巖爆施工工藝手冊(cè)

1、巖爆施工工藝手冊(cè)巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)地下洞室中圍巖脆性破壞時(shí)應(yīng)變 能突然釋放造成的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象。在具有大量彈性應(yīng)變能儲(chǔ)蓄的硬質(zhì)脆性巖體內(nèi)，由于洞 室開(kāi)挖，地應(yīng)力分異，圍巖應(yīng)力集中，在圍巖應(yīng)力作用下產(chǎn) 生脆性破壞，并伴隨響聲和震動(dòng)，在消耗部分彈性應(yīng)變能的 同時(shí)，剩余能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，圍巖由靜態(tài)平衡向動(dòng)態(tài)失穩(wěn)發(fā) 展，造成巖塊（片）脫離母體，獲得有效彈性能量，猛烈向 臨空方向拋射，是經(jīng)歷劈裂成板、剪斷成塊、塊狀彈射三個(gè) 漸進(jìn)過(guò)程的破壞現(xiàn)象。461巖爆的類(lèi)型及特征461.1巖爆的分類(lèi)巖爆的特征可以從多個(gè)角度去描述。目前一般從工程實(shí) 踐出發(fā)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得到的巖爆特征，考慮巖爆的危害 方式、危害程度以

2、及防治對(duì)策等，對(duì)巖爆進(jìn)行分類(lèi)。其中按 破裂程度分類(lèi)巖爆可分為：1、破裂松弛型圍巖成塊狀、板狀或片狀爆裂，爆裂響聲微弱，偶然可 聽(tīng)見(jiàn)噼噼啪啪響聲，破裂的巖塊（板、片）少部分已與洞壁 母巖斷開(kāi)，但彈射距離很小，頂板巖爆的石塊主要是墜落， 底板巖爆石塊堆積在原處，而大多數(shù)與母巖尚未斷開(kāi)，不易 從洞壁上撬下來(lái)。2、爆裂彈射型巖爆的巖塊（片）完全脫離母巖，經(jīng)安全處理后留下巖爆破裂坑。巖爆發(fā)生時(shí)的爆裂聲響如槍聲，彈射的巖塊（片）最大不超過(guò)1/3m3,有510cm直徑的，有拳頭大小的，也 有粉末煙霧狀的巖粉噴射。主要危害是彈射的巖片傷人，對(duì) 機(jī)械、隧道無(wú)多大影響。3、爆炸拋射型有巨石拋射，聲響如炮彈，拋石體

3、積數(shù)立方米至數(shù)十立方米，拋射距離數(shù)米至1020米，拋石對(duì)機(jī)械、支撐有損害， 但震動(dòng)不會(huì)造成大的破壞。461.2巖爆的特征經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，巖爆在破壞斷面和彈射巖塊的幾何特征、一般力學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征方面具有以下特點(diǎn)：1、爆裂面的形態(tài)特征巖爆坑邊緣多為階梯面，其中一組爆裂面與原開(kāi)挖洞壁 平行，另一組與洞壁斜交。爆裂面以新鮮破裂為主，少數(shù)遷 就圍巖裂隙面。新鮮面上爆裂紋定向排列，與隧洞切向應(yīng)力 大體平行。巖爆從洞壁彈射出來(lái)的巖塊及靠近巖爆裂面殘留 下來(lái)的斷塊多為棱塊狀、透鏡狀、磷片狀、片狀，少數(shù)為板 狀。上述特征共同反映出洞室產(chǎn)生巖爆的受力狀態(tài)。2、破裂面的力學(xué)特征由巖爆破壞斷面統(tǒng)計(jì)，爆裂面主要為兩

4、組，一組與最大初始應(yīng)力作用方向平行，破裂角B =05,另一組斜交，B =2025 。屬脆性破壞范圍。通過(guò)對(duì)兩組斷面及彈射巖 塊斷口電鏡掃描分析，前一組破裂面為張性破裂面，后一組 斜交洞壁的破裂面屬?gòu)埣羝屏衙?。綜上可見(jiàn)，巖爆屬于張、 剪脆性破壞。3、巖爆的動(dòng)力特征(1) 震動(dòng)特征強(qiáng)度弱的巖爆造成的震動(dòng)較弱，強(qiáng)度大的災(zāi)難性巖爆，常引起強(qiáng)烈震動(dòng)，使洞室及建筑物遭受破壞。(2) 彈射特征巖爆拋射具有一定的初速度。據(jù)資料介紹，弱巖爆巖塊彈射的平均速度 Vo一般小于2m/s，中等巖爆Vo25 m/s , 強(qiáng)烈?guī)r爆 Vo=510 m/s，嚴(yán)重巖爆 Vo 10 m/s。彈射物的分 布范圍遠(yuǎn)大于爆裂面的面積，并

5、具有一定的散射角。巖爆的彈射特征是區(qū)別于隧道一般塌方破壞的重要依 據(jù)。巖爆的形成機(jī)制分析巖爆的形成機(jī)制十分復(fù)雜，搞清巖爆的形成機(jī)制，對(duì)隧 道設(shè)計(jì)、施工、預(yù)測(cè)和防治至關(guān)重要。462.1巖爆的形成機(jī)制巖爆的形成機(jī)制，一般可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：1、現(xiàn)場(chǎng)巖爆的詳細(xì)觀測(cè)及觀測(cè)結(jié)果的分析，找出其規(guī)律性。2、巖體及巖石性質(zhì)試驗(yàn)分析，其中包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、點(diǎn)荷載強(qiáng)度、巖石彈性能量 指數(shù)、巖石蠕變特性、巖石應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線、多軸應(yīng) 力下的強(qiáng)度等。3、巖爆的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)的分析等。462.2巖爆的形成條件及影響因素1、地層巖性條件從地層巖性上看，并不是所有巖石都會(huì)

6、產(chǎn)生巖爆，根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，巖爆都是發(fā)生在新鮮完整、質(zhì)地堅(jiān)硬、 性脆、抗壓強(qiáng)度較高、沒(méi)有或很少有裂隙的巖層中，如花崗 巖、片麻巖、混合片麻巖等。那些結(jié)構(gòu)松散、彈性模量小、 抗壓強(qiáng)度低、含水量高的巖石是不易發(fā)生巖爆的。從能量觀點(diǎn)出發(fā)，上述巖石具有良好的儲(chǔ)能條件。這是通過(guò)分析巖石的全過(guò)程應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系解釋這一現(xiàn)象的，并 用巖石彈性能量指數(shù) Wt作為衡量巖爆產(chǎn)生的巖性條件，Wt越大，巖爆的可能性越大。所謂彈性能量指數(shù)是指巖石加載過(guò)程巖石積蓄的彈性應(yīng)變能與巖石破壞時(shí)耗散的彈性應(yīng)變能之比值。2、地應(yīng)力條件從地形圖可以看出，南吉頂溝高程900米，線路前進(jìn)方向右側(cè)高程1500米，左側(cè)高程1200米，假

7、設(shè)將隧道放大至 左側(cè)坡面切線方向，則隧道左側(cè)荷載為零，右側(cè)承受一偏壓 荷載P。從力學(xué)上分析，隧道偏壓存在剪切應(yīng)力，最大剪切 應(yīng)力發(fā)生在右側(cè)拱頂至拱腳位置，隧道開(kāi)挖后造成應(yīng)力重分 布，在圍巖應(yīng)力重分布調(diào)整過(guò)程中形成巖爆?，F(xiàn)場(chǎng)巖爆發(fā)生 位置恰在拱腳至拱頂位置，證明了地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的主要 因素之一。3、巖爆與圍巖應(yīng)力的關(guān)系從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，隧道開(kāi)挖后的應(yīng)力狀態(tài)與巖爆密切相關(guān)。洞室開(kāi)挖后在掌子面和洞壁附近的圍巖容易產(chǎn) 生應(yīng)力集中，最大環(huán)向應(yīng)力a e出現(xiàn)在距掌子面1倍洞徑附近，最大軸向應(yīng)力 a x出現(xiàn)在掌子面附近。巖爆發(fā)生的地點(diǎn) 一般都在掌子面2倍洞徑左右的地段，持續(xù)時(shí)間4小時(shí)左右， 烈度和頻率

8、與掌子面的距離增大而逐漸降低。4、巖爆與洞室埋深的關(guān)系巖爆與洞室埋深有一定關(guān)系， 一般來(lái)講，隧道埋深越大，開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生巖爆的烈度和頻率就可能越大，但這種關(guān)系并不 是絕對(duì)的。5、巖爆與光爆效果洞室的斷面形狀直接影響圍巖應(yīng)力分布及應(yīng)力集中程度。從應(yīng)力集中角度來(lái)看，圓形斷面一般比較有利，具有較 小的應(yīng)力集中系數(shù)。與巖體的強(qiáng)度相比較，圍巖在低得多的 初始應(yīng)力場(chǎng)中產(chǎn)生巖爆，這不僅是由于洞室開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力 產(chǎn)生集中，而且由于爆破施工，洞壁凹凸不平增加了洞壁應(yīng) 力集中程度。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查來(lái)看，光爆效果好，開(kāi)挖輪廓圓順， 巖爆的烈度較??；光爆效果差，開(kāi)挖輪廓線凹凸不圓順，巖 爆的烈度大。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究，可以認(rèn)為引起

9、巖爆的原因很多，影響因素復(fù)雜，如地層巖性、地應(yīng)力狀態(tài)、洞室埋深、圍巖應(yīng)力 狀態(tài)、開(kāi)挖斷面形狀、開(kāi)挖方法等等。但眾多因素中，地層 巖性和地應(yīng)力條件是產(chǎn)生巖爆的決定因素，只有具備這兩個(gè) 條件，才有可能發(fā)生巖爆。462.3巖爆的預(yù)測(cè)巖爆的成功預(yù)測(cè)取決于多種因素，然而查明巖體初始應(yīng) 力場(chǎng)（地應(yīng)力的大小及分布），則是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。巖體 初始應(yīng)力的測(cè)試多在工程的勘測(cè)階段進(jìn)行，采用的方法有：1、實(shí)地量測(cè)目前常用的量測(cè)方法有營(yíng)鉆法、水壓致裂法、聲發(fā)射法等。近年來(lái)這幾種地應(yīng)力測(cè)試手段，愈來(lái)愈為人們所重視。但是，實(shí)測(cè)常常受到費(fèi)用高和測(cè)試條件的限制。2、地質(zhì)分析法(1) 借助宏觀地質(zhì)力學(xué)的方法，研究區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分

10、 布和大小。一般認(rèn)為巖體的初始應(yīng)力主要為構(gòu)造殘余應(yīng)力與 自重應(yīng)力的疊加。高的構(gòu)造應(yīng)力主要位于地殼運(yùn)動(dòng)活動(dòng)區(qū)。(2) 根據(jù)地形地貌的分析。 某些地區(qū)上升劇烈， 河谷深 切，剝蝕作用很強(qiáng)，其巖體的初始應(yīng)力大于自重應(yīng)力。地形 地貌造成應(yīng)力集中，在高山峽谷地區(qū)，谷地為應(yīng)力高度集中區(qū)。地形地貌造成應(yīng)力釋放，地形受密集的溝谷切割山體不雄厚的地方，構(gòu)造殘余應(yīng)力不易儲(chǔ)存。3、工程類(lèi)比法可以同地質(zhì)條件類(lèi)似的鄰區(qū)工程進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)量級(jí)的類(lèi)比，如終南山隧道就采用了鐵路隧道施工的地質(zhì)資料。4、利用反映高地應(yīng)力的幾種特異地質(zhì)現(xiàn)象，預(yù)示巖爆 的發(fā)生如果巖體具有的地應(yīng)力值，足以使洞室圍巖發(fā)生巖爆的 話，它必然也會(huì)在前期的地質(zhì)勘

11、探和巖石力學(xué)試驗(yàn)中表現(xiàn)出 來(lái)，其形態(tài)無(wú)疑與低應(yīng)力時(shí)有顯著不同，故稱(chēng)此為特異地質(zhì) 現(xiàn)象。它預(yù)視該地區(qū)具有較高的地應(yīng)力場(chǎng)，并具備發(fā)生巖爆 的條件。在地質(zhì)鉆孔中，當(dāng)巖心出現(xiàn)“餅化”現(xiàn)象時(shí)，即預(yù)示地 應(yīng)力較高。所謂“餅化”即從鉆孔中取出的巖心呈有規(guī)則的 橢圓形薄餅，巖餅厚薄不一，從幾毫米到幾十毫米。這同鉆 孔直徑有一定關(guān)系，直徑大，厚度亦大，反之則小。在現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)以及用表面應(yīng)力解除法做巖體應(yīng) 力測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)巖體四周被解除后（四周和母巖鑿 斷），底部自動(dòng)斷裂，甚至被彈起，并伴有斷裂聲；或?qū)r 樣放置一段時(shí)間后，自行破碎時(shí)，即預(yù)示地應(yīng)力較高。當(dāng)?shù)?應(yīng)力較高時(shí)，無(wú)論進(jìn)行鉆孔壓力試驗(yàn)，或現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn) 及室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，都可能出現(xiàn)異 常。如加載時(shí)變形為正值，卸載到零穩(wěn)定后變形出現(xiàn)負(fù)值， 或加載時(shí)基本不產(chǎn)生變形，卸載出現(xiàn)較大的負(fù)變形。463巖爆綜合防治措施463.1錨噴金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)1、噴射混凝土在清除拱頂部位由于巖爆產(chǎn)生的松動(dòng)石塊之后，施作噴 混