巖爆判據(jù)與控制技術(shù)

1、巖爆判據(jù)與控制技術(shù)曾 健 單衛(wèi)華（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司 四川成都 611130）摘要：論文針對錦屏級水電站2#引水隧洞鉆爆法開挖所揭露地質(zhì)及所遇巖爆情況，提出對開挖過程中巖爆判據(jù)、預(yù)防、控制技術(shù)等相關(guān)建議。關(guān)鍵詞：引水隧洞 巖爆判據(jù) 控制技術(shù)1 引言高地應(yīng)力條件下大型地下洞室群穩(wěn)定性與優(yōu)化研究是巖土工程學(xué)科亟待解決的前沿課題。隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正以前所未有的速度在全國展開，西部地區(qū)的高山峽谷以及開發(fā)深度的增加使得巖爆問題日益突出。在水電工程方面，二灘、漁子溪、太平驛、天生橋二級、福堂等水電站、雅礱江錦屏二級水電站的地下工程在修建過程中都發(fā)生過

2、不同程度的巖爆。由于西部地區(qū)現(xiàn)代地殼活動強(qiáng)烈、高地應(yīng)力場和外動力地質(zhì)作用顯著，從而使得在該地區(qū)修建大型地下洞室群的穩(wěn)定與安全問題變得十分突出，特別巖爆問題日益突出。高地應(yīng)力條件下大型地下洞室群在開挖過程中，因開挖卸荷作用，可引起圍巖內(nèi)部集聚的彈性應(yīng)變能突然釋放，造成圍巖巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，給洞室圍巖的穩(wěn)定性和人員設(shè)備安全帶來嚴(yán)重威脅。巖爆災(zāi)害問題已成為我國深部開發(fā)急待解決的一個難題，巖爆問題的深入研究日趨迫切。2 工程地質(zhì)概況錦屏級水電站位于四川省涼山彝族自治州境內(nèi)的雅礱江錦屏大河彎處雅礱江干流上，電站裝機(jī)容量為4800MW，單機(jī)容量600MW，是雅礱江上裝機(jī)規(guī)模最大的水電站，屬雅礱江梯級開發(fā)中的

3、骨干水電站。工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成。電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置形式，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點(diǎn)，長度約為16.6km，隧洞最大埋深達(dá)2525m。錦屏級水電站2#引水隧洞為四心馬蹄形斷面，如圖1所示。采用鉆爆法施工，分上下臺階開挖，下臺階落底一般滯后上臺階掌子面2000m左右。隧洞在埋深1500米左右洞段巖性主要為T2y5的中粗晶厚層或中厚層大理巖，顏色以灰白的和灰黑色為主，地下水不甚發(fā)育，該洞段節(jié)理面發(fā)育主要以張性節(jié)理和剪切節(jié)理為主，多為陡傾角節(jié)理。從開挖揭露的情況看，圍巖以類圍巖為主，穩(wěn)定性較好。圖1 2#引水隧洞斷面型式示意圖3基于現(xiàn)場情況的巖爆

4、判別指標(biāo)在高地應(yīng)力區(qū)開挖洞室群，必將擾動原巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，破壞洞周圍初始應(yīng)力平衡，從而導(dǎo)致應(yīng)力重分布和圍巖系統(tǒng)的能量狀態(tài)發(fā)生改變。顯然，基于巖性的巖爆指標(biāo)無法反映現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，而基于現(xiàn)場情況而建立的巖爆指標(biāo)為復(fù)雜洞室群巖爆傾向性和巖爆發(fā)生部位的準(zhǔn)確估計的實(shí)現(xiàn)提供了可能。3.1應(yīng)力指標(biāo) 應(yīng)力重分布后，圍巖局部應(yīng)力峰值可達(dá)到初始應(yīng)力的數(shù)倍。正是二次應(yīng)力的高度集中，常使圍巖應(yīng)力超過巖爆臨界應(yīng)力，從而產(chǎn)生巖爆。 3.2 能量指標(biāo)（1）能量釋放率（ERR）到目前為止，地下硬巖礦山采礦仍然廣泛采用鉆爆法。用爆破方法開挖洞室時，開挖面上爆破前的牽引力突然降為零。開挖面外部圍巖對面內(nèi)逐漸降低的支護(hù)力所作

5、的功表現(xiàn)為開挖面上的多余能量，這部分能量稱為釋放能，開挖面上形成的釋放能，以P波和S波通過周圍巖石介質(zhì)向外傳播。釋放能量的大小直接影響開挖面及以外圍巖的應(yīng)力場。由干開挖面的瞬間形成，周圍巖體不僅承受靜態(tài)應(yīng)力增加（開挖誘發(fā)的應(yīng)力集中），而且還有一個瞬間動態(tài)應(yīng)力。復(fù)雜洞室瞬間開挖產(chǎn)生的瞬間動應(yīng)力值很難確定，但是它的存在是肯定的。動靜應(yīng)力的疊加可能會超過巖體強(qiáng)度，也可能會使弱面法向應(yīng)力減少降底面上抗剪力導(dǎo)致滑動，還可能產(chǎn)生拉應(yīng)力引起巖體結(jié)構(gòu)的局部松弛。對于大型洞室而言，瞬間形成完整的洞室是極少見的。研究逐步開采時的能量釋放率更具有實(shí)際意義。在無限巖體內(nèi)進(jìn)行采礦，每采下一定體積巖體dV，圍巖釋放出能量

6、dEr/dV，就是體積能量釋放率ERR。Cook 等在研究南非金礦巖爆問題時于1966 年首先提出了能量釋放率的概念，通過對南非金礦深部開采中巖爆事例的系統(tǒng)調(diào)查和分析, 明確提出：巖爆發(fā)生次數(shù)、規(guī)模及對采礦造成的損失與地下開采能量釋放率密切相關(guān)，能量釋放率越大, 發(fā)生巖爆事件的比例也越高。圖2為南非Ventersdrop Contact 和Cavobon Leader 礦脈破壞性巖爆事故次數(shù)與能量釋放率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，對于一個具體的礦區(qū)其破壞性巖爆事故次數(shù)與平均能量釋放率之間幾乎為一線性關(guān)系，能量釋放率越大,巖爆發(fā)生的頻度也越高。圖2 巖爆發(fā)生次數(shù)與ERR 之間的關(guān)系 由于爆破釋放

7、多次受到巖爆危害的礦山可以用反分析技術(shù)求出發(fā)生巖爆的臨界ERR值，也可根同巖爆危險性的應(yīng)力判據(jù)一樣，用能量釋放率ERR判斷巖爆是否發(fā)生并沒有一個簡單的確定標(biāo)準(zhǔn)，但是用ERR作為各種采礦方案比較的標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)方便可行。3.3基于斷裂損傷、非線性科學(xué)、智能科學(xué)等的巖爆判別指標(biāo)當(dāng)前，在我國的巖爆機(jī)理研究中，強(qiáng)度理論、能量理論和傾向理論仍然占主導(dǎo)地位，他們都從不同側(cè)面反映了巖爆現(xiàn)象的部分本質(zhì)。由于近年來突變理論、分形理論、智能方法以及斷裂損傷力學(xué)、細(xì)觀力學(xué)等方面的引入，巖爆機(jī)理的理論解釋方面也取得了很大的進(jìn)展，值得指出的是，非線性科學(xué)和智能科學(xué)目前其自身尚處于發(fā)展階段，且在巖爆研究方面的應(yīng)用尚是近年來才開

8、始起步，所以在這方面還沒有形成較成熟的理論。但從目前的研究狀況來說，是一個重要的研究方向。我國學(xué)者在這個領(lǐng)域已取得了令世人矚目的研究成果。如陳明祥（1993）用損傷力學(xué)理論系統(tǒng)解釋了巖爆的形成機(jī)制，提出了巖爆判別的能量指數(shù)。謝和平（1993、1997）用分形理論分析巖爆預(yù)報機(jī)理。羅先啟（1995）根據(jù)Griffith理論，應(yīng)用脆性斷裂力學(xué)中的自持續(xù)斷裂概念和能量原理，建立了地下洞室中巖爆的一般判據(jù)。馮夏庭（1994、1998、2000、2002）提出了使用自適應(yīng)模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、綜合集成智能系統(tǒng)、支撐向量機(jī)等智能方法來預(yù)測巖爆。王元漢（1998）等人采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法來預(yù)

9、測巖爆。潘一山（1994）采用了突變理論中的尖角型突變模型，研究了圓形洞室?guī)r爆發(fā)生的物理過程。楊濤（2000）提出了使用基于先驗(yàn)知識的方法來預(yù)測巖爆；楊瑩春（2000）嘗試采用可拓學(xué)的綜合評判方法預(yù)測巖爆的發(fā)生與否和烈度的大小。單曉云（2000）等用突變理論預(yù)報巷道巖爆發(fā)生的可能性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對聲發(fā)射法預(yù)測巖爆的信號處理方法作出了補(bǔ)充。此外，近年來的巖爆研究實(shí)踐證明了這樣一個事實(shí)，巖爆與巖層震動總是相伴而生的。近幾年來，地震學(xué)在巖爆領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。另外，先進(jìn)的現(xiàn)場監(jiān)測儀器和試驗(yàn)設(shè)備的使用，如微震監(jiān)測系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，掃描電鏡以及巖體層析成像技術(shù)的應(yīng)用，使得在巖爆發(fā)

10、生機(jī)制的研究，無論是在宏觀層面上還是在細(xì)觀層面上都有了新的進(jìn)展。4、巖爆預(yù)防與控制技術(shù)研究巖爆的最終目的是預(yù)防或控制巖爆的發(fā)生。在我國，通過大量的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，目前已有許多行之有效的巖爆防治措施?？偟膩碚f，巖爆防治可分為戰(zhàn)略性防御和戰(zhàn)術(shù)性治理措施兩大類。4.1 戰(zhàn)略性防御所謂戰(zhàn)略性防御旨在消除巖爆的條件，盡可能降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險和級別。對于各種地下工程，在工程設(shè)計階段，可以通過合理的地下工程選址、調(diào)整洞室的軸線方向、優(yōu)化洞室的結(jié)構(gòu)參數(shù)等措施來實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性防御的目的。具體來說，根據(jù)工程所處區(qū)域的巖爆地質(zhì)力學(xué)條件的綜合分析，工程選址盡量避開巖爆可能發(fā)生的地域、地段。在難以避開的情況下，地下工程

11、盡量布置在地應(yīng)力水平相對較低并且分布比較均勻的地段；洞室軸線方向盡可能與該工程布置區(qū)域的最大主應(yīng)力方向保持平行；優(yōu)化洞室橫斷面的形狀和尺寸，從而減小圍巖的應(yīng)力集中效應(yīng)，達(dá)到降低巖爆級別的目的。4.2 戰(zhàn)術(shù)性治理措施改善圍巖物理力學(xué)性能 在掌子面和洞壁噴撤水或鉆孔高壓注水，以減釋圍巖應(yīng)力。因?yàn)槌?、注水可以降低巖體的強(qiáng)度，提高巖體的塑性變形能力；注水的楔劈作用可以產(chǎn)生新的張裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而可降低巖體儲存彈性應(yīng)變能的能力。改善圍巖應(yīng)力條件 在可能發(fā)生巖爆的部位采取卸載鉆孔、松動爆破或震動爆破使巖體應(yīng)力降低，使能量在開挖前釋放，這是一種主動積極的措施，但要注意其容易引起的圍巖失穩(wěn)或超挖問

12、題。超前應(yīng)力解除法是一種治理巖爆效果較好的方法，主要措施是在從掌子面起，向前方打超前斜孔，在離洞壁一定的安全距離H（一般K=0.30.5D），用鉆孔爆破的方法形成一個寬度為的人工破碎帶，如圖4所示，以達(dá)到降低切向應(yīng)力的目的。我國西南一水電站引水隧洞工程曾采用此方法，將最大切向應(yīng)力由47.85MPa降至40.54MPa，使巖爆烈度大為緩和。圖4 超前應(yīng)力解除示意圖采用合理的開挖方式和順序巖爆地段開挖宜短進(jìn)尺，多循環(huán)，減小藥量，特別要控制好光爆效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動。強(qiáng)烈?guī)r爆地段必要時也可以采用臺階法開挖，以降低

13、巖爆破壞程度，但在施工中應(yīng)盡量減少爆破振動觸發(fā)連鎖性巖爆的可能性。對于地下洞室群的開挖，通過施工順序的優(yōu)化，可以降低圍巖的能量釋放率，達(dá)到控制巖爆發(fā)生的目的。合理的圍巖支護(hù)和加固措施有巖爆危險的地下工程的支護(hù)系統(tǒng)除了具有常規(guī)支護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)外，還應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：（1）具有較高的承載能力，即支護(hù)體系的屈服強(qiáng)度較大（遠(yuǎn)超過靜態(tài)平衡所需強(qiáng)度）；（2）支護(hù)系統(tǒng)對開挖面的表面覆蓋率高，因?yàn)閹r爆的發(fā)生具體方位難以確定；（3）支護(hù)系統(tǒng)破壞前允許的巖體位移較大，即吸收巖體釋放的動能大，故采用柔性支護(hù)，可防止支護(hù)過早破壞。從我國的工程實(shí)例來看，目前采取的支護(hù)加固措施主要有：（1）噴混凝土或鋼纖維噴混凝土加固；（2）鋼筋網(wǎng)加固；錨桿、錨索加固；（3）格柵、鋼支架加固；（