深埋引水隧洞岩爆预测及防治措施

深埋引水隧洞岩爆预测及防治措施

匡德刘国虎

新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局新疆乌鲁木齐市830000

摘要：岩爆作为深埋地下工程在开挖后常见的一种地质灾害,极大地威胁着施工人员和设备的安全。深部岩体因长期处于“三高一扰动”复杂地质力学环境中,其组织结构、基本行为特征和工程响应均发生了根本性变化,这导致深部工程中灾害事故表现为多发性和突发性。而岩爆作为深埋地下工程的主要地质灾害之一,多是由于围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而致使储存于岩体中的弹性应变能突然释放,最终导致围岩产生爆裂、松脱、剥落、弹射等破坏现象。国内外的研究结果表明,地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。本文就深埋引水隧洞岩爆预测及防治措施展开探讨。

关键词：引水隧洞；岩爆；有限元模拟；预测

引言

岩爆是深埋地下工程常见的地质灾害之一，其主要是由于完整的脆性围岩在高地应力条件下，在隧道的开挖扰动下，发生的一种动力失稳破坏。岩爆的发生具有突发性和不确定性，常常给地下施工带来巨大的危害。

1工程概况及工程分段

本工程采用国产GAW-1000电液伺服岩石刚性试验机,进行岩样的全过程试验,获得如图1所示的代表性应力～应变关系曲线。该区域岩石单轴抗压强度普遍较大,可达150MPa,试样在峰值强度以后的破坏是突发性的,变形能突然释放使其自身破坏,这些性质表明该区域岩石具有发生岩爆的可能性。

2岩爆产生的原因及岩爆发生的条件

岩爆产生的原因。在一定的地质构造、地层岩性、地应力场下，由于深埋洞室的施工开挖卸载，导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，临空条件变化造成瞬间围岩压力集中，改变了围岩周围的应力状态和性质等而产生的。它是由围岩应力状态、岩体强度、变形特性、岩体赋存环境、洞室布置和开挖方法等多种因素综合影响的结果。岩爆是岩体具有高地应力的一种表现形式，也就是说高地应力是岩爆发生的一个外部主导因素，而内因则取决于岩体的变形特性等。如果外力不超过一定的临界值或者岩石具有产生大量塑性变形的能力，那么岩石就不会发生脆性破坏，不会发生岩爆。（二）岩爆发生的条件。大量数据和研究结果表明：（1）当隧道埋深超出200m深度时，岩爆有可能发生；（2）某一区域地质构造活动越是强烈，那么该处地形应力越容易被集中，岩爆发生的可能性加大。（3）当工况中河谷岸坡陡竣并有突变时，会严重影响地应力的分散，为岩爆的发生创造了条件，此时易发生岩爆；（4）新鲜完整及坚硬的岩体易岩爆。因为新鲜完整及坚硬的岩石近似于弹性体，其应力应变关系曲线近于直线。只有这样，岩石才能积聚大量的弹性应变能，使断裂面的岩块获得足以弹射的动能。如果存在着明显的裂隙、节理以及受力后产生较大的塑性变形，则外力功将过多的被耗散，失稳的岩块就不可能获得足够的动能发生岩爆。

3引水隧洞岩爆预测

根据岩爆的发生机理和现有预测方法的研究,结合地质资料收集情况,此次岩爆预测选择了具有代表性的三种判据:Rb/σ1判据、陶振宇判据和卢森判据,分别对隧洞各个洞段依次分析,然后综合评价各个洞段岩爆发生的可能性和发生的强度。这三种判据分别为：

运用应力判据对岩爆进行预测,其中各洞段的最大主应力σ1和拱壁切向应力σθ采用有限元分析的结果;岩样的单轴抗压强度Rc和饱和岩样的单轴抗压强度Rb采用室内试验的方法来确定。表2～表4为按照不同应力判据对岩爆进行预测分析的结果。

图1应力-应变关系曲线

表1引水隧洞各段岩爆预测结果(据Rb/σ1判据)

表2引水隧洞各段岩爆预测结果(据陶振宇判据)

表3引水隧洞各段岩爆预测结果(据卢森判据)

根据表1～表3的岩爆判别结果,再经综合分析判断后,引水隧洞岩爆预测分析结果为:引1+400～引4+102不会发生岩爆,引4+102～引4+300为弱岩爆,引4+300～引6+500和引7+100～引7+900为中等岩爆,引6+500～引7+100为强烈岩爆。通过以上岩爆判据对江边电站引水隧洞开挖后岩爆发生的可能性进行预测,结果表明,由于江边电站引水隧洞埋深大、岩性坚硬,多数洞段发生岩爆的可能性较大,且部分洞段岩爆强度较高。但由于岩爆分析的理论判据和实际应用都还有待进一步的验证,且各种岩爆判据还与具体的地质条件有关。所以实际施工过程中,应该加强施工监测工作,运用地质超前预报方法和现场测试,结合理论判据的判断结果,更准确地预报岩爆的可能性及强烈程度,并结合工程建设开展岩爆防治措施的研究工作。值得进一步指出的是在预报岩爆的隧洞施工断面处,要特别注意观察岩体的完整性程度、裂隙发育状况以及地下水发育特征。以便对上述的预报成果进行修正和及时准确的预报。

4岩爆区防治措施

4.1优化开挖程序

借助打超前小导洞，一般规格可为宽×高=5×5m，二次扩挖至设计规格线，这样使得岩爆区围岩的应力状况得到大大的改善，有效减弱岩爆，并利于出渣；如果岩爆在刚放完炮后发生，出碴必须推迟到岩爆后。

4.2改善围岩受力状态及物理力学性质

在岩爆易发生洞段，将全断面一次开挖改为分部开挖，减少一个循环的开挖量，使应力逐步释放，这样利于围岩高应力的重新分布，从而降低岩爆发生等级，减轻围岩灾害的严重程度。（2）在开挖断面中，局部曲率半径越小，应力集中越加剧，在埋深大、地应力高段可以通过调整一定的断面形态（如圆形或近圆形断面）来抑制岩爆发生的规模。（3）采用短进尺、多循环的开挖形式，将深孔爆破改为浅孔爆破，以降低一次爆破用药量，并通过控制单响药量，来减小爆破对围岩的扰动和减轻围岩性质的降低，利用围岩自身的强度抵抗岩爆的发生或降低岩爆等级。

4.3控制爆破

施工中对最大单响药量实施严格控制，采用浅孔多循环的方法，促使爆破对围岩的扰动趋于最小；对光爆孔造孔质量要严格地控制，降低局部地段突变发生的可能，达到改善围岩的应力条件的目的，严防出现破坏性岩爆。

4.4合理地选择围岩支护加固措施

针对本工程的具体情况建议采用挂网喷射混凝土进行初期支护。钢筋直径为6,间距为150mm×150mm;喷射混凝土厚6cm;局部断面变化处打设25×5涨壳式预应力中空注浆锚杆,长度2m,预应力50kN,锚杆强度180kN。对于强烈岩爆区域,除采取以上方法外,还可以根据实际情况采取应力接触爆破的方法进行控制。

4.5加强防护

对于隧洞开挖发生岩爆较频繁的部位，开挖后应及时挂柔性防护网，具体做法是在锚筋上固定挂柔性防护网，同时在实施中要注意与岩面密贴。在预测危险地段，施工人员要戴钢盔穿防弹衣，一旦听到爆裂声后，必须立刻实施支护处理，以防事故的扩大。

结语

引水隧洞开挖后,隧洞围岩均处于受压状态。由于隧洞沿线构造应力水平较高,当初始应力场中的水平应力占主导地位时,隧洞开挖的二次应力场中最大压应力发生在断面的拱顶处;当初始应力场中的水平应力不占主导地位时,隧洞开挖的二次应力场中最大压应力发生在断面的拱角处。应该根据不同的岩爆等级采用不同的处理方法,本文根据工程的实际情况和不同的岩爆等级提出了一些实用的处理方法,对于类似的工程具有借鉴意义。

参考文献

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