岩爆的成因及防治措施
- 格式:doc
- 大小:28.50 KB
- 文档页数:5
隧道施工中的岩爆与地震灾害防控技术引言:随着城市化进程的加速,隧道工程在城市交通建设中扮演着至关重要的角色。
然而,隧道施工中常常会遭遇到岩爆与地震这两类灾害,给工程施工和施工人员的安全带来严峻的挑战。
因此,如何有效地预防和控制这些灾害,成为了隧道工程建设中亟待解决的问题。
本文将就隧道施工中的岩爆与地震灾害防控技术进行探讨。
一、岩爆灾害的发生机理岩爆是指在岩石开挖或加载受力过程中,岩体内部的压力超过了其极限承载力,导致岩石突然破裂并释放能量的现象。
岩爆灾害常常发生在岩石质量较差、构造活跃的地区,特别是在高压水源附近。
岩体的应力集中、物理力学性质差异等因素都会成为岩爆发生的催化剂。
此外,隧道工程施工中的震动和冲击也可能导致岩爆的发生。
二、岩爆灾害的预防与控制技术为了预防和控制岩爆灾害的发生,隧道工程中可以采用多种技术手段。
首先是合理的隧道设计。
隧道设计应该充分考虑地质条件、岩体力学性质等因素,对高风险区域进行合理的定位和设计,减少岩爆的潜在风险。
其次是采用先进的检测技术。
通过在施工现场进行岩体光弹性监测、应力监测等手段,及时了解岩体的力学状态,可以提前预警和控制岩爆的发生。
此外,在施工中采取安全措施也是关键。
例如,使用喷射混凝土和锚杆支护等的加固方式,增强隧道的稳定性和抵抗岩爆的能力。
三、地震灾害的发生机理地震是地球地壳发生快速释放能量的自然现象,其能够引起严重的破坏和损失。
在隧道施工中,地震灾害也是一个必须要面临的挑战。
地震灾害的发生机理与岩爆类似,均与地质构造和应力状态有关。
当地质构造发生变动时,形成断裂带,地震会在断裂带上由一个地点传播到另一个地点,并以波动的形式向外传播。
四、地震灾害的预防与控制技术为了预防和控制地震灾害对隧道施工的影响,科学的设计和施工是非常重要的。
首先是选址与设计。
在选址过程中,应避免选择地震活跃区域或构造复杂的地质条件。
在设计过程中,要考虑地震荷载的影响,并采取相应的抗震设计措施,如增加隧道的抗震能力和合理布置支护结构。
仅供参考[整理] 安全管理文书岩爆的预防及处理日期:__________________单位:__________________第1 页共7 页岩爆的预防及处理(1)岩爆产生条件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;②围岩新鲜完整,裂隙极少或仅有隐裂隙,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;③具有足够的上覆岩体厚度,一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带,埋藏深度多大于200m;④无地下水,岩体干燥;⑤开挖断面形状不规则,造成局部应力集中。
⑥在溶孔较多的岩层里,则一般不会发生岩爆。
(2)岩爆的特点隧洞内的岩爆一般具有以下特点: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,有的延长1年以上,事前一般无明显预兆。
③岩爆时围岩破坏的规模,小者几厘米厚,大者可多达几十吨重。
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。
④岩爆围岩的破坏过程,一般新鲜坚硬岩体均先产生声响,伴随片第 2 页共 7 页状剥落的裂隙出现,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,另外根据地质报告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应力偏大的地段。
依据地质理论,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。
岩爆的预防及处理(1)岩爆产生条件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;②围岩新鲜完整,裂隙极少或仅有隐裂隙,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;③具有足够的上覆岩体厚度,一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带,埋藏深度多大于200m;④无地下水,岩体干燥;⑤开挖断面形状不规则,造成局部应力集中。
⑥在溶孔较多的岩层里,则一般不会发生岩爆。
(2)岩爆的特点隧洞内的岩爆一般具有以下特点: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,有的延长1年以上,事前一般无明显预兆。
③岩爆时围岩破坏的规模,小者几厘米厚,大者可多达几十吨重。
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。
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,另外根据地质报告资料初步确定辅助洞施工期间可能遇到的地应力集中和地应力偏大的地段。
依据地质理论,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。
②AE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。
岩爆引言:岩爆是一种地质现象,指的是岩石在地下岩层中受到强大的压力作用,导致岩石破裂和破碎,释放出巨大的能量。
岩爆通常发生在地质活跃的地区,如火山地区和地震带,对周围环境和人类活动都有着重大影响。
本文将介绍岩爆的形成机制、危害和防治措施。
一、岩爆的形成机制1. 岩层压力:岩爆的形成首先是由于地下岩石层受到强大的压力作用。
岩层压力可以来自于地壳运动、地下水位的降低、地震等因素。
当岩石受到压力时,原本稳定的岩石结构会发生破裂。
2. 岩层脆化:岩石在受到压力作用后,会发生脆化现象,即由韧性变为脆性。
这是因为岩石内部存在微小裂隙或断层,在外力作用下,这些裂隙会扩展并连通,使岩石变得脆弱而易于破裂。
3. 岩层释放:当岩石脆性破裂后,岩层中储存的能量会得到释放。
这种能量释放通常以剧烈的爆炸形式表现出来,产生巨大的冲击波和喷射物。
这些冲击波和喷射物能够对周围环境造成严重破坏。
二、岩爆的危害1. 破坏性巨大:岩爆释放的能量巨大,能够造成巨大的物理破坏。
它通常会导致附近建筑物的倒塌、道路的崩塌和地表的起伏不平。
对于火山地区而言,岩爆还可能引发火山喷发,进一步加剧破坏程度。
2. 人员伤亡:岩爆发生时,会产生大量的碎片和颗粒物,并产生强烈的冲击波。
这些碎片和冲击波对人体构成严重威胁,可能造成伤亡和重伤。
在活跃地质区域居住或开展作业的人员需要特别注意岩爆的风险。
3. 失去资源:岩爆破坏了地下岩石层,导致资源的损失。
例如,在矿山开采过程中,岩爆可能导致矿石的丧失,造成经济损失。
对于火山地区而言,岩爆还会摧毁周围的农田和森林,使人们失去生计和收入来源。
三、岩爆的防治措施1. 地质勘探:在规划和建设前,对地质条件进行充分的勘探是关键。
通过对地下岩层的详细调查和分析,可以评估岩爆的潜在风险,制定相应的预防措施,避免岩爆的发生。
2. 工程设计:在建筑物和基础设施的设计中,应考虑到岩爆的风险因素。
合理选择建筑材料和结构设计,提高抗岩爆能力,减少损失。
一、岩爆的特征岩爆,又称矿山冲击,是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体,由于洞室开挖,使地应力重新分布,导致围岩应力跃升及能量进一步集中,而产生张-剪脆性破坏,在消耗部分弹性应变能的同时,剩余能量转化为动能,造成岩片(块)脱离母体,向临空方向猛烈抛(弹、散)射的动力破坏现象。
该现象经历“劈裂成板-剪断成块-块片弹射”渐进过程,并伴随声响和震动,是深埋洞室特有的一种不良地质现象。
从岩性来看,岩爆多发生在坚硬性脆的岩层中,如花岗岩、石英岩、片麻岩、斑岩、闪长岩、辉绿岩、砂岩、灰岩、硬煤等。
这些岩层或为非层状的致密脆硬性岩层,或为产状近似于水平的脆硬性岩层,它们开挖前整体完好,不见张开节理,仅见少量的密闭构造节理。
从地质构造上来看,在地应力集中地区(如地质构造线转折与相交部位)以及洞室轴线与压性构造线相平行时(即洞室轴线与地区最大主应力方向垂直或近于垂直时),往往可能使岩爆加剧。
就洞室与导坑断面形式而言,方形、梯形的较拱形、圆形的洞室或导坑岩爆更为严重。
二、岩爆的分类(1)按岩爆活动性分类法,如表1所示;(2)按岩爆特征分类法,如表2所示。
三、岩爆的断裂破坏机理岩爆的破坏机理与防治措施李丹锋 张 清二滩水电开发有限责任公司,四川成都 610051岩爆发生的原因是具高蓄能特性的硬脆性岩体中,积蓄的应变能突然释放,导致的结果是岩体的断裂破坏。
岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现象。
地下洞室岩爆常以片状剥落的形式出现,形成葱皮状结构。
产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构和性质条件。
通常多为完整的整体块状结构及厚层状结构,岩石硬脆,单轴抗压强度在1500kg/cm 2以上,声波速度大于6000m/s ,且只有当岩体初始应力场的最大主应力与岩块的单轴抗压强度之比值大于0.15~0.2的高应力条件下才可能发生。
洞室的轴向布置即与初始应力场的最大主应力的关系及洞室的断面形状亦是显著地影响着岩爆,洞轴与最大主应力垂直且洞室具非平滑轮廓时容易产生岩爆,因为这时洞壁围岩的应力集中最严重,洞壁的超欠挖亦恶化了围岩的应力集中程度,使岩爆更容易发生。
岩爆防治措施终南山隧道西线Ⅱ、Ⅲ号工区均发生了中等岩爆,为确保西线安全顺利贯通,结合东、西线隧道开挖对岩爆的防治经验,现对岩爆的防治措施交底如下,请现场领工员和项目队遵照执行。
一、岩爆基本特点:1、岩爆在发生前,并无明显的预兆,虽然经过仔细找顶,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。
在没有支护的情况下,对施工安全威胁极大。
2、岩爆时,石块由母岩弹出,呈现中间厚、周边薄、不规则的片状。
3、岩爆发生的地点,多在新开挖工作面及其附近,个别距开挖工作面较远;岩爆发生的时间,多在爆破后2~3小时内,有的部位还可产生二次岩爆,一般在爆破后10~12小时内。
二、处理岩爆的基本原则:先防后治一般情况下,对隧道岩爆应采用行之有效的预防措施,降低岩爆的发生机率,减小岩爆强度。
对于岩爆较严重的部位,要先处理后施工,确保施工安全。
三、岩爆的防治措施1、岩爆的预防措施1)切实提高光面爆破效果,保证洞室轮廓规则圆顺,避免应力集中;并严格控制装药量,以尽可能减少爆破对围岩的影响。
2)爆破后立即对围岩喷洒高压水,软化岩石,减弱岩爆强度。
3)加强机械找顶和人工来回找顶。
4)选用预先释放部分能量的办法,如松动爆破法、超前钻孔预爆法、超前小导坑掘进法、打应力释放孔等方法,将岩石原始应力释放。
2、岩爆的处理措施1)对岩爆部位加强找顶工作,只有当找顶彻底后,方能进行下一步的测量画弧和钻眼作业。
2)加强对岩爆部位的支护,必须先打安全锚杆(必要时再挂网),并根据实际情况进行喷浆封闭,再进行开挖作业,这样才能使锚杆在爆破前有充分的凝固时间和防止石块掉落。
在锚杆安装好后再在锚杆之间钻适量的空眼,以减小岩爆二次发生的机率和强度。
3)岩爆严重时,台车上的人员要及时撤离到安全地点,然后由有经验的人在有人陪同下对岩爆部位进行找顶处理。
找顶从上而下,上层找好铺完架子后再进行下层找顶。
一定要等找顶工作彻底后,所有人员才能进入掌子面进行作业。
岩爆形成条件、预测预报与防治岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中,硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异, 储存于岩体中的弹性应变能突然释放, 因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。
它直接威胁施工人员、设备的安全, 影响工程进度, 已成为世界性的地下工程难题之一。
一、岩爆形成机理分析综合分析岩爆形成机理,可从内因和外因两个方面解释岩爆。
在高地应力区开挖硐室、围岩岩体结构、水文地质条件、地质构造和地形地貌可以构成岩爆形成的内因。
从外因方面来说,硐室开挖施工和钻爆发施工、地震也可以诱发岩爆。
1、高地应力形成岩爆的必要要件是应变能储集, 其力学条件满足: 原岩处于高地应力环境和洞室开挖后形成二次应力高度集中。
(1)原岩初始高地应力环境根据勘察资料显示, R c/σmax值为2. 1~7. 0, 达到高应力和极高应力水平, 具备了岩爆形成的条件之一。
式中: R c-岩石饱和抗压强度(MP a); σmax-垂直于隧洞轴线方向的最大初始应力(MP a)。
(2)洞室开挖后形成二次应力高度集中在高及极高应力区开挖隧洞, 必将扰动原岩的初始应力状态,破坏隧洞周围岩体初始应力平衡, 从而导致应力重新分布。
当重新分布的围岩应力超过岩爆临界应力, 则产生岩爆。
(3)岩爆发生在洞室围岩内dσ3/ (σ1-σ3)正增长期增长很快的那一范围d σ3/ (σ1- σ3)越高,越易引起岩爆,因为高的dσ3/ (σ1-σ3)抑制了围岩静态破坏与位移,dσ3/ (σ1-σ3)亦可理解为高应力区中σ3的变化,它与岩爆的关系是:在一定应力环境中,围岩内高应力环境(高的σ1-σ3)中最高σ3部位(可直观判读)最容易引起岩爆。
2、围岩岩体结构(1)在深层岩浆岩或片理、片麻理不发育的变质岩中发生的岩爆往往强烈程度较大,使得岩片(块)常呈弹射状抛出。
而在片理、片麻理发育的变质岩中发生的岩爆则往往强烈程度较小,主要为劈裂或剥落形式。
岩爆预防措施岩爆是集中在局部地段的存在于地壳中构造造成残余应力(即地应力)突然释放所造成的现象。
岩爆产生时,岩石突然从围岩中被抛出或弹出,造成岩炮或岩爆。
根据地应力释放过程,有时岩爆可以断续发生,甚至延续数月。
一般爆落岩块沿围岩的隐微裂隙端部产生脆性破裂,边缘薄,中间厚,爆落时常伴有剧烈响声、振动和气浪。
破坏力很大,甚至影响支护和衬砌变形,威胁人身安全。
一、岩爆发生前兆:1、沿裂隙面岩块相继脱落,且其块度和频率逐渐增加。
2、支护结构发生变形,出现扭断、弯曲,有时伴有响声。
3、埋设的观测仪器读数异常,岩石表面或混凝土表面出现裂纹。
二、岩爆预防的措施:1、勤观察:在施工过程中,一方面加强对周围围岩的观测,对观测数据进行详细地分析研究,以探索围岩变化规律,摸清围岩变化状况,指导工程施工。
另一方面加强对周围围岩的观察,一旦发现有异常声响或变化,立即组织施工人员撤离至安全地带,同时向有关单位汇报情况,以便采取相应的安全防护措施。
2、优化调整施工工艺:采取导洞进尺、光爆压顶的施工工艺进行开挖,在导洞挖掘进尺10m左右,让围岩在这段时间内进行释放,待围岩后再应力稍微稳定后进行光爆压顶处理,以减免由于应力剧变面形成的大面积岩爆。
3、采用短进尺、弱爆破:加强施工工序管理,采取短进尺、弱爆破的施工方法,调整施工参数,改善装药结构和爆破方式,将爆破对周围围岩的影响降到最低限度。
4、及时支护:在开挖完成后24小时内即对该部位进行“一锚、二网、三喷”的强支护措施。
5、加强同监理、设计、业主的联系,及时解决施工中存在的不安全因素。
6、在弱岩爆区内,采用的挂网锚喷参数如下:锚杆长3.5m,钢筋直径为22mm,外露15cm,梅花型布置。
挂钢筋网为φ8@20cm×20cm,紧贴岩面布置,钢筋保护层不小于5cm。
喷C20标号微纤维混凝土15cm,微纤维掺量根据实际情况决定,但不应低于规范要求。
7、在中强岩爆区内,采用的挂网锚喷参数为:锚杆长5m,钢筋直径为22mm,外露20cm,梅花型布置。
岩爆发生机理及防治措施岩爆发生机理与治理措施摘要:岩爆是深埋长大隧道的主要地质灾害之一,目前基于岩爆发生机理和治理方式国内外专家都提出了不少理论方法,但用于生产实践时都遇到或多或少的问题。
内外相关文献资料的基础上,笔者通过两年多来在岩爆洞段的施工经验,并查阅国对岩爆的发生机理和防治对策进行探讨。
关键词:深埋长隧道断裂型岩爆应力型岩爆水胀式锚杆爆破应力释放孔1、岩爆发生机理岩爆是高地应力地区岩石地下工程中的一种常见灾害。
它常常表现为声响、片状剥落、严重照片帮和岩爆性的坍塌,有的伴的声响及岩片弹射、能量猛烈释放、洞室豁然破坏,往往给人员、机械设备和建筑的安全带画巨大的损失。
在地下洞室的修建过程中,由于开挖使地应力重新分布,围岩应力集中,在洞壁平行于最大初始应力σ1的部位,切向应力梯度显著增大,洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力。
这种应力的作用不断增强,首先产生环向的张裂或劈裂,进而发生剪切破坏。
一旦岩块被剪断,且又具有较高的剩余能量时,致使岩块发生弹射,完成弹性势能到动能的转换,形成岩爆。
岩爆的发生有外部和内部两方面的原因。
其外因在于:岩体中蓄存有高地应力,特别是地下洞室的开挖改变了岩体内存的力学环境,其内因是岩石矿物结构密度、坚硬度较高,一般发生岩爆的岩石单轴搞压强度均在120Mpa以上,内因和外因同时成立是即发生岩爆。
2、岩爆的分类根据对辅助洞1000多米的岩爆洞段的观察分析,可将岩爆划分为应力型岩爆和断裂型岩爆,应力型岩爆主要发生在围岩结构完整,无贯穿性结构面的岩层中,岩石的主应力达到40%岩石单轴抗压强度以上,岩爆表现形式以片状剥落为主,并伴有声响及岩片弹射,一般破坏性不大;断裂型岩爆主要发生在岩石结构完整,并伴有贯穿性结构面或断层的岩体中,岩体的应力主要集中在贯穿性结构面附近,往往岩体内的最大主应力大于或接近岩石单轴抗压强度,主要表现形式为突发性的震动,并伴有强烈的响声,在有相交结构面的围岩中往往还因岩爆震动引起大规模的坍塌,破坏性较大。
岩爆的成因及防治措施
岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后,由于弹性变形能的瞬间释放而产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质现象。
岩爆是地下工程施工的一大地质灾害,由于它的破坏性很大,常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定带来很多的问题,甚至会造成重大工程事故。
本文将岩爆发生的若干因素及其防治措施作一些讨论。
标签:岩爆影响因素防治措施
1引言
随着世界经济的发展,人类对各种矿产资源、能源的需求日益增加,且越来越多的地下工程在修建,岩爆灾害也频繁发生。
在地下工程开挖过程中,岩爆是围岩各种失稳现象中最强烈的一种,由于其突发性和强大的破坏性,不仅威胁施工人员和设备安全,而且还严重影响工程进度和工程造价,现在已成为是世界性的地下工程难题之一,引起了国内外的普遍关注,并促进了岩爆研究的进展。
2岩爆的成因
2.1岩爆的分类
从工程实践出发,考虑岩爆的危害方式、危害程度以及防治对策等,按破裂程度岩爆可分为以下几种。
2.1.1破裂松弛型
围岩成块状、板状或片状爆裂,爆裂响声微弱,破裂的岩块少部分与洞壁母岩断开,但弹射距离很小,顶板岩爆的石块主要是坠落。
2.1.2爆裂弹射型
岩爆的岩块完全脱离母岩,经安全处理后留下岩爆破裂坑。
岩爆发生时的爆裂声响如枪声,弹射的岩块最大不超过1/3m3,也有粉末状的岩粉喷射。
主要危害是弹射的岩片伤人,对机械设备无多大影响。
2.1.3爆炸抛射型
有巨石抛射,声响如炮弹,抛石体积几立方米至数十立方米,抛射距离数米至二十米,对机械、支撑造成大的破坏。
2.2岩爆的发生机制
岩爆是高地应力的产物,其机制一般描述为:岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体由于洞室开挖,径向约束卸除,环向应力骤然增加,能量进一步集中,在集中应力作用下,产生突发性胀剪脆性破坏。
弹性应变能伴随声响和震动部分得以消耗。
同时,剩余能量转化的动能使围岩急剧动态失稳,造成岩片(块)脱离母体,获得有效弹射,猛然向临空方向抛(弹)射。
岩体产生了快速“劈裂-剪折-弹射”渐进破坏过程的动力破坏现象。
一般认为岩爆是有由开采过程诱发并伴随有微震活动性和弹性能猛烈释放的岩体结构的破坏过程。
由于开挖对原有地应力场产生扰动,当应力的再分布使围岩介质达到破坏的临界状态时,某些外界因素(爆破应力波等)可能导致围岩的剧烈破坏。
通过岩爆的孕育发生机理可知:与静力学相比,岩爆的特殊性表现在其发生过程是动态的;与动力学相比,岩爆的孕育过程是静态的。
它是由静态变形到失去其稳定、最后出现失稳的力学过程,是岩体结构在静态地应力条件下逐渐失去其承载能力最后失去其稳定性的结果。
因此岩内储备有足够的弹性应变能和引起破坏的应力集中部位是岩爆发生的两个主要条件。
2.3岩爆的特征
经调查研究发现,岩爆在破坏断面和弹射岩块的几何特征、力学特征、动力特征、岩体特征方面具有以下特点。
2.3.1爆裂面的几何特征
岩爆坑边缘多为阶梯面,其中一组爆裂面与原开挖洞壁平行,另一组与洞壁斜交。
爆裂面以新鲜破裂为主,新鲜面上爆裂纹定向排列,与隧洞切向应力大体平行。
从洞壁弹射出来的岩块及靠近爆裂面残留下来的断块多为棱块状、透镜状、磷片状、片状,少数为板状。
2.3.2破裂面的力学特征
由岩爆破坏断面统计,爆裂面主要为两组,一组与最大初始应力作用方向平行,破裂角β=0~5°,另一组斜交,β=20~25°,属脆性破坏范围。
通过对两组断面及弹射岩块断口电镜扫描分析,前一组破裂面为张性破裂面,后一组斜交洞壁的破裂面属张剪破裂面。
综上可见,岩爆属于张、剪脆性破坏。
2.3.3岩爆的动力特征
岩爆抛射具有一定的初速度。
弱岩爆岩块弹射的平均速度V0 一般小于 2 m/s,中等岩爆V0>2~5 m/s,强烈岩爆V0=5~10 m/s,严重岩爆V0>10 m/s。
弹射物的分布范围远大于爆裂面的面积,并具有一定的散射角。
2.3.4岩爆的岩体特征
(1)所有的岩爆均发生在坚硬性脆的灰岩、白云岩洞段,砂岩及泥页岩洞段未有岩爆发生。
(2)溶洞附近、溶蚀带、规模较大的断层带及混杂角砾岩带(角砾为泥岩砂岩及灰岩)无岩爆发生。
(3)岩石特别坚硬完整的洞段无岩爆发生。
(4)岩爆的岩块呈中间厚、边缘薄,或中间与边缘厚度相差不大的饼状。
爆裂面部分为新鲜断口,部分为铁质浸染的微裂隙面。
(5)未见明显的岩爆岩块弹射现象,甚至某些岩爆没有脱离母岩;但伴有爆裂的声响,如鞭炮爆炸、劈柴、冰层开裂。
因此,将岩爆分为松驰和松脱两种类型,前者未脱离母岩,后者脱离母岩。
3岩爆的预测
岩爆预测方法主要有2种,目测法及监测法。
3.1目测方法
肉眼观看是预测岩爆的基本方法,主要通过观察地下工程围岩岩石剥裂情况,岩爆剥裂厚度一般为1cm左右,并可见新鲜岩石断裂面。
观察地下工程交叉处及应力集中处,注意是否存在震动、响声及大量的岩体断裂破坏现象。
3.2监测方法
监测方法主要包括地质雷达、红外线观测、岩体声发射监测仪监测等。
引进地质雷达、红外线及岩体声发射监测仪配合地质人员作地质预测预报工作。
地下工程预报人员便可以根据围岩完整性、强度、地下水、断层等情况,超前进行围岩岩爆预测,最大限度地减少、避免工程事故发生。
这些实测方法还存在一些问题。
首先是准确性不高,由于目前对岩爆的机理还尚未完全弄清楚,又因为不同的地下工程中所发生的岩爆种类、性质、成因、震级都不一样,因此使用这些实测法进行岩爆的预测,很难获得所有反映岩爆的原始数据,这就降低了预测岩爆的准确性。
其次是预报的时间不长。
由于所有的实测法没有考虑时间因素,如果预报时间不长,这对预报岩爆是没有实际意义的,只有尽可能提前预报,才能在短时间内采取有效的措施以避免岩爆的发生,这才是最重要的。
4岩爆的治理措施
4.1选择合适的开挖方法
在估计可能发生岩爆的区段,在原光面爆破的基础上,减少光爆层的周边眼
孔距,使用小药卷和高段别毫秒雷管,同时降底同段起爆药量,尽量消除诱发岩爆的因素,并使开挖断面周边基本圆顺,避免新的局部应力集中。
4.2选择合理的支护方式
岩爆的成因主要取决于地质条件、地应力条件和施工触发因素。
为减轻岩爆的危害,在预测的同时就是在洞室开挖前和开挖后对围岩采取支护措施,这样做不仅可以改善应力的大小且还能使洞室周边的岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态,从而达到减轻岩爆险并且还能起到防护作用,确保安全施工。
根据现场围岩的完整性、强度、是否存在断层等情况,及预测情况,在开挖后根据也发特征,针对性的采取了以下几种支护措施。
(1)锚杆+喷射混凝土支护:根据施工现场情况,采取锚杆+喷射混凝土支护,锚杆为Ф28 ,梅花型布置,间距1.5~2.0m,长度2.0~3.0m,还补喷10~15cm厚的素混凝土。
实践证明,该方法对预防滞后型岩爆有很好的效果。
(2)锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护:岩爆发生后围岩会产生一个松动圈,厚度1~2m。
为防止地质环境继续恶化,经过试验对此类岩爆后以采取锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护方案效果最佳。
本支护方案可有效地使应力向围岩深部转移,是一种经济有效的支护措施。
(3)锚杆+喷射钢钎维混凝土:该支护措施一种新材料、新工艺的尝试,在混凝土中掺入3 %~5%的钢纤维,明显提高了混凝土的抗拉强度和韧度系数,从试件情况看,混凝土抗拉强度提高了约80% ,但因机具及造价原因未能全面应用。
4.3其他措施
爆破后立即向工作面、爆破面喷水,润湿围岩,即可以降尘又可以缓解围岩应力。
5结论
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,岩爆实质上是因在高地应力岩体或矿体中进行掘进或开采,引起岩体或矿体中聚集的应变能突然释放,诱导了人工地震——岩爆的发生。
岩爆的发生机理仍不十分清楚,这正是岩爆的预测和控制的研究还远不能满足安全开挖的主要原因,因此已成为是世界性的地下工程难题之一。
要彻底避免岩爆是非常困难的,几乎不可能,但我们可以根据以往的经验,结合工程中遇到的岩爆相关的现象,结合实际的地质及现场因素,针对岩爆发生的条件,采取积极的措施。
因此,用地震学方法预测预报岩爆发生与否是值得我国重视的,可作研究方向之一。
参考文献
[1] 张境剑,傅冰俊.岩爆及其判据和防治[J].岩石力学与工程学报,2008,27(10):2034一2042.
[2] 丁祖德,吴从师,邓寄生.后岗隧道岩爆成因分析与防治措施.中外公路,2008,28,(1).
[3] 徐林生,王兰生,李天斌. 国内外岩爆研究现状综述[J ] .长江科学院院报,1999 ,16 (4):24227.
[4] 王贤能,黄润秋. 岩石卸荷破坏特征与岩爆效应[J ] . 山地研究,1998 ,16 (4):73278.。