分級方案的對應關系見表1。2巖爆機制物理模擬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行的單向壓縮物理模擬試驗,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驗,總結出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切的二種機制,并且認為它們是二種應力水平的產(chǎn)物,即劈裂破壞屬脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應力達到峰值強度狀態(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力與圍巖穩(wěn)定性課題組”將巖爆作用與巖石在三向應力條件下的壓縮變形破壞全過程(Lane,Bieniawski等,1970年)加以對照,認為巖爆力學機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,由于巖爆是極為復雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象,迄今人們對其形成機理還沒有統(tǒng)一的認識。3將巖爆局部調(diào)整作為預測的前提巖爆預測問題極為復雜,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)有的幾種預測方法綜述如下:(1)施工地質(zhì)超前預報法:巖爆的發(fā)生不僅取決于地應力條件,而且還與巖性及其分布特征、巖體結構、斷裂和地下水狀況及其它因素有關。工程實踐表明,高地應力區(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的某些特殊地質(zhì)現(xiàn)象來正確預測巖爆,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)生與最大水平主應力方向近于平行的NW向出水陡傾斷裂和巖性條件關系甚為密切;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巖體;洞壁二次應力場測試資料則表明,該組斷裂的存在造成了局部應力降低帶,其應力向兩側圍巖中轉移,從而導致NW向陡傾斷裂兩側形成局部應力增高帶;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力局部調(diào)整有很大關系;因此,掘進過程中如遇到NW向出水的陡傾斷裂時可作為預測前進方向可能產(chǎn)生巖爆的一個重要宏觀預測標志。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,這是因為鄰近泥巖軟質(zhì)巖的這些硬脆性巖夾層,由于前者應力調(diào)整也出現(xiàn)了局部應力增高現(xiàn)象,因此當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;這一規(guī)律性的認識也可作為軟硬相同的高地應力區(qū)洞室掘進過程中對巖爆進行預測的一個重要地質(zhì)依據(jù)。(2)σθ/Rb判據(jù)預測法:國內(nèi)外學者多將有限元計算的斷面洞壁切向應力σθ和巖石單軸抗壓強度Rb之比值作為巖爆判據(jù)。拉森斯1974年就應用有限元計算和kirsch方程:σθmax=3σ1-σ3,計算洞壁最大切向應力σθmax。利用σθmax及其巖樣點荷載強度Is值,他繪制出巖爆烈度與隧道洞壁σσmax和Is的關系圖,用于預測巖爆和判定巖爆等級。我們在二郎山公路隧道巖爆預測中,則采用鉆孔應力解除和應力恢復測試法,現(xiàn)場測定洞壁二次應力場;根據(jù)洞壁二次應力場測試成果和現(xiàn)場巖石點荷載試驗強度資料,求得各測點σθ/Rb比值,并與圍巖實際變形破裂狀況作對比分析,力圖從中找出正確預測巖爆及其烈度級別應力量化的依據(jù);研究結果表明: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)生強烈?guī)r爆活動時,σθ/Rb比值至少應大于0.7。(3)巖爆儲能測試分析預測法:巖石中積聚彈性應變能是巖爆發(fā)生的內(nèi)部主導因素。波蘭學者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變能φSP和耗損的彈性應變能φST之比值,定義為巖爆傾向性指數(shù)WET,用于判斷和預測巖爆:根據(jù)波蘭國家標準:WET≥5.0,出現(xiàn)嚴重巖爆;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)巖爆臨界深度預測法:這一方法為侯發(fā)亮教授在1989年首先提出。他認為,巖爆雖然多發(fā)生在水平構造應力較大的地區(qū),但如果洞室埋深較大,即使沒有構造應力,由于上覆巖體效應,洞室也可能會發(fā)生巖爆。根據(jù)彈性力學求解,侯發(fā)亮教授推導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)測預測法:根據(jù)李強(1994年)和Langstaff(1997年)資料,無論是室內(nèi)試驗還是現(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,可以將巖體聲發(fā)射技術推廣應用到巖爆監(jiān)測預報中去。(6)煤(巖)體電磁輻射監(jiān)測預報法: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,峰值強度附近時電磁輻射最強烈,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,來預報煤(巖)爆。這一方法首先由俄羅斯學者提出,我國王來貴博士后等人也在開展具體應用研究工作,目前該方法主要應用在煤爆監(jiān)測預報領域。4巖爆段圍巖支護技術從巖爆防治理論上來講,工程選址時首先應盡量避開易發(fā)生巖爆的高地應力集中地區(qū);實難避開時,也應盡量使洞軸線與最大主應力方向平行布置,以減小應力集中系數(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度(煤炭科學研究院,1985)。采用超前鉆孔向煤等非堅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:一是可以釋放應變能并將最大切向應力向圍巖深部轉移,二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體的強度,三是高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴展,從而降低了巖體儲存應變能的能力。但陳宗基教授(1987)指出,對于具有高地應力的堅硬巖體來說,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”,結果往往起不到應有的軟化圍巖作用。(2)改善圍巖應力條件: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踐經(jīng)驗,巖爆地段盡量采用鉆爆法施工,短進尺掘進;減小藥量,控制光爆效果,以減少圍巖表層應力集中現(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,但在施工中應盡量減少爆破振動觸發(fā)巖爆的可能性;采取超前鉆孔應力解除、松動爆破或震動爆破等方法,使巖體應力降低,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),