高地應(yīng)力地下洞室?guī)r爆與充填效果研究

摘要：隨著我國(guó)鐵路高應(yīng)力地下洞室的大量施工，在大量的深埋處理高應(yīng)力地下洞室和高地變應(yīng)場(chǎng)環(huán)境下的巖爆效應(yīng)，已成為高速鐵路施工中的重要技術(shù)難題。為防止巖爆的產(chǎn)生，必須研究出不同級(jí)別的巖爆防治方法，通過綜合分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的工作成果和國(guó)內(nèi)關(guān)于巖爆高應(yīng)力地下洞室施工技術(shù)的有關(guān)研究，從巖爆的工作環(huán)境、高應(yīng)力情況下巖爆產(chǎn)生原因、巖爆的預(yù)防、防控方法和影響機(jī)制方面，歸納高應(yīng)力地下洞室產(chǎn)生巖爆的特點(diǎn)變化規(guī)律，并提出高應(yīng)力情況下不同級(jí)別巖爆的防治方法。

關(guān)鍵詞：熱地應(yīng)力；地下洞室；巖爆

巖爆作為普遍的典型施工水文災(zāi)害現(xiàn)象，在礦井開挖、高內(nèi)部應(yīng)力地下洞室挖掘、水利等高地應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)要求的施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)。巖爆通常具有破壞力，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)帶來很大的威脅。為此，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)巖爆做出了不少具有重要實(shí)用價(jià)值的研究成果。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜化、巖爆出現(xiàn)的突發(fā)性等多種原因，在巖爆機(jī)理和巖爆判定準(zhǔn)則方面尚有許多欠缺，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，無法做出正確的預(yù)報(bào)。

一、巖爆具有的特征

巖爆是指在洞室的施工階段由于巖體承載力變化、內(nèi)部應(yīng)力集中、大量熱能產(chǎn)生，引起巖體脆性破裂后所出現(xiàn)的拋殼、崩落過程，巖體在遭受內(nèi)應(yīng)力的擠壓作用超出最大極限承受能力時(shí)失穩(wěn)，在軸壓和圍壓的聯(lián)合影響下，巖塊和圍壓相互作用，在花崗巖的內(nèi)應(yīng)力到達(dá)最大極限強(qiáng)度時(shí)，其承載性能逐步下降，由于圍壓力度的下降，大量熱能放出，當(dāng)熱能到達(dá)結(jié)構(gòu)裂縫以及巖體所能耐受的最大限度時(shí)，結(jié)構(gòu)裂縫加快成長(zhǎng)，甚至突然破裂，在巖體的表面上拋殼或崩落，從而產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。巖爆可分成輕度巖爆和重度巖爆，前者巖片狀態(tài)表現(xiàn)為破碎、呈現(xiàn)大質(zhì)量狀態(tài)，而后者則表現(xiàn)為拋殼狀態(tài)。巖爆出現(xiàn)的時(shí)候存在著不可預(yù)見性，且出現(xiàn)概率隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步減少。由于巖爆往往存在著突發(fā)性且不能有效防范，所以風(fēng)險(xiǎn)很大，對(duì)施工安全構(gòu)成極大的安全隱患。面對(duì)較強(qiáng)的地應(yīng)力洞室，需要及時(shí)采用安全技術(shù)手段，以保障施工安全。

二、巖爆破壞機(jī)理

（一）硬巖環(huán)境下巖爆的產(chǎn)生原因

硬地巖的彈性模量、剪切模量、抗壓性能和抗剪硬度較好，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系主要為彈性應(yīng)力，破裂時(shí)的塑性變形較小，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)有存儲(chǔ)的應(yīng)變能力，高內(nèi)部應(yīng)力地下洞區(qū)開挖使孔室圍巖構(gòu)造系統(tǒng)從三向應(yīng)力狀態(tài)過渡至雙面應(yīng)力狀態(tài)，孔壁周圍巖體能量的急劇積聚，并伴有臨空面的形成，洞周一定范圍的巖塊中的彈性應(yīng)力能量的急劇釋放，形成巖爆。硬質(zhì)巖中地質(zhì)構(gòu)造的彈性能量指數(shù)和脆性指數(shù)，反映了巖體中儲(chǔ)藏能源的豐富程度以及巖體的脆性指數(shù)，更是確定巖體形成巖爆發(fā)生可能性的主要參照技術(shù)指標(biāo)。常見的巖性有花崗石、大理巖、灰?guī)r、白云巖、石英砂巖等。

（二）高地應(yīng)力環(huán)境條件下石爆的產(chǎn)生機(jī)制

巖爆的形成受圍巖的強(qiáng)度、初始地應(yīng)力作用條件、巖塊構(gòu)造條件、施工方法等諸多因素制約，其中初始地應(yīng)力作用條件決定著巖塊的彈性應(yīng)力能的強(qiáng)弱，成為判斷高地應(yīng)力作用條件的主要因素。

（三）開挖卸荷效應(yīng)下巖爆的破壞機(jī)制

高應(yīng)力地下洞室施工時(shí)，當(dāng)施工區(qū)處于三向應(yīng)力平衡情況下，處于“彈性壓縮”的狀態(tài)下，當(dāng)高應(yīng)力地下洞室開挖時(shí)洞口壁巖塊的徑向內(nèi)應(yīng)力逐漸消失，巖塊在高應(yīng)力地下洞室內(nèi)下沉。由于初始應(yīng)力場(chǎng)的重新分布，產(chǎn)生切向應(yīng)力聚集，切向應(yīng)力的陡加將引起洞口附近內(nèi)部巖體應(yīng)力能的陡加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過了施工區(qū)的抗壓性能時(shí)，附近巖塊在內(nèi)應(yīng)力的影響下微裂紋將連續(xù)地產(chǎn)生、擴(kuò)大、貫通，當(dāng)外圍巖體強(qiáng)度釋放的動(dòng)能大于裂縫產(chǎn)生所需要的動(dòng)能，殘余的高彈性內(nèi)部應(yīng)力能將逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使破碎的內(nèi)部巖塊發(fā)生剝落、彈射，或者是更大范圍的內(nèi)部巖體強(qiáng)度垮塌破壞。

三、巖爆隧道支護(hù)現(xiàn)狀

巖爆的形成，有賴于巖體的硬度、完整性、所處的初始地應(yīng)力環(huán)境以及附近地下水狀況。按照性質(zhì)和相對(duì)特征分為三個(gè)檔次，即弱巖爆、中巖爆、強(qiáng)巖爆。在三個(gè)檔次中，弱巖爆對(duì)施工環(huán)境的干擾程度很小，基本上沒有對(duì)施工人員和設(shè)備產(chǎn)生危害，沒有采取特別方法加以解決；中巖爆時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備、施工人員的安全和心理產(chǎn)生較大干擾，根據(jù)保護(hù)圍巖的基本思想，目前常采取鋼支撐和噴—錨—網(wǎng)（鋼筋網(wǎng)）的綜合支撐方法對(duì)隧道中巖爆區(qū)域?qū)嵤┲危瑢?shí)施工程中也采取防護(hù)網(wǎng)或被動(dòng)的臨時(shí)性支撐方法；強(qiáng)烈?guī)r爆同樣具有危害性，因此在做好保護(hù)的同時(shí)必須采取各種輔助手段（如超前應(yīng)力施工釋放孔等）弱化施工范圍，以減少?gòu)?qiáng)烈?guī)r爆產(chǎn)生的時(shí)間和數(shù)量。

四、巖爆高應(yīng)力對(duì)地下洞室的預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)

一是勘測(cè)工程設(shè)計(jì)階段使用強(qiáng)度應(yīng)力比法對(duì)巖爆作出預(yù)報(bào)，基本可以達(dá)到工程設(shè)計(jì)的需要。依據(jù)在場(chǎng)實(shí)際情況檢測(cè)及巖爆出生的狀況進(jìn)行分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)巖爆地區(qū)占預(yù)計(jì)的22%～90%。二是發(fā)現(xiàn)巖爆的地區(qū)通常干旱無水，且?guī)r體較完整。三是斷裂帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)巖爆的概率較低，斷裂帶周圍完整巖體中發(fā)現(xiàn)巖爆的概率較高。四是微震檢測(cè)可以有效地檢測(cè)到巖爆的產(chǎn)生，其準(zhǔn)確度可達(dá)到50%～80%，且?guī)r爆的級(jí)別越高，預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度越高。五是依據(jù)場(chǎng)地的區(qū)域監(jiān)控量計(jì)以及被開挖地區(qū)出現(xiàn)巖爆的狀況，依據(jù)技術(shù)研究結(jié)果作出的正確判斷。六是巖爆段與埋深有一定聯(lián)系，但沒有正比關(guān)系。雖然國(guó)外也曾在埋深65m時(shí)出現(xiàn)過巖爆，但我國(guó)新發(fā)現(xiàn)的巖爆段埋深通常都超過800m。

五、巖爆高應(yīng)力地下洞室的處置措施

（一）超前支護(hù)措施

根據(jù)巖爆種類和尺寸，提前打內(nèi)部應(yīng)力釋放洞或超前摩擦錨索支護(hù)，以起到降低巖爆的作用。需要時(shí)作超前地30m～50m導(dǎo)洞，導(dǎo)洞長(zhǎng)度不超過5m，可作巖爆超前地預(yù)報(bào)和解釋地應(yīng)力。

對(duì)于巖爆區(qū)段，施工后及早地在掌子面及之后約15m區(qū)域內(nèi)的隧洞周圍實(shí)施澆注高壓水，從某種意義上也能夠降低巷道圍巖表層的硬度，以超前的探孔技術(shù)在施工區(qū)域巖體中實(shí)施注射高壓水，提前降低施工區(qū)域應(yīng)變能力，并把其切向應(yīng)力傳遞至施工區(qū)域內(nèi)部，注高壓水的劈裂效應(yīng)還能夠軟化硬巖，進(jìn)而減小硬巖的厚度，重新形成裂隙或是使現(xiàn)有裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，增加施工區(qū)域內(nèi)的彈性應(yīng)變能力。也可以提前在掌子上最有可能出現(xiàn)巖爆的地方有規(guī)則的鉆少許空眼，并放置錨索，通過注水的方法放出部分水壓，以防止在硬巖超過極限強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)巖爆。

（二）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)測(cè)可掌握第一手地質(zhì)資料，對(duì)掌握工程建設(shè)洞段的巖性及斷面、裂縫等節(jié)理發(fā)展、巖體破壞、地下水分布狀況、制定挖掘支護(hù)施工方法、技術(shù)方法、改變場(chǎng)地施工方式、制定保護(hù)措施提出依據(jù)，這對(duì)巖爆的防治和施工者的人身安全意義很大。合理防治巖爆可對(duì)施工進(jìn)度和效益的提高發(fā)揮明顯的作用。

（三）超前應(yīng)力釋放

爆破工程作業(yè)后，適時(shí)對(duì)掌子面、邊壁和頂拱部分實(shí)施噴淋水試驗(yàn)作業(yè)，對(duì)干燥表面實(shí)行變軟處理。淋水作業(yè)時(shí)間一般實(shí)行多次，每次間距在10min以內(nèi)。噴淋方式可在側(cè)壁、頂拱、起拱線、洞壁環(huán)向等部位打設(shè)內(nèi)應(yīng)力釋放口或直接在鉆孔中灌注高壓水，以減少巖體球花度，采用在巖層切槽的方法釋放內(nèi)應(yīng)力，以減少巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)鉆孔部位、深淺程度等特點(diǎn)開展資料分析和地質(zhì)研究，優(yōu)化和完善鉆孔技術(shù)參數(shù)（孔深、孔距、孔數(shù)），從而引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開挖，減少巖爆產(chǎn)生的危害。

（四）鉆芯取樣分析

洞室施工結(jié)束后，垂直掌子面在待施工部位進(jìn)行鉆芯采樣，利用芯樣破損現(xiàn)象研究所施工區(qū)域巖體、斷面等地貌和圍巖應(yīng)力狀態(tài)。

（五）地質(zhì)素描

地質(zhì)素描一般在洞室的施工工作結(jié)束時(shí)實(shí)施，用以研究新開挖段或待施工地段所揭露的地質(zhì)產(chǎn)狀和裂隙分布狀況，并預(yù)測(cè)掌子的地質(zhì)形勢(shì)。通過研究分析，及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策，調(diào)整實(shí)施計(jì)劃。

（六）加強(qiáng)光面爆破效果

光面爆炸破裂流程中一定要增加殘孔率，盡可能保持巖面水平，防止由于巖面不平引起殘余應(yīng)力集中。可通過爆破試驗(yàn)決定爆炸破孔距和藥量；采用扎竹條、堵炮泥、短進(jìn)尺、弱爆破碎等方法增加爆炸破壞效果；在排險(xiǎn)施工過程中將凸出部分的巖體適時(shí)加以處理，盡可能保持巖面水平，減少巖爆出現(xiàn)的概率。

（七）盡早啟動(dòng)襯砌作業(yè)

巖爆通常會(huì)發(fā)生二至三度脫落現(xiàn)象，對(duì)后期施工和安全性帶來很大潛在隱患。所以，要盡量減少巖石的暴露時(shí)間，盡早完成二襯作業(yè)，襯砌可選用跳倉(cāng)方法實(shí)施。在襯砌過程中，如出現(xiàn)巖石異常應(yīng)實(shí)行必要的避讓保護(hù)措施。

（八）改變開挖作業(yè)形式

挖掘進(jìn)尺采取短進(jìn)尺，可節(jié)約藥量和減少爆炸破碎頻率，控制光爆效應(yīng)，并釋放巷道圍巖表層內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而減少巖爆。在巖爆烈度中等以上的地方，炮眼距離保持在25cm范圍內(nèi)，利用隔眼填藥，阻塞炮泥，增加光爆效應(yīng)，達(dá)到炸藥破碎邊線光滑。采取措施以避免因不平順度所引起的內(nèi)部應(yīng)力聚集，以減少巖爆的出現(xiàn)。開挖時(shí)鉆探工程中周邊眼距離限制在45～50cm，鉆眼水平而無交錯(cuò)，眼底距離均勻。利用淺洞爆炸破碎，減少循環(huán)進(jìn)尺，從而減少一次性用量。

六、巖爆安全防護(hù)與防治工程

（一）巖爆的安全性防護(hù)

包括建筑施工機(jī)械須加裝保護(hù)頂棚；對(duì)工作人員做好安全性技術(shù)培訓(xùn)；在循環(huán)作業(yè)時(shí)段中，設(shè)置合理的待避人員。

（二）巖爆預(yù)防的策略

為了避免巖爆發(fā)生，在施工選址時(shí)必須盡量避免易發(fā)生巖爆的熱地應(yīng)力集中位置；如果實(shí)在無法避開，應(yīng)盡量沿洞軸線以最大主力σ1的角度布置，以減少對(duì)內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響，減少巖爆的烈度等級(jí)。目前，在地下具體工作過程中的巖爆防護(hù)技術(shù)一般包括如下三部分：

1.提高圍巖物理力學(xué)

例如，對(duì)掌子面的洞壁噴水，在適當(dāng)高度上能夠減少對(duì)表層開挖區(qū)的水壓。采用超前開挖方式將巖體內(nèi)高壓水均勻地澆注，通過以下三方面避免巖爆：一是可以有效釋放彈性應(yīng)力能，并將最大的切向應(yīng)力向巷道圍巖內(nèi)部輸送；二是高壓灌注的楔劈效應(yīng)可以軟化、降低巖體的硬度；三是高壓灌注可以產(chǎn)生新的張裂隙并使原有裂紋不斷擴(kuò)展，從而降低巖體儲(chǔ)存彈性與拉伸應(yīng)力能的能力。

2.改善圍巖應(yīng)力條件

據(jù)挪威赫古拉高速公路巷道工程和中國(guó)318國(guó)道二郎山巷道等工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)巖爆區(qū)段宜小進(jìn)尺掘進(jìn)，以減小用量，尤其要掌握光爆作用，以降低圍巖表面應(yīng)力聚集情況。對(duì)輕微、中度的巖爆段，盡可能采取全部斷面一次開挖后成型的工藝方式，以降低對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的影響。強(qiáng)烈?guī)r爆地區(qū)在必要時(shí)也可采取上臺(tái)階的方式進(jìn)行建筑施工，以減輕巖爆危害損失，施工中盡量減少因開挖時(shí)爆裂震動(dòng)而引起連鎖性巖爆的危險(xiǎn)；也可采取提前鉆進(jìn)、后松動(dòng)開挖爆破施工的方式，使巖體應(yīng)力減小，將能量于建筑施工時(shí)排出。

3.采取合理的支護(hù)

局部支護(hù)方法：局部保護(hù)是降低開采區(qū)和井巷內(nèi)的礦震和巖爆效應(yīng)的一種主要措施，通常選擇的支護(hù)方式包括一般錨噴支護(hù)、鋼纖維噴錨支護(hù)、柔性鋼托架支撐、包括“錨噴網(wǎng)+柔性鋼托架”共同支撐等。事實(shí)表明，適當(dāng)?shù)奶畛淞坑行Ы档蛶r爆損傷，因此一般適宜的填充量應(yīng)當(dāng)為60%～70%。

區(qū)域支護(hù)技術(shù)：在深井礦山中設(shè)計(jì)區(qū)域保護(hù)可以避免巖爆的發(fā)生，設(shè)計(jì)區(qū)域保護(hù)主要是利用支撐的剛性和強(qiáng)度，降低采空區(qū)范圍的閉合度、作業(yè)面的內(nèi)部應(yīng)力及其因開采活動(dòng)產(chǎn)生的礦震，因而提高采空區(qū)范圍的穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)固定礦柱，將開采活動(dòng)中工作面前端的內(nèi)部應(yīng)力和開采區(qū)閉合度降低，使能量釋放度達(dá)到可承受的范圍。

七、結(jié)語

在高地應(yīng)力環(huán)境下應(yīng)對(duì)巖爆所采取的主要預(yù)防措施，采用中導(dǎo)洞或分塊、分層方式施工比全截面施工巖爆出現(xiàn)的可能性大大減小。在同樣的地質(zhì)環(huán)境下，采用巖面灑水、打設(shè)應(yīng)力釋放孔可顯著降低巖爆出現(xiàn)的可能性。加強(qiáng)項(xiàng)目初期保護(hù)，對(duì)防止巖爆的損傷作用尤其顯著。同時(shí)項(xiàng)目預(yù)防措施的開展也達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)此類工程也產(chǎn)生相應(yīng)的參考價(jià)值。

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