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巖爆知識科普系列-----1

巖爆的預(yù)防及處理

  隨著地下工程越來越多，開挖深度越來越深，地壓問題逐步凸顯出來，巖爆現(xiàn)象時有發(fā)生，由中國科學(xué)院武漢巖土所和湖北海震科創(chuàng)技術(shù)有限公司打造的中科微震監(jiān)測系統(tǒng)在一些工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，為巖爆的預(yù)防起到了相應(yīng)的作用，下面和大家分享一些巖爆方面的知識和經(jīng)驗(yàn)。

（1）巖爆產(chǎn)生條件

① 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；

② 圍巖新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，屬堅(jiān)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；

③ 具有足夠的上覆巖體厚度，一般均遠(yuǎn)離溝谷切割的卸荷裂隙帶，埋藏深度多大于200m；

④ 無地下水，巖體干燥；

⑤ 開挖斷面形狀不規(guī)則，造成局部應(yīng)力集中。

⑥ 在溶孔較多的巖層里，則一般不會發(fā)生巖爆。

（2）巖爆的特點(diǎn)

隧洞內(nèi)的巖爆一般具有以下特點(diǎn)：

① 在未發(fā)生前，并無明顯的征兆，雖經(jīng)過仔細(xì)尋找，并無空響聲，一般認(rèn)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。

② 巖爆發(fā)生的地點(diǎn)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(yuǎn)，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。

③ 巖爆時圍巖破壞的規(guī)模，小者幾厘米厚，大者可多達(dá)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。

④ 巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅(jiān)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(qiáng)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，這種巖爆屬于深部沖擊型。

（3）巖爆的現(xiàn)場預(yù)測預(yù)報(bào)

①地形地貌分析法及地質(zhì)分析法

認(rèn)真查看其地形地貌，對該區(qū)的地形情況有一個總體的認(rèn)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(bào)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(yùn)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(qiáng)的地區(qū)，自重應(yīng)力也較大。

②微震監(jiān)測法

主要利用巖石臨近破壞前有震動現(xiàn)象這一結(jié)果，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對巖石內(nèi)部的情況進(jìn)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(bào)方法是最直接的，也是最有效的。

③鉆屑法（巖芯餅化法）

這種方法是通過對巖石鉆孔進(jìn)行，可在進(jìn)行超前預(yù)報(bào)鉆孔的同時，對鉆出的巖屑和取出的巖芯進(jìn)行分析；對強(qiáng)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。

④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(shí)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(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

（4）巖爆防治措施

①改善圍巖應(yīng)力

這種方法主要是降低圍巖應(yīng)力是圍巖應(yīng)力小于圍巖強(qiáng)度，避免巖爆的發(fā)生。在施工中主要采取如下措施：

（1）在洞身開挖爆破時，采用“短進(jìn)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(jìn)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，既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(bào)孔相同。

3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(jìn)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。

4對圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)和超前支護(hù)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(hù)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(hù)、錨噴砼支護(hù)、鋼纖維噴砼支護(hù)、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(hù)、錨噴砼支護(hù)、鋼纖維噴砼支護(hù)、鋼支撐等多種支護(hù)方法有效的組合在一起來防止巖爆的發(fā)生。

5巖爆段施工技術(shù)

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(qiáng)有力的施工支護(hù)，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：

① 在施工前，針對已有勘測資料，首先進(jìn)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(yùn)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(hù)順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據(jù)。

② 在施工過程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。采用上述超前鉆探、微震監(jiān)測、地溫探測方法，同時利用隧道內(nèi)地質(zhì)編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運(yùn)用判斷可能發(fā)生巖爆高地應(yīng)力的范圍。

③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(jī)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(jìn)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)。

④在施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工作，通過對圍巖和支護(hù)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(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)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(hù)的施工，以確保安全。

⑤ 在開挖過程中采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”，同時利用光面爆破技術(shù)，嚴(yán)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(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5m以內(nèi)。

⑥ 加強(qiáng)施工支護(hù)工作

支護(hù)的方法是在爆破后立即向拱部及側(cè)壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)。必要時還要架設(shè)鋼拱架和打設(shè)超前錨桿進(jìn)行支護(hù)。

襯砌工作要緊跟開挖工序進(jìn)行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發(fā)生和確保人身安全，必要時可采取跳段襯砌。同時應(yīng)準(zhǔn)備好臨時鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進(jìn)行支護(hù)，以防發(fā)生事故。

⑦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(qiáng)度。

⑧在巖爆地段施工對人員和設(shè)備進(jìn)行必要的防護(hù)，以保證施工安全。