TBM隧道施工的巖爆災(zāi)害及其預(yù)防-2019年文檔

1、TBM1道施工的巖爆災(zāi)害及其預(yù)防巖爆是在高地應(yīng)力硬脆性巖體中隧道開挖誘發(fā)的一種工程地質(zhì)問題,嚴(yán)重威脅洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的平安,影響隧道正常施工.TBM施工對圍巖擾動較小,且開挖斷面多為圓形,在一定程度上減弱了圍巖應(yīng)力局部集中現(xiàn)象,降低了巖爆發(fā)生的可能性.盡管如此,在國內(nèi)外一些隧道TBM施工過程中,仍然有巖爆發(fā)生,如我國的秦嶺隧道和天生橋二級水電站引水隧洞,在TBM施工中均發(fā)生了不同程度的巖爆.1巖爆的定義關(guān)于巖爆的定義,學(xué)術(shù)界至今仍未形成統(tǒng)一的熟悉,總的來說可以概括為以下兩種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為只要巖體破壞時(shí)有聲響,產(chǎn)生片幫、爆裂剝落甚至彈射等現(xiàn)象,有新鮮破裂面即可稱為巖爆；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為只有

2、產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞者才能稱為巖爆.王蘭生教授等1998從巖爆的力學(xué)機(jī)制出發(fā),將巖爆定義為：在高地應(yīng)力條件下地下洞室開挖過程中,圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁產(chǎn)生應(yīng)力分異作用,儲存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放,因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落離、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害.2巖爆的形成機(jī)制及特征1巖爆的形成機(jī)制.巖爆的形成具有一定的條件,強(qiáng)大的地應(yīng)力場構(gòu)成的地質(zhì)環(huán)境和硬脆性圍巖是巖爆發(fā)生的決定因素,是內(nèi)因；而施工引起的洞室圍巖應(yīng)力的變化那么是誘發(fā)因素,是巖爆發(fā)生的外因.可以說,巖爆發(fā)生是內(nèi)外因相互作用的結(jié)果.由于巖體本身的復(fù)雜性,加之巖爆是一種極為復(fù)雜的動力現(xiàn)象,人們對于巖爆的破壞過程還不清楚,關(guān)于

3、巖爆的形成機(jī)理一直未能定論.目前,用于分析巖爆災(zāi)害形成機(jī)理的根本理論主要有強(qiáng)度理論、能量理論、穩(wěn)定性理論等,人們從不同角度對巖爆的形成機(jī)理進(jìn)行了分析.E.Hoek等認(rèn)為,巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物.Zoback教授在解釋鉆孔崩落現(xiàn)象成因時(shí),也認(rèn)為類似“巖爆的孔壁崩落破壞屬于剪切破壞.然而Mastin(1984)、Haimson(1972,1985)那么通過打有圓孔的砂巖巖板進(jìn)行的單項(xiàng)壓縮物理模擬試驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)地再現(xiàn)了孔壁崩落現(xiàn)象,他們得出這一現(xiàn)象是由于孔壁應(yīng)力集中部位的局部破壞所引起的,系張性破裂的產(chǎn)物.我國楊淑清教授等通過天生橋二級水電站引水隧洞相似材料巖爆機(jī)制物理模擬試

4、驗(yàn),總結(jié)出圍巖劈裂破壞和剪切破壞是巖爆的兩種產(chǎn)生機(jī)制,并認(rèn)為他們是兩種應(yīng)力水平的產(chǎn)物,即劈裂破壞屬于脆性斷裂,而剪切破壞是巖石應(yīng)力到達(dá)峰值強(qiáng)度狀態(tài)時(shí)的破壞；譚以安那么認(rèn)為,巖爆系一漸進(jìn)破壞過程,其形成過程可分為“劈裂成板-剪斷成塊一塊片彈射三個(gè)階段,巖爆屬張、剪脆性破壞；王蘭生教授等認(rèn)為,巖爆就其破裂機(jī)制而言,是一種開挖卸荷條件下巖石自身彈性應(yīng)變能忽然釋放所造成的脆性破裂或爆裂,爆裂造成的巖塊片那么可以爆裂松脫、爆裂剝離、爆裂彈射或拋擲等不同方式脫離母體,其脫離方式、初速度和規(guī)模等與爆裂時(shí)的破壞機(jī)制及釋放彈性應(yīng)變能的多少和涉及深度等因素有關(guān),并將巖爆力學(xué)機(jī)制歸納為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓

5、折三種根本形式；李廣平將受壓巖體中的裂紋分為壓剪閉合裂紋和壓剪不閉合裂紋兩種性態(tài),分析了壓剪裂紋的啟裂和擴(kuò)展準(zhǔn)那么,認(rèn)為巖爆是圍巖在洞室開挖過程中發(fā)生應(yīng)力調(diào)整時(shí),巖體中的預(yù)存裂紋發(fā)生擴(kuò)展而引起巖體發(fā)生宏觀脆性斷裂的結(jié)果.巖爆的特征.隧道施工中的巖爆主要有以下特征：突發(fā)性：巖爆現(xiàn)象是一種能量的忽然釋放,在發(fā)生前沒有明顯的預(yù)兆.延續(xù)性：巖爆的發(fā)生并不是一次就終止了,往往具有延續(xù)性.首次巖爆后幾天或幾十天再次發(fā)生,有的可能持續(xù)較長時(shí)間才結(jié)束.滯后性：巖爆現(xiàn)象一般并不伴隨巖體開挖立即發(fā)生,而往往在巖體開挖后幾小時(shí)、幾天甚至更長時(shí)間一個(gè)月甚至數(shù)月才發(fā)生,發(fā)生的頻率隨暴露后的時(shí)間延長而降低.衰減性：巖爆一

6、般在開挖初期比擬強(qiáng)烈,隨著時(shí)間推移,能量釋放減弱,強(qiáng)度也隨之衰減.巖爆主要發(fā)生于高地應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)完整或較完整的花崗巖、片麻巖、石英巖、砂巖、閃長巖、石灰?guī)r等硬脆性圍巖中.絕大多數(shù)巖爆都發(fā)生在掌子面及附近一定范圍內(nèi).巖爆頂峰區(qū)段,隨著掌子面的前移而被向前拖動,但和掌子面的間距一般保持不變；掌子面和頂峰區(qū)段以外,也有巖爆發(fā)生,但是發(fā)生幾率相對較小.3巖爆對TBM施工的危害巖爆具有突發(fā)性,會不同程度地危害洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的平安,影響隧道正常施工：(1)巖塊爆裂飛出,砸傷洞內(nèi)工作人員,破壞施工設(shè)備；使隧道掌子面凸凹不平,影響TBM掘進(jìn)效率,嚴(yán)重時(shí)可能損壞刀具；強(qiáng)烈?guī)r爆時(shí),造成巖體大規(guī)模坍塌,使TB

7、M®進(jìn)困難,甚至將機(jī)體掩埋,導(dǎo)致卡機(jī)事故,嚴(yán)重地拖延工期.4TBM施工中巖爆的預(yù)防舉措(1)TBM施工中巖爆的預(yù)測預(yù)報(bào)方法.目前基于巖爆理論和巖爆破壞機(jī)制而提出的各種預(yù)測預(yù)報(bào)理論方法很多,但在實(shí)際工程應(yīng)用中尚存在一些困難；在實(shí)際隧道施工中需要一些具體的、切實(shí)可行的現(xiàn)場預(yù)測預(yù)報(bào)方法,目前國內(nèi)外隧道施工中常用的巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)方法主要有：鉆孔巖芯餅化法：對于強(qiáng)度很高的巖石,在高地應(yīng)力作用下鉆孔巖芯發(fā)生餅化,出現(xiàn)餅裂現(xiàn)象.因此可以根據(jù)某一深度以下巖芯出現(xiàn)的餅裂現(xiàn)象及巖餅數(shù)量的相對大小來判斷巖爆發(fā)生的可能性.聲發(fā)射法(A-E法)：根據(jù)應(yīng)力與聲發(fā)射信號的強(qiáng)弱,分析判斷巖爆發(fā)生的強(qiáng)弱與位置.該種方法

8、是對巖爆孕育過程最直接的監(jiān)測方法和預(yù)報(bào)方法.此方法的根本參數(shù)是能率E和大事件數(shù)頻度N,它們在一定程度上反映出巖體內(nèi)部的破裂程度和應(yīng)力增長速度.此方法可望在現(xiàn)場對巖爆進(jìn)行直接的定位定量預(yù)報(bào),具有很大開展前景.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法：綜合采用地面地質(zhì)調(diào)查、洞內(nèi)超前導(dǎo)坑、超前鉆及各種物探方法如地質(zhì)雷達(dá)探測、TSP探測等相結(jié)合的方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào).根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果,分析研究圍巖體的巖性、地應(yīng)力大小、應(yīng)力集中程度以及構(gòu)造發(fā)育程度等,判斷巖爆的發(fā)生與否以及巖爆的位置、規(guī)模.地震波預(yù)測法：結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,利用單道地震儀對掌子面及前方巖體進(jìn)行監(jiān)測,到達(dá)預(yù)測巖爆的目的.TBM施工中巖爆的防治舉措.由于巖爆具

9、有突發(fā)性、破壞性,會不同程度地影響TBMIE常施工,降低掘進(jìn)效率,甚至危及洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的平安,嚴(yán)重拖延工期.因此,一定要做好巖爆超前預(yù)測預(yù)報(bào)工作,確定巖爆發(fā)生的位置、規(guī)模,并制定相應(yīng)的施工對策.對于稍微巖爆,可不進(jìn)行預(yù)處理；而對于中等或強(qiáng)烈?guī)r爆,那么可在TBM施工中采取以下處理舉措：超前應(yīng)力釋放：TBM®進(jìn)前,利用超前鉆孔釋放地應(yīng)力,并在鉆孔中注水,濕化巖體,從而有效地降低圍巖體內(nèi)部的高地應(yīng)力,到達(dá)預(yù)防巖爆的目的.改善圍巖體的物理力學(xué)特性：TBM掘進(jìn)過程中,不斷向掌子面圍巖噴灑冷水,濕潤巖體,以此到達(dá)降低圍巖強(qiáng)度、增強(qiáng)圍巖塑性、減弱圍巖脆性、最終消除巖爆或降低巖爆烈度的目的.及時(shí)支護(hù)：TBMFF挖后,及時(shí)采取適宜的支護(hù)形式增強(qiáng)支護(hù),盡量減少圍巖暴露時(shí)間.支護(hù)形式隨TBM護(hù)盾形式的不同而變：對于雙護(hù)盾TBM應(yīng)在TBMFF挖后及時(shí)安裝管片襯砌；對于敞開式或單護(hù)后TBM那么可根據(jù)巖爆烈度不同分別采用噴射混凝土、錨噴網(wǎng)或格柵鋼拱架等方式進(jìn)行支護(hù).止匕外,為防止巖爆石塊坍落傷人或砸毀機(jī)械設(shè)備,最好在TBMB配套設(shè)備上安裝防石棚.增強(qiáng)監(jiān)測工作：隧道施工中一定要增強(qiáng)對強(qiáng)烈?guī)r爆的監(jiān)測工作,并及時(shí)采取緊急舉措,防止強(qiáng)烈?guī)r爆造成人員傷亡和設(shè)備損壞.5結(jié)語目前TBM掘