地下工程岩爆防治措施

发布时间:2021-03-28

地下工程岩爆防治措施

1. 简介

岩爆是深部地下工程开挖中常见的一种地质灾害，主要发生在花岗岩与闪长岩等硬质岩且埋深极大的地段，但脆岩在超出抗压强度一定范围的压力下也会产生岩爆；岩爆也称冲击地压，是深部工程在高地应力作用下，因洞室开挖的人为扰动而导致之前的岩体应力平衡系统被打破，洞室围岩断面处因应力重分布而积聚高水平应力，导致围岩局部区域短时间积聚大量的能量，当岩石中累积能量大大超过岩石破坏所需的能量时，岩体发生强烈的岩块弹射破坏，积聚的能量以动能的形式释放出来，它是因围岩动力失稳而导致的一种极具破坏性的地质灾害；在隧道开挖后，将在较短的时间内岩体产生脆性破坏，岩体内残留的弹性应变能突然释放，发生高速崩溃、弹射、甚至抛掷的一种局部失稳现象。▼

2. 岩爆产生的条件

2.1近代构造活动山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时。

2.2围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小。

2.3埋深较大(一般埋藏深度多大于200m)且远离沟谷切割的卸荷裂隙带。

2.4 地下水较少，岩体干燥，反映了地应力赋存条件好。

2.5 岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中。

2.6 当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。

2.7 掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也可能发生岩爆。

2.8 岩爆围岩应力条件，用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断，经验公式：σ1/σc>0.165～0.35的脆性岩体最易发生岩爆。

3. 岩爆岩爆的特点

3.1 在未发生前，无明显的征兆，虽经过仔细寻找，并无空响声，一般认为不会掉落石块的地方，会突然发生岩石爆裂声响，石块一般应声而下。

3.2 岩爆发生时，普遍有沉闷的放炮声，似冰层开裂声和啪啪声，除个别有弹射现象外，均是先有响声后剥落。这是地应力释放时的动力反映。

3.3 岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近及距离掌子面1～3倍洞径范围内，个别的也有距新开挖工作面较远，常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多；

3.4 岩爆在开挖后陆续出现，根据目前的统计资料显示，90%以上5天内。且大部分在开挖后3到4小时之内。

2.5 岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可达数吨重。小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的鱼鳞片状脱落，脱落面多与岩壁平行。▼

4. 岩爆的现场预测预报

4.1 地形地貌分析法及地质分析法

认真查看其地形地貌，对该区的地形情况有一个总体的认识，在高山峡谷地区，谷地为应力高度集中区；在地壳运动的活动区有较高的地应力，在地区上升剧烈，河谷深切，剥蚀作用很强的地区，自重应力也较大。

4.2 AE法（声发射法）

AE法主要利用岩石临近破坏前有声发射现象这一结果，通过声波探测器对岩石内部的情况进行检测，该方法的基本参量是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。这种预报方法是最直接的，也是最有效的。▼

4.3 钻屑法（岩芯饼化法）

  这种方法是通过对岩石钻孔进行，可在进行超前预报钻孔的同时，对钻出的岩屑和取出的岩芯进行分析；对强度较低的岩石，根据钻出岩屑体积大小与理论钻孔体积大小的比值来判断岩爆趋势。在钻孔过程中有时还可以获得如爆裂声、磨察声和卡钻现象等辅助信息来判断岩爆发生的可能性。

4.4 地温法

采用红外线测温仪，若地温接近正常埋深地温，说明地下水渗流弱，围岩干燥无水，则产生岩爆的可能性较大。

4.5 微震监测技术

可推广试用新技术，如：力软科技（大连）股份有限公司研发的微震监测技术，通过接收岩体内部微裂产生的弹性波，通过多组波形的定位分析，可以反演微破裂发生的时间，空间及震级，基于独特的3S分析预警原理（应力积累，应力释放和应力转移），在锦屏二级水电工程，引汉济渭工程等施工隧道岩爆监测预警实践中，根据微震前信息异常，数十次提前多天准确确定岩爆潜在发生的位置和震级，为施工安全提供了有效保障。

以上几种方法在实际施工过程中要综合应用，相辅相成互相印证，方能对岩爆的发生进行准确的预报。

5. 预防及处理

5.1 应力解除法

通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而使动壁和掌子面应力降低，使高应力转移至围岩深部，施工时可在掌子面上打设5～6个超前钻孔，钻孔直径为45mm，深15～20m左右，既可以起到超前钻探地质的作用，又可以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布臵形式及参数与地质预测预报孔相同。必要时，若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂；必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，间距数十厘米，深度1～3m不等。

5.2 改善围岩性质

在施工过程中，可采取对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度。

5.3 加强施工支护工作

支护的方法是在爆破后立即向拱部及侧壁喷射钢纤维或塑料纤维混凝土，再加设锚杆及钢筋网。必要时还要架设钢拱架和打设超前锚杆进行支护。

5.4 对发生岩爆的地段，可采取在岩壁切槽的方法来释放应力，以降低岩爆的强度。

5.5 在岩爆地段施工对人员和设备进行必要的防护，以保证施工安全。

总之，处理岩爆记住三句话:长锚杆拱架锁口防护；短台阶预裂爆破开挖；钢筋网喷锚支护封闭。▼

6.结束语

由于岩爆严重威胁施工安全，制约施工进度，目前的认知水平还有待提升；因此，如何准确监测、分析、预测、预报深埋岩石隧道工程施工诱发的岩爆这种突发性地质灾害；研究岩爆发生机理及特征、规律以及岩爆施工防治是岩爆的热点与难点；对于岩爆的预警与防治具有极其重要的意义；根据岩爆预警结果及岩爆等级标准，优化岩爆防治工法工艺，建立针对不同类型不同等级岩爆防治工法工艺，达到“以防为主，防治结合”的原则，减少岩爆灾害带来的生命和财产损失，已经成为深埋工程亟待解决的关键科学技术问题，应进一步深化研究为隧道工法和支护措施的合理选择提供科学依据。