巖爆形成機理及防治措施研究

郭春恒 陳旭東 李碧涵

西安航天化學動力有限公司 陜西西安 710025

巖爆發生于山體巖體之中,所以在隧道、地下采礦、水利水電等各方面都有不同程度的影響。由此可見,巖爆災害對各類工程建設造成了巨大的困難,因此對于巖爆的研究一直是人們關注的重點[1]。

1 巖爆研究現狀

1.1 巖爆定義

巖爆災害是指在巖體中由于應力集中、巖石破裂和破碎而引起的大規模能量釋放和巖石碎片飛濺的災害事件[2]。巖爆通常發生在巖石質量較差、巖體有裂隙或節理、存在高應力集中區域以及受到外部荷載或人為活動影響的地質環境中。巖爆災害具有突發性、破壞性和危險性高的特點,可能造成人員傷害、設施破壞和經濟損失。因此,預防和控制巖爆災害對于保障工程安全和人員生命財產安全至關重要。

1.2 巖爆的分類

巖爆類型的劃分國內外學者目前尚未形成統一觀點,依據不同分類標準所劃分出的巖爆類型多有不同,總體上可將其分為應力型與應力—結構型[3],應力型根據其所受應力類型差異可將其進一步細分為張剪剝落型、張減爆裂型、穹狀剪切爆裂型等,而應力—結構型可進一步劃分為張裂傾倒型、張裂滑移型、彎曲鼓折型等類型。

2 巖爆的影響因素

巖爆的影響因素包括內因和外因兩種:內因主要有高地應力、巖體結構及性能、地質構造等;外因主要有水文地質條件、開挖施工因素、應力波淺表生改造等。其中高地應力條件是巖爆發生的能量源泉,巖體結構及性能、地質構造、水文地質條件等決定了發生巖爆的能量聚集和釋放能力[4]。總體而言,巖爆是多種因素導致的結果,各影響因素之間既獨立又相互聯系,并且對巖爆的影響方式和影響程度也不同。筆者認為高儲能、高地應力和開挖擾動是巖爆發生的3個必要條件。

2.1 巖爆的內因

2.1.1 高地應力

巖體內部的應力狀態是巖爆災害的重要控制因素。當巖體內的應力達到或超過巖石的強度極限時,巖石會發生破裂和破碎,導致巖爆的發生。應力的大小和方向會影響巖石破壞的方式和擴展的路徑。

2.1.2 巖體結構及性能

不同類型的巖石具有不同的物理和力學性質,如硬度、脆性和韌性等。脆性巖石容易發生破裂和巖爆,而韌性巖石相對穩定。此外,巖石的化學成分和結構也會影響其穩定性和易受破壞程度[5]。此外,巖體內部的結構特征和裂隙系統對巖爆的發生具有重要影響。存在密集的裂隙系統會導致應力集中和破壞的擴展,增加巖爆的危險性。巖體的結構性變形和斷層活動也會改變巖體的穩定性,增加巖爆的風險。

2.2 巖爆的外因

2.2.1 水文地質條件

水文地質條件是造成巖爆的重要原因之一。地下水的存在會對巖體施加一定的壓力。當水壓超過巖石的強度極限時,巖石可能會發生破裂和巖爆。特別是在巖層中存在水脈或含水層的情況下,巖石受到的水壓力更大,巖爆的風險也就隨之增加,地下水位的變化也會對巖爆產生影響,當地下水位上升時,巖體受到的水壓力增加,容易導致巖爆的發生。尤其是在季節性地下水位變化較大的地區,巖爆的風險會更高。同時,地下水的化學成分可以對巖石產生腐蝕作用,降低巖石的強度和穩定性,增加巖爆的風險。不同類型的地下水具有不同的化學成分,例如酸性地下水、含鹽地下水等,它們與巖石相互作用時會引起溶解、氧化、腐蝕等過程,導致巖石變得脆弱、疏松,發生巖爆。地下水水動力作用對巖體的穩定性也有一定的影響。當地下水流經巖體時,會通過溶解、侵蝕和沖刷等作用使巖石的強度減弱,導致巖爆的風險增加。尤其是在存在較大水流的地下水系統中,巖體的穩定性更容易受到影響。因此,水文地質條件受到地下水壓力、飽和度、地下水位變化、地下水化學作用以及水動力作用等因素的控制,不同的地下水環境會對巖石的強度和穩定性產生影響。在進行巖爆防治工作時,對水文地質條件進行詳細的調查和評估,并采取相應的工程措施來減少水文地質因素對巖爆的影響是至關重要的。

2.2.2 開挖施工因素

在進行地下開挖或挖掘作業時,施工活動會對周圍巖體產生影響,導致巖爆的發生。開挖過程中,巖石周圍的應力狀態會發生變化,施工活動削弱了巖石的支撐力,使巖體承受的應力重新分布。如果巖體原先存在的應力集中區域沒有得到妥善處理,施工活動可能導致應力超過巖石的強度極限,從而引發巖爆。此外,在地下開挖作業中,常常需要進行鉆孔和爆破來破壞和移除巖石,鉆孔和爆破活動會引起劇烈的沖擊波和震動,對周圍的巖體施加巨大的力量。如果巖石存在裂隙、節理或弱面,這些力量可能導致巖體破裂和巖爆的發生。在地下開挖作業中,過度開挖或無序施工可能會破壞巖體的穩定性,造成巖石的塌方和巖爆,過度開挖使巖體受到過大的應力,無序施工導致巖石的結構破壞和支撐失效,這些都可能誘發巖爆,為減少巖爆的風險,需要在開挖施工過程中采取適當的措施。這包括合理的工程設計和施工方案,采取適當的支護措施,合理控制開挖的速度和深度,以及進行巖體監測和及時預警。對于特別危險的地質條件,可能需要采取更加復雜和精細的防護措施,如預養護、巖體加固等。

2.2.3 淺表生改造

淺表生改造作用可以改變巖體的表層性質,使巖爆更加劇烈。巖體在各類風化作用和侵蝕作用的影響下,巖體應力不斷發生變化,造成巖體垂直應力與水平應力差,從而導致巖爆的發生。

3 巖爆發生機理

國內外眾多學者對巖爆機理進行了深入研究,認為其發生主要由巖性條件、地應力條件、外部因素三方面條件引起。巖爆多發生在堅硬、完整、干燥的脆性巖體中,這類巖體在外力作用下易于發生破碎。并且,巖體需要儲存足夠大的彈性應變能才會發生巖爆,這不僅需要巖體具有較大的儲能能力,還需要巖體處于具有足夠能量來源的地區,即高地應力區。對于一些質地較軟或巖石內部累積的應變能較小的巖體,發生巖爆的概率則相對較小。

此外,巖體內能量積聚也是巖爆發生的重要原因,在施工前巖體處于應力平衡狀態,巖體因圍巖作用具有大量彈性應變能,隨著施工的進行,巖體徑向應力解除,產生能量差,能量向局部聚集使得巖爆易于發生。

4 巖爆防治措施

巖爆具有較強的破壞性,巖爆的發生會影響施工的進行以及對施工人員的人身安全造成威脅,因此如何科學有效地避免巖爆的發生是至關重要的。巖爆的防治通常需要從設計和施工兩個角度充分考慮,本次研究主要介紹改善圍巖性質、施工方案對比、分步開挖、安全防護措施等巖爆防治措施。

4.1 改善圍巖性質

通過改善圍巖性質可以顯著降低巖爆發生的風險,常采用表面噴水、改變爆破裝藥量、改變洞室開挖面形狀等方法對圍巖性質進行改善。表面噴水的方式可以降低巖體強度,增加巖體塑性,降低巖體發生巖爆風險。減少爆破裝藥量減輕爆破對巖體的破壞程度,降低巖爆發生的規模及頻率。將洞室開挖面形狀提前改造為巖爆后圍巖穩定的洞室形狀,從而降低巖爆的強度。

4.2 方案對比

在針對不同類型區域施工的過程中,應充分考慮施工區域特點,設計不同的施工方案。鉆爆法能夠增大圍巖的破碎程度,加深圍巖的破碎區域,促使圍巖中儲存的應變能向深部遷移,有利于降低巖爆風險。TBM開挖對圍巖的破壞程度較小,應變能釋放速率更小。通過微震監測數據和巖爆實例分析,對比鉆爆法和TBM兩種開挖方法的差異,發現在高地應力條件下,如果選用了不適當的開挖方法會大大增加施工難度,增加巖爆發生的風險。

4.3 分部開挖

采用不同開挖進尺短尺度、多循環開挖方式或分部開挖,并增加支護,施工后及時打孔注水釋放部分壓力可有效降低巖爆發生風險。

4.4 安全防護措施

在隧道施工前應對可能發生的災害做好風險評估工作,針對有可能發生巖爆的施工段,針對性地制定巖爆防護措施,提前制定應對方案。設置專職人員監控隧道圍巖狀況,巖爆發生時加強人員以及設備管理,確保安全,降低事故發生的概率。

5 存在問題

巖爆研究對于工程領域而言仍是一個重要的研究領域,當前對于巖爆研究在基礎理論研究和應用研究方面都取得了一定的成果,但仍存在以下一些問題需要研究解決。

(1)數據獲取和監測:巖爆災害是一種復雜的地質過程,需要大量的實時數據來理解和預測。然而,獲取這些數據并進行準確監測仍然是一個挑戰。例如,巖石內部的應力和應變狀態通常很難直接測量,而且在巖爆發生時往往很難獲取準確的數據。

(2)研究方法和模型:巖爆災害的研究方法和模型仍然在不斷發展和改進中。目前存在多種模型和方法,但仍然沒有一個統一的理論框架可以涵蓋所有類型的巖爆災害。此外,一些現有的方法可能存在局限性,無法準確預測復雜的巖爆過程。

(3)巖爆機理的理解:巖爆的機理非常復雜,涉及巖石的斷裂、應力釋放、能量積累和傳播等多個因素。目前對于巖爆機理的理解還不夠全面和深入,特別是在微觀尺度上的機理仍然存在許多未知。

(4)預測和預警的準確性:準確預測和及時發出巖爆預警對于災害防治至關重要。然而,當前通過聲音、時間、空間范圍和鉆屑等預測和預警系統仍然存在一定的誤差和局限性。對于復雜的巖爆過程,準確預測其發生的時間、規模和影響范圍仍然是一個難題。

(5)防治技術和措施:巖爆災害的防治需要采取一系列技術和措施,包括巖體加固、監測預警、安全疏散等。然而,當前的防治技術和手段仍然存在一些限制和挑戰。一些現有的技術可能在應對復雜的巖爆場景時效果不佳,需要針對不同巖爆發生場景進一步改進和創新。

6 現今社會減災對策思考

地質災害需要特定的條件才會產生,因此在信息化智能化的今天,我們可以通過與現有先進科學技術相結合的手段對其進行防治,從而降低地質災害發生的頻率。

6.1 建立地質災害數據庫

隨著現代大數據技術的發展,我們應將災害防治與計算機、互聯網、云計算等先進技術相結合,提高預測精度,減少人民群眾財產損失。數據庫的建立在地質災害防控中有著較高的實用價值,通過分析不同地質背景下災害發生的頻率與規模從而實現對不同地區災害發生情況的預測。數據庫中應以宏觀監測、相位位移、絕對位移等數據作為統計重點,在對監測區域建立之后,確定科學的監測點,實現對監測區域的全面監測,完成數據采集工作,之后借助智能信息分析系統對采集的數據進行處理。將人工智能引入地質災害的防治不但提高了防治的等級而且降低了人員傷亡的風險,采用新型的設備與技術,加大對防治技術的投入,建立科學的災害防治系統,是預防災害發生的重要手段。

6.2 建立智能監測預警系統

監測預警系統是地質災害預測性工作中不可缺少的一個環節,尤其對于一些災害頻發的地區,預警系統的完善可以有效降低工程中風險與人員傷亡。監測預警系統與災害數據庫可以相互配合,通過數據庫的收集與測算,設立一套對應的災害響應參數,當達到一定的閾值便會觸發預警系統工作,及時預警,提示施工人員或現場住戶及時撤離,將損失降到最低。值得注意的是在設立災害相關參數時,應考慮不同地區地質特征的不同進行“因地制宜”的調整,爭取做到“一地一策”。具體實施過程可以通過編程手段完成。

6.3 加強安全教育

在信息化高度發展的今天,我們應該充分利用網絡、自媒體等用戶量較大的平臺積極發布災害預防措施,應當適度加強災害頻發地區人員的安全教育。周圍人民應具備一定的自救意識,通過規范施工過程中人員的操作流程來盡量避免生命財產損失。

結語

巖爆的防治是一個復雜的過程,需要施工人員在施工工程中,應對不同施工環境認真觀察和分析研究,認識到不同施工環境中巖爆特征和發生規律,選取合適的預防和防治措施降低巖爆發生所造成的損失。本次研究根據現有巖爆研究成果系統總結了巖爆研究現狀、影響因素、發生機理及防治措施。此外,針對現有巖爆研究中存在的問題,對巖爆數據獲取和監測、研究方法和模型、巖爆機理的理解、預測和預警的準確性以及防治技術和措施等方面存在的問題進行了總結。

(1)巖爆災害是一種復雜的地質過程,需要大量的實時數據來理解和預測。然而,當前獲取這些數據并進行準確監測仍存在困難。此外,巖爆災害的研究方法和模型仍然在不斷發展和改進中。目前存在多種模型和方法,但均是針對某一地區提出,并沒有形成統一的理論框架。并且,一些現有的方法可能存在局限性,無法準確預測復雜的巖爆過程。

(2)巖爆發生的機理非常復雜,涉及巖石的斷裂、應力釋放、能量積累和傳播等多方面因素。目前對于巖爆機理的理解還不夠全面和深入,特別是在微觀尺度上的機理仍然需要進一步研究。

(3)準確預測巖爆對于巖爆防治至關重要。然而,當前針對施工過程中巖爆的預測和預警系統仍然存在一定的誤差和局限性。對于復雜的巖爆過程,準確預測其發生的時間、規模和影響范圍仍然是一個難題。因此,針對巖爆災害的防治一些現有的技術可能在應對復雜的巖爆場景時效果不佳,需要針對不同巖爆發生場景進一步改進和創新。