岩爆预防措施（精选九篇）
岩爆预防措施 篇1
隧道及地下工程穿越坚硬围岩处于高地应力地区时, 由于封闭岩层被开挖后, 地应力释放致使围岩突然破坏, 并伴随产生岩块的弹射、抛掷、声响等释放内部较大的弹性应变能的现象, 称为“岩爆”。
2 岩爆产生的基本条件
岩爆发生的两大基本条件是高地应力和坚硬围岩。地应力与埋深有关;坚硬围岩分别可用单轴抗压强压、脆性、围岩级别来衡量。因此, 可用以下5项指标分别判断;其后再用5项指标综合判断岩爆强度级别。
2.1 高地应力
地应力一般包括构造应力, 残存应力和岩体的自重应力, 它有三个分量:即垂直应力, 最大水平应力бmax和最小水平应力бmin, 地应力大小与地质状况、地质构造、埋置深度、生成年代以及地壳运动等因素有关, 但一般情况下关系最明显的是埋深H。地应力与埋深H的线性关系式如下。
2.2 埋深
一般而言, 埋深越大, 地应力越大, 发生岩爆的可能性就越大。
2.3 岩石单轴抗压强度бc
岩石单轴抗压强度бc与岩爆强度的关系如表1所示。
2.4 岩石的脆性
岩石的脆性程度与岩爆发生有直接关系, 工程实例统计, 岩爆大部份发生在石英岩、片麻岩、花岗岩、闪长岩、正长岩、大理岩、灰岩、白云岩等, 共同的力学特性都是脆性。
2.5 围岩级别
岩爆强度除上述4项条件以外, 还与岩体构造如节理、裂隙、地下水等因素有关, 围岩级别恰是这诸多因素的综合指标, 因此, 也可用围岩级别来判断岩爆强度。
由于岩爆本身的复杂性以及隧道或地下工程不同里程、不同部位岩体的多样性, 各单项指标分别评级的结果可能有不一致的现象, 对此, 只要5个指标中有3~4个相同, 即可认定为该相同结果的岩爆强度[1]。
3 岩爆的基本类型
3.1 破裂松脱型
围岩爆裂呈块、板、鳞片状, 经过一段时间才从母岩表面自上而下坠落, 弹射距离小, 弹射速度<2.0m/s。此类为微弱岩爆。
3.2 爆裂弹射型
爆裂声响如同鞭炮。围岩爆裂呈块 (片) 状弹射或剥离, 多为中间厚周边薄的鳞片, 较大者达直径D=0.3~5.0m, 厚度h=0.1~0.3m, 弹射速度一般约2.0~5.0m/s, 发生的部位一般多在新开挖工作面及其附近的拱部, 岩爆发生前常有如破竹劈啪声的预兆, 作业人员和设备可以提前躲避。此类为中等岩爆。
3.3 爆炸抛石型
爆裂声响如同炮弹爆炸。巨石抛射, 体积达数立方米甚至数十立方米, 抛射距离达数米甚至一、二十米, 速度一般>5.0m/s。多发生在新开挖工作面放炮后数分钟内。唯一的措施只有躲避。此类为强烈岩爆。
4 目前常用的防治岩爆的措施
4.1 岩爆的处置原则
建议遵循“一躲;二防;三治”的先后顺序原则。
(1) 躲避:当遇到爆裂弹射型 (中等岩爆) 或者爆炸抛石型 (强烈岩爆) 岩爆时, 人力不可抗拒, 非躲不可, 别无他法。看似消极被动, 其实是避其不必要的伤亡, 是最安全、最经济、最有效的办法。待岩爆趋于稳定以后, 再寻求恰当防治措施, 此为上策。
(2) 防:当进入可能发生各类型岩爆地段之前或之中, 根据前述判定的岩爆强度, 有预见性有针对性的采取恰当的技术措施, 以防止岩爆的发生或降低岩爆强度或滞缓岩爆发生的时间, 是主动、积极的行为。
(3) 治:是指在“防”的基础之上, 新增加或强化己实施的各种技术措施以治理岩爆, 达到不发生伤害的程度, 使作业人员彻底感到有安全感。
4.2 防治岩爆常用措施
4.2.1 以改变地应力为切入点的措施
(1) 先导坑、后扩挖。对于大断面或特大断面的隧道 (洞室) 在断面内适当位置, 先行掘进1个15~30m2左右的小导坑, 以提前释放一部份地应力, 然后扩挖至设计断面。
(2) 短进尺、光面、弱爆破。每循环进尺控制在1.8~2.0m左右, 以减小地应力释放的面积和空间, 且有利于快速完成初期支护;岩面平顺减少应力集中, 弱爆破则减小对围岩的扰动, 避免诱发地应力二次释放和爆破动力与地应力叠加引起岩爆。
(3) 超前应力解除 (释放) 。在掌子面钻掘进炮孔的同时, 加钻一些比掘进孔加深2~3m左右仅在末端装炸药的“应力解除孔”, 再加钻一些不装炸药的“容积补偿孔”, 加钻的两种孔深基本同深。本措施在锦屏二级水电站辅助洞和引用水洞中采用过, 有一定效果。
(4) 孔内注水、高压喷水。地应力常与地温有关, 利用炮孔和锚杆孔向岩体内注了水, 另外在放炮排烟后, 出碴之前, 直接向岩壁喷水以软化表面, 两者均可降温降低地应力和促进地应力释放与调整;同时降低岩体强度, 增加“韧性”减小脆性。
4.2.2“防、治”结合的综合支护措施
(1) 超前锚杆。对于强烈岩爆, 在掌子面打超前锚杆, 对开挖面前方围岩进行‘锁定’采用摩擦型锚杆即可, 锚杆环向间距0.5~1.0m, 锚杆长度必须>开挖循环进尺的2.0~2.5倍。
(2) “随机锚杆”。掌子面放炮排烟后, 虽经2~3次找顶处理危石, 但难免仍有较大危石, 其次, 据统计, 距掌子面后6~12m范围内乃是“岩爆活跃区”, 掌子面开挖后5~20h (最长达65h) 是“岩爆活跃期”常有不规则的裂缝警示有危险因素存在;因此, 随机性的加打若干锚杆对防治岩爆十分有效。
(3) 喷钢纤维混凝土。在放炮通风排烟找顶处理危石之后, 先暂不进行出碴作业, 快速喷钢纤维混凝土, 迅速封闭岩面裂缝并使岩面平顺, 由于钢纤维混凝土较之素混凝土具有更大的柔性和抗剪能力[2]。
(4) 锚、喷、网联合支护。即采用常规的锚喷网工法施作, 必要时可采用双层挂网和混凝土中掺外加剂, 使混凝土增强、早强、速凝。形成具有相当强度又有柔性的支护体系, 能承受较大的动、静荷载引起的变形而表层不开裂, 抑制岩爆的发生。
(5) 二次衬砌。经过上述一系列的措施之后, 岩爆己被基本治住, 但未必彻底, 及时施作二次衬砌 (多数为钢筋混凝土) 及其墙后注浆, 将岩爆‘彻底’治理, 确保工程安全使用。
参考文献
[1]边鹏飞, 赵宗智.苍岭隧道施工岩爆预防与防治[J].公路交通技术, 2009 (02) :137~139.
浅议岩爆 篇2
岩爆是矿山坑道、水电洞室、交通隧洞等地下工程的.一大地质灾害,严重制约地下工程发展.因岩爆发生的机理尚未明确,在工程施工中存在对岩爆现象的认识误区.本文对岩爆现象的概念、影响因素、预测与防治方法等进行了探讨.
作 者：赵文斌 李桃见 饶学志 ZHAO Wen-bin LI Tao-jian RAO Xue-zhi 作者单位：赵文斌,李桃见,ZHAO Wen-bin,LI Tao-jian(云南华昆工程技术股份公司,云南,昆明,650051)
饶学志,RAO Xue-zhi(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院,云南,昆明,650051)
刊 名：有色金属设计 英文刊名：NONFERROUS METALS DESIGN 年，卷(期)： 36(2) 分类号：P584 关键词：岩爆 预测 地下工程 自然因素 构造
岩爆预防措施 篇3
关键词：隧道；岩爆
1引言：岩爆是指地下隧道岩体中聚集的弹性变形能在短时间内释放出来并使岩块弹射而出的现象。
2秦岭隧道岩爆的表现特征
根据现场调查，按岩爆的强烈程度可把岩爆分为轻微、中等和强烈三级。轻微岩爆 28 段（总长为1124 m），多呈小规模零星分布，以破裂剥落型为主；中等岩爆 11 段（总长为 650 m），呈较大规模的连续分布，为弹射型和破裂剥落型；强烈岩爆 4 段，累计长度为 120 m，呈大规模连续分布，为强烈弹射型，并造成围岩大面积开裂失稳。从发生岩爆的岩性看，所有 43 段岩爆中，除一段（10 m）发生在混合花岗岩中，其余岩爆均发生在混合片麻岩中。混合片麻岩片麻理构造较发育，节理不发育至较发育，岩体多呈巨块状整体结构或大块状砌体结构，几乎所有岩爆段的岩体都呈干燥无水状态。从岩爆段的垂直埋深看，最大埋深为 1 615 m，最小埋深仅 50 m，但 4 段强烈岩爆深埋都在 900 m以上，轻微和中等岩爆可发生在任何埋深。岩爆在隧道断面上主要分布在两侧拱部，個别段发生在两侧边墙，4 段强烈岩爆发生在整个断面。
3太平驿隧洞中的岩爆现象及特征
太平驿引水式水电站位于四川省汶川县境内，引水隧洞沿岷江左岸布置，全长10.5km，成型洞泾9m。隧洞沿线山体雄厚，地势陡峻，河谷深切，洞室埋深200-600m，施工区地处龙门山断折带中段，茂汶断裂与映秀断裂围限的断块上。断块山主体由晋宁-澄江期岩浆岩组成。地震基本烈度为VII度。在隧道工程局中标的二工区施工段内，隧洞围岩主要为花岗岩和花岗闪长岩，岩体完整新鲜，岩质坚硬。实测资料表明该地区属高地应力区，最大主应力31.3Mpa，其方向基本上垂直于河流流向，倾角7°，中间主应力17.8Mpa，约平行于河流流向，倾角64°，最小主应力10.4Mpa。
4国内外工程实例
4.1国内工程实例
国家近年来在我国西南和西北地区，修建了许多大型水电站，通常由于地应力较高，地下厂房和引水隧洞中常发生岩爆。（见表一）
4.2国外工程实例
岩爆常发生在埋深大的工程中。自重应力引起的地应力较大，围岩切向应力也较大。但瑞典Forsmark核电站引水隧洞仅在地下5-10m处也发生了岩爆。因为该处的水平地应力最大可至30Mpa.
5结论
（1）岩爆剧烈程度并不是简单地随着埋深的增大而加强，即并不是呈简单的线性关系；
（2）发生岩爆的岩石种类绝大多数为花岗岩一类的硬质岩，少数会出现大理岩等。
参考文献
[1]谷明成，何发亮，陈成宗.秦岭隧道岩爆的研究，岩石力学与工程学报，2002.9 21（9）：1324～1329
[2]周德培，洪开荣.太平驿隧洞岩爆特征及防治措施，岩石力学与工程学报，1995.6 14（1995）：171～178
[3]王元汉，李卧东，李启光，徐钺，谭国焕.岩石力学与工程学报1998.10 17（5）：493～501
鄂赣隧道岩爆检测方法及预防措施 篇4
岩爆是在高地应力区岩体中开挖隧道时, 围岩发生脆性破坏而突然释放应力所造成的一种失稳现象。对岩爆的发生进行及时预测和预防具有特别重要的意义, 但是由于岩爆发生形式、地点的复杂性, 目前对岩爆检测方法尚无统一的认识。
1 岩爆产生条件
1.1 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;
1.2 围岩新鲜完整, 裂隙极少, 属坚硬脆性介质, 能够储存能量, 而其变形特性属于脆性破坏类型, 应力解除后, 回弹变形很小;
1.3 具有足够的上覆岩体厚度, 埋藏深度多大于200m;
1.4 无地下水, 岩体干燥;
1.5 开挖断面形状不规则, 造成局部应力集中。
2 岩爆的特点
隧道内的岩爆一般具有以下特点:
2.1 在未发生前, 并无明显的征兆, 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, 也会突然发生岩石爆裂声响, 石块有时应声而下, 有时暂不坠下。
2.2 岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近, 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;岩爆在开挖后陆续出现, 多在爆破后的2~3小时, 24小时内最为明显, 延续时间一般1~2个月, 事前一般无明显预兆。
2.3 岩爆时围岩破坏的规模, 小则几厘米厚, 大则可多达几十吨
重。石块由母岩弹出, 小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落, 脱落面多与岩壁平行。
2.4 岩爆围岩的破坏过程, 一般新鲜坚硬岩体均先产生声响, 伴
随片状剥落的裂隙出现, 裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出, 属于表部岩爆;在强度较低的岩体, 则在离隧洞掌子面以里一定距离产生, 造成向洞内临空面冲击力量最大, 这种岩爆属于深部冲击型。
3 岩爆的现场预测预报
目前岩爆预测的普遍方法:地形地貌分析法及地质分析法;AE法 (声发射法) ;钻屑法 (岩芯饼化法) ;地温法。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。本文主要介绍的是一种新型的检测方法“W (改进) 型门塞式应力恢复法”。
4“W (改进) 型门塞式应力恢复法”简述
4.1 基本原理“W (改进) 型门塞式应力恢复法”基本原理是现
场洞壁测试点安装电阻应变片测量洞壁测点3个方向的应变值, 并计算出洞壁最大主应力σ1, 即后续σθ/Rb判据中使用的σθmax, 取下长度为50mm的岩心, 利用点荷载仪取得岩心的单轴抗压强度Rb (采用点荷载试验强度换算求得) , 然后与岩爆烈度分级RMS相对照, 判断岩爆情况。
4.2 试验方法
4.2.1 测点位置的选择工程开挖后, 在埋深较大、围岩较完整、挤压较紧密、有可能发生岩爆的洞段岩体表部粘贴应变花。
4.2.2 应变花的粘贴在已选定的测点用切割机切平, 再用砂
纸将表面磨光, 然后用蘸有丙酮的棉球清除表面残留的磨屑。在应变花基底上均匀地涂一层薄的己调和好的混合环氧树脂胶。然后用镊子夹住应变花引线, 将应变花的轴线标记对准洞壁水平和垂直方向粘贴在基底上, 且迅速检查和微调应变花的方向。用手指顺着应变花轴向, 轻轻向引线方向滚压应变花, 挤出多余胶液和粘结层中的气泡。然后用力加压1 min左右, 以减少粘结层中产生气泡的可能性。
经检查粘贴合格后, 在应变花和引线上涂上一层防潮胶 (如703胶) , 以减少水分对粘结剂强度、应变计工作性能 (如零漂等) 的影响。因粘贴24h (小于24h可采用吹风机吹千) 后就可以量测, 故不需要特殊的防护装置。
4.2.3 应变测量应用YE2538A静态电阻应变仪, 采用半桥连接法来进行应变量测。
4.2.4 应力恢复取下长度为50m m的岩心, 利用点荷载仪配
备特制加载装置完成围岩 (岩芯) 二次应力的恢复, 按公式 (1) 计算求得二次应力σx、σz, 并换算求得岩心的单轴抗压强度Rb。
σx或σz=α×F×Sp/A (1)
式中:F———应力恢复时点荷载仪压力表读数 (MPa) ;Sp———点荷载仪千斤顶活塞面积 (cm2) ;
α———应力等效系数;A———断面面积 (cm 2) 。
4.2.5 岩爆预警判断计算σθ/Rb, 并与岩爆烈度分级RMS相对照, 对隧道岩爆情况进行预测。
4.2.6 试验主要仪器 (1) 电阻应变片:BX120-3CA (XX) (敏感栅长
3m m, 宽2m m) ; (2) 应变测量及采集:YE2538A静态电阻应变仪; (3) 取芯工具:DZ-2A型手持式工程钻; (4) 加载设备:门塞式加载装置。
5 岩爆的预防及处理
5.1 改善围岩应力这种方法主要是降低围岩应力是围岩应力小于围岩强度, 避免岩爆的发生。
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。但这种方法在隧道施工中一般对隧道围岩的稳定有一定的影响。
5.3 对围岩进行加强支护和超前支护加固其作用:改善掌子面及1~2倍洞径洞段内围岩的应力状态。
6 岩爆段施工技术
6.1 在施工前, 针对已有勘测资料, 优化施工开挖和支护顺序, 为施工中岩爆的防治提供初步的理论依据。
6.2 在施工过程中, 加强超前地质探测, 预报岩爆发生的可能性及地应力的大小, 并判断可能发生岩爆高地应力的范围等。
6.3 打设超前钻孔释放隧道掌子面的高地应力或注水降低围岩
表面张力超前钻孔可以利用钻孔, 在掌子面上利用气腿式风动凿岩机打设超前钻孔, 钻孔直径为42mm, 每循环可布置10~15个孔, 深度6~8m, 间距1.5m。
6.4 在施工中应加强监测工作, 通过对围岩和支护结构的现场
观察、通过对洞拱顶下沉、水平收敛以及锚杆检测, 可以定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆, 用于指导开挖和支护的施工, 以确保安全。
6.5 在开挖过程中采用“短进尺、多循环”, 同时利用光面爆破技
术, 严格控制用药量, 以尽可能减少爆破对围岩的影响并使开挖断面尽可能规则, 减小局部应力集中发生的可能性。在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。
6.6 及时支护
支护的方法是在爆破后立即向拱墙喷射混凝土, 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。
6.7 对开挖后岩面洒水以软化围岩, 达到释放应力的目的, 施工过程中应派专人定时洒水, 使岩面保持湿润状态。
6.8 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。
结束语:在隧道施工中, 因岩爆而造成的安全事故频频发生, 岩爆检测技术越来越被重视, 本文通过鄂赣隧道的实际经验说明应用“W (改进) 型门塞式应力恢复法”来预测岩爆能取得较好的效果。
参考文献
[1]中华人民共和国交通运输部《公路隧道施工技术规范》JTG F60-2009.北京.人民交通出版社.2009.
岩爆预防措施 篇5
岩爆是岩石工程中围岩体的突然破坏, 并伴随着岩体中应变能的突然释放, 是一种岩石破裂过程失稳现象。当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时, 破坏了岩体结构的平衡, 多余的能量导致岩石爆裂, 使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。岩爆是高埋深、高地应力隧道施工中的一种多发地质灾害, 往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡, 已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。根据目前的研究, 可将岩爆烈度等级划分为轻微、中等、强烈、极强4级 (见表1) 。
说明:σθmax为岩石单轴抗压强度, σR为围岩切向应力。
1地质概况
锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治洲木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上, 工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成, 电站采用4洞8机的布置形式, 总装机容量4 800 MW, 单机容量600 MW。其中4条引水隧洞轴线长度16.67 km, 一般埋深1 500～2 000 m, 最大埋深约为2 525 m, 其中东端1#、3#引水隧洞采用刀盘直径12.4 m的TBM掘进, 东端2#、4#引水隧洞采用钻爆法施工, 洞挖直径13 m。
引水隧洞地处高地应力地区, 处于近东西向 (NWW～SEE) 应力场控制之下, 形成一系列近南北向展布的紧密复式褶皱和高倾角的压性或压扭性走向断裂, 并伴有NWW向张性或张扭性结构面, 扭曲、揉皱现象表现得比较明显。
工程区实测最大主应力46 MPa, 回归分析最大主应力预计达70 MPa。揭露的围岩主要为Ⅱ、Ⅲ类, 分别占37.5%和53.5%, 岩性主要为大理岩, 岩石平均饱和单轴抗压强度65～90 MPa, 围岩强度应力比大多小于2, 实测岩体岩爆倾向性指数Wet为1.32～5.8, 具备发生高地应力破坏的强度条件。施工过程中, 岩爆洞段占总洞长的1/3左右。
2施工中岩爆概况及特征
锦屏二级水电站引水隧洞施工过程中共计发生不同烈度等级的岩爆数百次, 据不完全统计, 轻微岩爆所占比例为23.1%, 中等岩爆所占比例为59.1%, 强烈岩爆所占比例为17.2%, 极强岩爆所占比例为0.6%。岩爆主要发生在埋深超过1 000 m洞段, 以埋深2 000～2 500 m洞段发生岩爆次数最多, 烈度等级最高。锦屏二级水电站引水隧洞埋深高、地应力大、岩石坚硬、岩体结构完整, 开挖洞径大, 受上述地质、施工条件影响, 引水隧洞施工中岩爆具有以下特征:
(1) 埋深越大, 岩爆发生的机率和烈度越大。岩爆多发生在边墙及起拱线位置, 部分强烈岩爆为全断面发生。岩爆发生洞段围岩多为片层状结构, 且干燥无水。隧道与横通道交叉口等应力集中区为岩爆多发位置。
(2) 岩爆的运动已松脱、剥落为主, 在岩爆前并无明显征兆, 一般认为不会坍塌部位, 也会突然发生岩石爆裂声响。另外, 岩爆发生时间难以预测, 有时石块随着爆裂声响应声而下, 伴有明显震感, 此类属于即时性岩爆;另一类为时滞性岩爆, 即在掌子面及后方300 m范围内, 时间持续数天甚至数月后仍可能发生, 这种情况危险性大, 发生突然, 对人员和设备危害最大。东端2#引水隧洞2010年1季度发生岩爆滞后开挖时间统计见图1。
(3) 岩爆与岩石的单轴抗压强度联系不太明显。引水隧洞岩石单轴抗压强度大多集中在60～110 MPa之间, 但在单轴抗压强度60 MPa左右的洞段, 依然有岩爆发生。
(4) 轻微和中等岩爆的破坏方式主要为层 (片) 状剥落, 呈薄片或板状, 单层厚度1～10 cm, 破裂面大多平直;强烈岩爆的破坏方式主要为弯曲折断和楔状爆裂, 弯曲折断一般在临空面中部发生, 破裂面中间较平直, 在边缘部位呈参差阶梯状;极强岩爆的破坏极为剧烈, 岩爆向围岩深处发展, 大块岩石出现剧烈弹射震动剧烈。2010年2月4日, 东端2#引水隧洞在k11+023 m位置发生极强岩爆, 造成了洞室底部及边墙出现4道贯穿裂缝 (最大缝宽25 cm, 可探深度1.5 m) , 南侧边墙63 m范围出现不同程度的垮塌, 最大坑深1.5 m, 冲击波造成正在出渣的装载机原地上下跳动3次, 载重自卸车 (约60 t) 被震波冲击横移6 m。
3岩爆防治措施
3.1 微震监测
国内外大量研究资料表明, 岩体在破坏之前, 必然持续一段时间以声的形式释放积蓄的能量, 这种能量释放的强度, 随着结构临近失稳而变化, 每一个微震事件都包含着岩体内部状态变化的丰富信息, 对接收到的信号进行处理、分析, 可作为评价岩体稳定性的依据。因此, 可以利用微震的这一特点, 对岩体的稳定性进行监测, 从而预报岩体塌方、冒顶、片帮、滑坡和岩爆等地压现象。
微震监测需在隧洞一侧布置传感器, 共布置6个 (间距50 m) 进行岩爆监测与定位, 信息通过边墙布设电缆依次传输至数据采集仪和服务器中, 最后在监控中心通过特定软件对微震事件进行分析。随着开挖面向前推进, 传感器布置相应前移, 保持距离掌子面不超过150 m (监测数据见图2～3) 。相对传统的位移或应力监测技术而言, 微震监测技术具有监测范围广, 监测自动化、信息化、智能化, 监测仪器高集成、体积小、高灵敏度, 支持自动监测和信息远程传输等优势。监测结果表明:多数岩爆都存在有可能被微震监测系统监测到的微破裂前兆。
3.2 主动性防治措施
(1) 应力解除爆破。
应力解除爆破的目的是解除或降低应力集中区部位的高应力, 爆破区域位于应力集中区范围内, 并以能有效解除或降低应力为原则。应力解除爆破孔布置见图4。
(2) 修正掌子面形态。
隧洞开挖后掌子面一带的应力集中区空间形态为一“涡壳”状区域, 当开挖面形态适应这种应力分部形态时, 有利于维持围岩的水平和围岩强度, 达到利用围岩强度控制岩爆的目的, 见图5。因此在岩爆多发地段将掌子面形态也修正为“涡壳”状, 中心部位凹进, 与周边的进尺差控制在2 m左右, 从中央到周边平顺过渡, 形成总体上的弧形形态。
3.3 被动性防治措施
(1) 水胀式锚杆。
水胀式锚杆具有安装速度快、全长受力的特点。使用水胀式锚杆时, 应在锚杆垫板前加木垫板或橡胶垫, 使强岩爆发生时锚杆能承受岩体表面开裂所引起的位移。水胀式锚杆杆体直径33～36 mm, 长度4.0～5.0 m, 岩爆部位系统布置间距为0.5～1.0 m。
(2) 涨壳式预应力中空注浆锚杆。
涨壳式预应力中空注浆锚杆具有受力速度快、能够实现永久结合目的的特点。在岩爆区使用涨壳式预应力中空注浆锚杆时, 首先将锚杆插入, 施加预应力, 第一时间起到稳固围岩的作用, 后期再进行注浆, 实现了安装与注浆的平行作业, 不耽误施工进度。涨壳式预应力中空注浆锚杆杆体直径32 mm, 长度6.0～9.0 m, 岩爆部位系统布置间距为0.5～1.0 m。
(3) 纳米材料喷射混凝土。
纳米材料的成分颗粒大小以纳米为单位, 能够很好的改善喷射混凝土的性能, 初凝快、喷层厚、粘结力强、回弹率小、强度上升快, 能加快作业速度, 很好的约束围岩变形, 给予围岩变形柔性支持力。在岩爆洞段喷射纳米材料混凝土种类为CF30纳米钢纤维混凝土, 喷层厚度10～20 cm。
(4) 钢筋网片。
钢筋网片设计为ϕ8@15×15cm, 是一种柔性支护型式。在岩爆洞段围岩易形成应力集中的部位及岩爆发生后形成塌坑的部位, 采用挂设钢筋网片, 并与锚杆外露端焊接, 随后喷设钢纤维混凝土, 从而形成一层壳体, 可有效地重新分配地应力, 减小岩爆强度。也在强岩爆地段挂设柔性钢丝网, 柔性钢丝网具有重量轻、挂设速度快等优点, 挂设后可以增大钢纤维混凝土的喷射厚度, 对围岩起到较好的支撑和分散应力的效果。
3.4 人员及设备防护
为最大限度保护人员及设备安全, 在岩爆洞段施工时, 掌子面施工人员配发防弹背心、钢盔, 全部使用机械钻孔, 严禁使用人工钻孔;对主要施工设备安装防护棚架;掌子面挂设移动防护网或喷射5cm厚度混凝土, 防止岩块飞出伤人。
4结束语
通过长时间研究、试验和总结, 锦屏二级水电站引水隧洞项目形成了一套完整的岩爆防治综合措施。几年来的施工实践表明, 由于采取了上述措施, 岩爆造成的损失较前期类似项目施工期间明显减少, 证明这些措施和成果是比较适应和有效的。
摘要：本文主要介绍锦屏二级水电站引水隧洞施工过程中出现岩爆的概况、特征以及防治措施。
关键词：引水隧洞,岩爆,特征,防治措施
参考文献
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[2]谭以安.岩爆烈度分级问题[J].地质评论, 1992, 38 (5) :112-120.
岩爆预防措施 篇6
下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游。枢纽工程地处喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县班迪尔乡境内, 距乌鲁木齐市1815km, 距喀什市315km, 距塔什库尔干塔吉克自治县45km。
引水发电洞全长4584m (葛新局承建段为0+000.4~3+086) , 底板起始高程为2905m, 末端底板高程2891.32m, 隧洞纵坡i=0.003。其中0+000~1+399.73段为圆形开挖断面, 1+399.73~4+584段为马蹄形开挖断面, 0+000.4~1+782.73, 2+510~2+716采用全断面钢筋砼圆形衬砌, 洞径5.2m。其它洞身断面采用C20砼喷护, 厚度10cm。
工程地质:
下坂地水利枢纽工程位于西昆仑剥蚀高山区, 山体表面基岩风化强烈, 山高坡陡, 生态环境极差。引水洞进口位于大坝上游左岸, 隧洞最大埋深1380m。埋深越大, 温度越高, 容易产生岩爆。
2 不良地质现象
2.1 岩爆
2.1.1 前期勘测成果
岩爆的发生与地应力的大小关系密切, 根据初设阶段据长江科学院岩基所研究结果, 引水洞进口段的最大水平主应力为5.1~7.7MPa, 最小水平主应力为3.7MPa~4.1MPa, 其应力量值随深度的增加有所增大, 最大水平主应力方位为NE26°左右。
出口段最大水平主应力量为8MPa~10MPa, 最小水平主应力为5MPa~7MPa, 最大水平主应力方位为260°~300°之间, 平均为277.6°。
在埋深大于550m洞段发生中等岩爆, 局部洞段发生严重岩爆。
2.1.2 洞挖揭露岩爆实际发生情况
从开挖情况看, 与前期结论基本相符, 但岩爆强度实际是以中等岩爆为主, 局部出现较强烈岩爆。在开挖过程中局部岩爆对施工进展及安全影响较大。
引水洞自1+514m开始出现岩爆现象, 在桩号1+825m以后, 埋深超过700m, 岩爆进入频发阶段, 岩爆发生有很大爆响声, 并多次造成人员受伤, 对施工安全及洞形均有较大影响。1+514m~2+367m段发生岩爆部位, 一般在右壁拱脚上下位置, 常形成长条形凹坑, 在洞室左壁下部也有发生, 但程度较轻。从2+367m以后, 左壁岩爆破坏明显加强。从2+525m至3+086在洞室顶拱及边墙均出现连续岩爆, 而且局部崩塌严重。
2.1.3 为减轻岩爆所采取的措施
引水发电洞桩号1+513~3+086顶部围岩厚度500~1100m, 属深埋隧洞。受自重应力与构造应力影响, 在洞挖施工过程中, 应力释放集中, 弹性应变能量释放产生岩爆。岩爆引起层片脱落, 严重时导致大面积塌方。对岩爆段采取如下三种措施:
1) 超前锚杆。首先采用沿掌子面马蹄形圆弧段打超前锚杆孔, 孔深4m, 第一循环顶拱按间距0.4m, 从第二循环起间距0.8m, 每进尺2m, 打一循超前锚杆孔, 并与前一排超前锚杆孔错位, 方向向顶部与洞轴线呈10~20度倾角。
超前锚杆4.1m, 外留0.1m, 外留部分与钢丝筛网片 (20mm×20m m) 连接, 用φ22钢筋与外留0.1m超前锚杆焊接加固。防护岩爆碎片, 便于观察和及时排险。
2) 注水。接着向超前锚杆孔内注水, 时间不少于10分钟, 软化岩石, 减少岩石内应力。
3) 周边孔加密及增大药量。爆破周边孔布孔加密, 孔距小于0.4m, 增加周边孔单孔药量, 线药量由200g/m调至300g/m, 以后根据试验情况进行调整, 增加周边孔残孔裂隙, 将围岩应力向内转移。
2.2 有害气体
开挖期间施工单位对引水洞内有害气体监测表明, 确有有害气体超标现象, 只是深埋洞段的围岩质量一般较好, 不利于岩体中有害气体的扩散。
害气体处理措施:针对洞室掘进中花岗岩深埋深隧洞可能潜存的CO、CO2、222Rn和220Rn等有害气体或介质超标情况, 对洞室掘进作业的施工人员的身体健康可能受到侵害的情况, 为确保施工环境健康安全, 根据施工需要, 对一氧化碳、二氧化碳、氡气及氡短寿命子体进行检测, 以判断洞室掘进掌子面有害气体或介质是否超标, 及超标后采取措施改进, 及时有效达到预防目的, 防止造成人身伤害。
首先来分析有害气体或介质来源、存在情况和对人体的危害性。
CO和CO2、一部分是由地面空气进入地下洞室中经过物理变化和化学变化后产生, 一部分是由于炸药爆炸瞬间的化学反应中产生的, 另一部分是由于爆破作业完成出渣内燃设备排放废气中含有CO和CO2。而后两部分的与前者的叠加造成洞室CO和CO2、气体浓度达到最大浓度。根据产生的原因可知, 爆破作业后洞室掘进掌子面空气环境中CO和CO2、气体浓度达到最大浓度值。
CO气体无色、无臭、无味, 在空气中浓度为13%~75%时遇火爆炸, CO气体是有毒气体, 人体吸入后, 会造成组织缺氧, 引起中毒窒息。CO2气体对人体直接无毒, 但在一定条件下, 可能引起呼吸窒息, 造成人身伤亡。
222Rn和220Rn, 前者为氡气的化学分子式, 后者为氡短寿命子体的化学分子式。二者在花岗岩地下洞室中存在。220Rn是222Rn原子衰变的结果。二者在空气中的浓度与岩层的地质构造、水文情况、岩石中的稀有元素、通风情况等因素有密切的关系。根据产生的原因可知, 爆破作业后的几个小时内洞室掘进掌子面空气环境中222Rn浓度达到最大浓度值。
222Rn和220Rn都属于放射性有害物质, 在二者照射环境中工作的人员可能引起肺癌。
3 结语
深埋隧洞遇中等岩、强烈岩爆时沿掌子面先打超前锚杆、开挖后及时注水、喷混凝土的支护措施、开挖时周边孔加大药量 (应力释放) , 效果较好。
深部开采岩爆灾害的预测与控制 篇7
关键词：深部开采,岩爆机理,岩爆预测,岩爆防治
1 引言
目前世界浅部资源的消耗殆尽, 深部开采成为地下矿山发展的必然趋势。随着深部采矿工程和深部隧道工程的不断深入发展, 深部开采中的岩爆动力学灾害问题成为了困扰采矿安全高效生产的一大瓶颈。岩爆是完整性较好的弹脆性岩体在高地应力和外加扰动双重作用下伴随着内部应变能释放的一种特殊岩体破坏的现象。岩爆是深部采矿高地应力区危险性较大的灾害[1~2]。
2 岩爆机理分析
岩爆是岩体内部弹性应变能的释放, 产生的结果是岩体破坏, 引发深部采矿的安全问题。为了深入揭示岩爆的形成, 目前岩爆的机理主要有如下四类。
2.1 强度理论
该理论认为地下开采洞室周围开挖后产生集中应力, 当岩体承受的集中应力超过岩体的最大强度时, 岩爆将发生。但是, 在深部开采的巷道以及采场中, 经常岩体承受的集中应力超过岩体的最大承载强度而又没有出现岩爆的现象, 这说明此理论的依据不充分, 它仅仅只能用于岩体破坏的判断, 不能确定是属于静态破坏还是属于动态破坏。
2.2 能量理论
Cook等根据岩爆发生时需消耗很多能量的事实, 提出了发生岩爆的能量理论, 指出矿体-围岩体系在力学平衡状态受到破坏, 如果释放的能量大于消耗的能量时, 将出现岩爆。能量理论从能量转化的方面分析了岩爆的成因, 也较好地解释了地震和岩石抛出等动力现象, 但没有指出平衡状态怎样才能打破的, 也没有提出未围岩释放能量的条件, 因此理论缺乏的判别岩爆发生的必要条件。
2.3 刚度理论
2.4 冲击倾向性理论
此理论根据测试岩石试样的一组冲击倾向性指标, 通过测量的指标值大小来评价岩体自身的岩爆危险性, 当指标值大于某个临界值时将发生岩爆。但是岩爆的发生不仅与煤岩自身属性有关, 而且还与煤岩物理力学性质、地质环境、开采技术等因素有关, 因此该理论下的实验数据不能代表各种因素下的岩爆数据。
3 岩爆预测方法
在深部开采中, 岩爆的危害问题非常突出, 目前一般采取如下方法对岩爆进行预测[1,2,3,4,5,6,7]。
3.1 应力判据法
(1) 强度脆性系数法。岩石的单轴抗压强度与抗拉强度的比值成为强度脆性系数。当强度脆性系数≤10, 没有岩爆发生;当10<强度脆性系数小于等≤18, 将发生中等岩爆;当强度脆性系数小于等>18, 将发生强烈岩爆。
3.2 能量判据法
(1) 弹性应变能储存指数法。采用岩石单轴抗压强度实验, 将岩石试件加载到抗压强度最大值的70%~80%, 然后再卸载到抗压强度最大值的5%时, 卸载时释放的弹性应变能和耗损的弹性应变能之比值弹性应变能储存指数。通过弹性应变能储存指数来判断以及预测岩爆。当弹性应变能储存指数<2.0将不发生岩爆;当2.0≤弹性应变能储存指数≤5.0, 将发生中、低等岩爆;弹性应变能储存指数>5.0, 将出现强烈岩爆。
(2) 岩爆能量比法。岩石在破坏崩出时的动能与最大弹性应变能之比值成为岩爆能量比。通过岩爆能量比来判断以及预测岩爆。岩爆能量比≤3.5%, 将不发生岩爆;3.5%<岩爆能量比≤4.2%, 将发生弱岩爆;4.2%<岩爆能量比≤4.7%, 将发生中等岩爆;岩爆能量比>4.7%, 将发生强烈岩爆。
3.3 埋深判据法
式中:Rc表示岩石单轴抗压强度;μ表示岩石泊松比;γ表示容重。
3.4 模糊数学综合判据法
许多科学家认为岩爆是受各种因素制约的一个模糊问题, 各因素的内在之间联系非常复杂, 不能用用一个数学公式进行完整的表达, 因此需采用模糊数学综合评价的方法进行判别, 选取对岩爆的有影响的主要因素 (如地应力、岩体结构、地形与地貌等) 对岩爆进行综合评判。
4 岩爆防治对策
根据岩爆机理及岩爆倾向性研究、岩爆数值研究和实际岩爆研究结果, 应从如下四个方面防治岩爆。
(1) 降低储存的能量:为了降低围岩储存的能量, 避免发生岩爆。深部开采中一般采取如下方法:首先在开挖爆破过程中遵循“短进尺、多循环”的原则, 采用光面爆破技术, 达到减低围岩的外加扰动和局部应力的目的。其次选择合适的断面进行开挖, 调整围岩的应力状态。
(2) 减缓释放的能量:为了减低岩爆发生的风险, 深部开采中一般采取如下方法减缓释放的能量。首先选择合理的采场结构参数, 矿房长度选取比较重要。经验参数:矿房长为75m、宽为10m、矿柱宽度为10m;其次采取小断面、分断面以及分步开挖等回采方式, 通过调整开挖进度, 实现逐步释放应变能的目的。
(3) 采取柔性支护:采取柔性支护不仅能减慢释放能量的步伐, 还能改变了应力的大小, 而且柔性支护可使洞壁从一维应力变为三维应力, 预防岩爆的发生。对于巷道在掘进过程中引发的岩爆, 需预先采取柔性支护。由于巷道外加扰动而引起的岩爆, 则需在巷道开挖后采取刚度较小的柔性支护。采取柔性支护可使围岩在可控范围内逐步破坏, 又能够支撑已经破坏的岩块。
(4) 建立常态监测:深部采矿过程中高地应力会不断地发生变化, 需加强开采过程中的常态监测制度。监测是为了掌握深部采矿过程中围岩以及支护的变形情况, 进一步指导深部采矿, 确保采矿的安全性以及经济效益, 反过来进一步检查设计可行性。采矿时应对围岩进行变形常态监测, 如果支护出现严重的变形, 就必须立刻采取加固措施, 以确保深部采矿安全问题。在矿井巷现场要建立一整套安全生产规程, 普及岩爆知识和防灾意识。采取这些措施以后, 即使发生岩爆, 也不会造成重大安全事故。如果实行大规模回采, 应设计微震监测体系, 监控整个矿山开采活动、实现连续长期监测、实现岩爆危险区预报等。
(5) 加强防护等级:如何预测和防治岩爆是科学家难以攻克的, 目前没有特别行之有效的方法, 还存在很多问题, 由于地质条件的变化有可能引发岩爆, 因此需根据情况, 以人为本加强防护等级。首先应加强深部采矿工作人员的安全意识, 提高防护等级;其次在施工时必须佩戴钢盔加穿防弹背心, 在施工机械上增加防护顶棚;最后要加强监测、检查, 巡回找顶, 清除松动悬石。
5 结语
深部开采将会是金属矿山实现可持续发展的未来趋势, 而岩爆灾害作为深部开采中涌现的新的矿山灾害, 为保证矿山安全高效的生产, 岩爆机理的理论研究及灾害防治技术亟待研究。目前在这一领域已经取得了一些成绩, 但还有待进一步发展和完善。随着深部开采如火如荼的开展, 其高应力、高井深、高井温、高岩溶水压及采矿活动扰动的特点给矿山的正常生产带来了严峻的考验, 衍生出了一系列的灾害, 如岩爆, 热害, 冒顶, 突水等等。在这种环境下, 浅部的开采理论已不能完全满足生产的需要。因而, 我们应该另辟蹊径, 提出新的采矿工艺, 这是解决这些灾害的根本途径, 已在工程实际中得到了初步的验证。相信更为先进的采矿工艺会随着时代的发展而应运而生, 矿山深部开采灾害将不再是个难题。
参考文献
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黄竹山隧道岩爆区段施工技术 篇8
岩爆是岩体中聚积的高弹性应变能的一种具有代表性的释放现象, 发生在质地坚硬、强度高、干燥无水、高应力区的脆性岩体中。在隧道高应力区开挖形成的新临空面附近, 初始应力由原来的三向状态转变为两向应力状态, 并在开挖壁上局部应力集中, 若壁面集中的最大切向应力达到某一临界应力时, 岩爆灾害会发生。岩爆的突发性及岩体急剧破坏, 岩片由岩体表面上突然地飞出, 而且大部分发生在掌子面附近和边墙上, 对施工安全有很大隐患, 所以针对不同的岩爆特征及危害程度, 采取相应的处理措施, 以保证施工安全。
2工程概况
黄竹山隧道位于宁德与福州交界的黄竹山, 该隧道为左右线分离式特长隧道, 隧道右洞长度为8630.7m, 左洞长度为8668.4m。隧道区属侵蚀剥蚀高丘陵-中低山地貌, 该隧道穿越黄竹山体, 地形起伏大, 天然山坡坡度约25°~45°, 山脊较陡峭, 沟谷内常年有水。进口处地面高程430~435m, 出口处地面高程350~355m, 隧道轴线最大海拔标高约1248m。该隧道围岩为残坡积层 (Qel-dl) , 侏罗系南园组第二、三段 (晶屑) 熔结凝灰岩 (J3n3、J3n4) , 微风化花岗斑岩。
3岩爆情况
黄竹山隧道进口独头掘进4403.05m, 在隧道掘进过程中出现轻微~严重岩爆情况, 现将有代表性的岩爆情况介绍如下:
起讫桩号ZK96+825~ZK96+901段该段围岩为微风化花岗斑岩, 为Ⅱ级围岩, 岩体新鲜完整, 无裂隙发育, 无地下水渗出, 单轴抗压强度大于90MPa, 埋深500m左右, 发生岩爆时间要比开挖落后, 开挖后在掌子面就发出轻微的应力释放声音, 无石块弹射发生, 在距掌子面1-3B (B为洞径) 有薄层状围岩剥落, 剥落岩块多呈片状、棱块状, 少数为板状, 块体大小一般为0.3-0.5m, 厚0.05-0.1m, 大的岩块可长达1.0-3m, 宽1-2m, 厚0.1-0.2m, 岩爆烈度为轻微~中等。
起讫桩号ZK98+625~ZK98+707段该段围岩为未风化熔结凝灰岩, 为Ⅱ级围岩, 岩体新鲜完整, 无裂隙发育, 无地下水渗出, 单轴抗压强度大于70MPa, 埋深700m以上, 开挖后在掌子面就发出较大的应力释放声音, 并有石块弹射发生, 洞壁、拱部立即发生剧烈的爆裂、崩落、弹射, 岩石被劈裂成棱块状、板状、片状, 厚度超过0.1m, 最厚可达1m, 爆落岩石数量大, 洞壁形成大量超挖局面, 洞形不规则, 岩爆烈度为严重。
但在岩体结构面发育, 有少量地下水渗滴地段, 特别是在有地下水出露的地段, 几乎不发生岩爆。
4岩爆防治措施
4.1岩爆地段施工作业程序
收集资料→分析判断→设计防岩爆措施 (无岩爆正常施工) →实施防岩爆措施→监控量测→进行下道工序。
为了及时掌握岩爆情况, 成立专职岩爆处理小组, 与超前地质预报和监控量测小组结合, 并在已掘进部位进行布设量测点位和收集实际地质资料, 进行岩石强度与地应力测试, 结合超前地质预报资料分析判断, 对有可能发生岩爆的地段, 应及时采取有效措施, 预防岩爆的发生。
4.2岩爆的防治技术
黄竹山隧道岩爆防治主要采用以下几种技术:
1通过加固围岩, 改变了应力的大小及分布, 而且还使洞室周边岩体从双向应力状态变为三向应力状态, 并且具有防护作用, 可防止弹射, 塌落等。
2完善施工方法, 减少开挖装药量, 可以减少爆破对围岩的扰动, 降低岩爆危害程度。
3改善围岩应力条件, 通过打超前钻孔, 进行超前应力解除, 加速围岩应力释放和降低洞室应力。
4改变围岩性质, 通过向岩层表面喷水和向深部岩体注水, 降低岩石强度和弹性模量, 提高岩体塑性变形能力, 减缓岩爆。
5增加临时防护措施, 防止岩爆出现时发生弹射和岩块坠落伤人以及损坏机具设备。
4.3岩爆地段处理技术措施
根据现场调查所得到的岩爆特征, 在对岩爆发生部位进行确认和对岩爆危害分析的基础上, 有针对性地采取如下防治措施:
(1) 岩爆烈度为轻微~中等地段
1开挖后, 对掌子面附近的岩体进行喷水湿润、降温、软化围岩, 提高岩石塑性, 从而消除或减轻岩爆程度。
2初期支护施工要紧跟开挖工序进行, 严格采用湿喷工艺, 尽可能减少岩层暴露时间, 减少岩爆的发生。并对初期支护加强, 由原设计的锚杆+喷射混凝土支护形式加强为锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护, 施作范围由拱部增加到拱部+边墙, 锚杆采用Ø22砂浆锚杆, 长度2.5m, 环向间距1.2m, 纵向间距1.2m, 呈梅花型布置, 钢筋网采用ø6钢筋, 网格为20×20cm, 喷射混凝土厚度为10cm。
3根据位移变化速率来判断围岩稳定情况。当水平收敛每天大于0.1-0.2mm或拱顶下沉速率大于0.07-0.15mm/d, 则视为围岩不稳定, 继续观察或加强支护系统;当变化速率小于0.2mm/d时则视为围岩基本稳定, 可以进行下道工序施工。
(2) 岩爆烈度为严重地段
在岩爆烈度为严重地段, 除对掌子面附近的岩体进行喷水湿润、降温、软化围岩等措施外, 还增加以下处理方法:
1改善施工方法, 在预测岩爆严重地段, 采用“短进尺、多循环”开挖方式, 加密周边眼数量, 利用光面爆破技术, 严格控制用药量, 以减少爆破对围岩的扰动, 严格执行光面爆破设计施工, 实现开挖周边圆顺, 减少对围岩的破坏及应力集中。
2在掌子面拱部和边墙沿开挖轮廓线施工7个超前水平钻孔, 每个钻孔孔深30m, 孔内注水, 实行超前应力解除, 改善围岩应力条件。
3在岩爆严重地段, 洞室拱部和边墙岩石不断坍落, 甚至造成局部坍方, 给隧道掘进带来很大影响, 在这种情况下, 原设计的锚杆+喷射混凝土支护已不能满足安全要求, 采取了锚喷网和钢支撑的联合支护, 钢支撑采用Φ25钢筋制作的矩形格栅, 格栅高12cm, 锚杆采用Ø22砂浆锚杆, 长度3.0m, 环向间距1.2m, 纵向间距1.2m, 呈梅花型布置, 钢筋网为Φ6的20×20cm网片。在施工中, 先初喷混凝土4cm, 封闭岩面, 之后进行钢支撑和钢筋网施工使钢支撑与钢筋网紧靠岩体面与锚杆联接成一整体, 最后复喷至设计厚度18cm。从施工中观察, 锚喷网和钢支撑的联合支护效果比较好, 顺利的通过了岩爆坍方段, 有效的防止了岩爆带来的危害。
4加强监控量测和观察, 判断围岩稳定情况。当围岩基本稳定后, 可以进行下道工序施工。
4.4岩爆地段施工安全措施
1设置专职安全值班人员检测围岩动态, 随时掌握施工现场的安全情况, 发现隐患及时排除。开挖前后, 须加强排险工作, 及时清除松散围岩。
2架设移动防护网, 采用2层钢筋网, 长度10-15m, 顶部满铺模板, 保护作业人员, 在设备上安设防护网、防护罩、排架, 以防岩炸弹射损坏机器及伤及人员。
结语
(1) 岩爆地段施工, 主要以采取有利措施降低岩爆危害为主, 预防发生安全事故, 达到安全施工的目的。由于隧道的地质资料不完善, 应坚持动态施工, 必须根据施工中出现的如岩爆等各种问题, 及时的采取各种措施, 是保证施工安全极为重要的方面。
(2) 加强初期支护是治理岩爆最常用且最有效的措施, 是岩爆治理首选的措施之一。其主要作用是加固围岩, 防止劈裂和剥离的岩块坍落和弹射, 若初期支护施作及时结构合理, 还可以改变洞壁岩体的应力状态, 从而达到防治岩爆发生的目的。黄竹山隧道采用加强初期支护的方法, 安全顺利的通过了岩爆区段的施工, 并对岩爆段的初期支护进行了观察和量测, 喷射混凝土未发生开裂、剥落, 钢格栅也未产生明显的变形, 围岩收敛变形基本稳定, 说明岩爆段的处理措施是成功的。
参考文献
[1]赵本均.膝学军.冲击地压及其防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1995.
岩爆预防措施 篇9
关键词：岩爆,弹性力学,应力分析,强度准则,条件
0 引言
岩爆是高地应力环境岩石地下空间围岩积聚的应变能突然释放所引起的动力失稳现象。从应力角度分析岩爆, 就是由于地下工程的开挖或开采引起应力重新分布, 产生应力集中, 当应力集中达到发生岩爆的临界应力值时就产生岩爆。在岩性坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧洞过程中, 时有岩爆发生。
1 基本原理及公式推导
格里菲斯 (Grifith) 理论认为:材料内部存在着许多裂隙, 在力的作用下, 这些细微裂隙周围, 特别是缝端, 可以产生应力集中现象。材料的破坏往往从缝端开始, 到裂缝扩展, 最后导致材料的完全破坏。设岩石中含有大量方向杂乱的细微裂隙, 其中有一系列的长轴方向与大主应力σ1成角β。按照格里菲斯 (Grifith) 概念, 假定这些裂隙是张开的, 并且形状近似于椭圆, 研究表明, 即使在压应力情况下, 只要裂隙的方位合适, 则裂隙的边壁上也会出现很高的拉应力。一旦这种拉应力超过材料的局部抗拉强度, 在张开裂隙的边壁上就开始破裂。按照岩石力学中的习惯规定, 应力以压为正, 以拉为负, Grifith强度理论的破坏准则表示为:
当σ1+3σ3>0时, (σ1-σ3) 2-8Rt (σ1+σ3) =0。
当σ1+3σ3<0时, σ3=-Rt。
其中, Rt为岩石抗拉强度。
取一单位厚度的正方形平面, 上下边作用一对垂直于上下边的均布荷载2p, 左右两边作用垂直于两边的均布荷载2q。
该问题看作弹性力学中的圆孔应力集中问题。将其分解为图1的两种情况加以处理。
1.1 计算原理
对于圆环受内外均布压力的情况 (见图2) , 有如下解法。
由于受力是对称的, 可得应力分量为:
σr=A/r2+2C。
应力可设为:
σθ=-A/r2+2C。
τrθ=0。
应力边界条件为:
σr|r=a=-q。
σr|r=b=-p。
得解为:
A=a2b2 (p-q) / (b2-a2) 。
2C= (qa2-pb2) / (b2-a2) 。
应力分量为:
1.2 求解图1情况下的应力
首先研究四边均匀拉伸的情形, 取坐标 (见图3) , 在离圆孔很远的地方作一个很大的圆, 半径为b (b≫a) , 在外圆边r=b上切出一微体 (见图4) 。根据Saint-Venant原理, 在离内边界r=a较远的地方, 小圆孔对微体的应力状态影响很小, 可忽略不计。根据平衡条件, 可得:
应用1.1中的应力解答可得:
因为b≫a, a/b→0, 所以:
再计算一个方向均匀拉伸, 另一个方向均匀压缩的情形, 同理在离圆孔很远的地方作一个很大的圆, 半径为b (b≫a) , 在外圆边r=b上切出一微体 (见图4) 。根据Saint-Venant原理, 在离内边界r=a较远的地方, 小圆孔对微体的应力状态影响很小, 可忽略不计。根据平衡条件, 可得:该问题不是轴对称问题, 设φ=f (r) cos2θ代入相容方程得:
r4d4f/dr4+2r3d3f/dr3-9r2d2f/dr2-8rdf/r+16f=0。
解得:f (r) =Ar4+Br3+C+D/r2。
应力可表示为:
由边界条件得:
σr|r=a=0, τrθ|r=a=0, σr|r=b=qcos2θ, τrθ|r=b=-qsin2θ。
将应力分量代入边界条件, 且a/b→0, 得:
A=0, B=-q/2, C=qa2, D=-qa4/2。
最后的应力分量为:
叠加两种情况得:
1.3 叠加得到原状态下的应力
用1.2的方法同理可得上下有均布荷载 (见图1b) ) 情况得:
将两种情况叠加得:
其中, p为铅直向应力;q为水平向应力;a为洞室半径;θ为OA与水平轴的夹角;σr为径向应力;σθ为切向应力;τrθ为剪切应力;r为A点距洞室中心的径向距离。
2 结果分析
经计算可以发现, 如果以水平应力为主, 洞顶和底板会产生较大的压应力集中, 易发生岩爆;如果以垂直应力为主, 洞室的边拱部位会产生较大的压应力集中, 易产生岩爆。实际情况亦是如此。岩爆发生在洞壁附近, 洞壁 (即r=a处) 的应力重分布为:
水平应力为主, 即q>p的情况下, 当θ=±90°时, 切向应力σθ有最大值, 也就是说, 在洞顶和底板发生压应力集中, 此时有:
σθ=3p-q。
垂直应力为主, 即p>q的情况下, 当θ=0°或θ=180°时, 切向应力σθ有最大值, 也就是说, 在洞的两侧发生压应力集中, 此时有:
σθ=3p-q。
在上述两种情况下, σθ>0, σθ为最大的主应力σ1, σr为最小主应力σ3, 代入格里菲斯理论得:
σθ=8Rt。
即为用岩石抗拉强度表示的圆形同时发生的岩爆临界应力公式。当σθ/8Rt>1时即发生岩爆。
参考文献
[1]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].第3版.北京:高等教育出版社, 2002.
[2]吴家龙.弹性力学[M].上海:同济大学出版社, 1987.
[3]钱伟长, 叶开源.弹性力学[M].北京:科学出版社, 1956.