巖爆形成條件、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治

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1、巖爆形成條件、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程開(kāi)挖過(guò)程中,硬脆性圍巖因開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異,儲(chǔ)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、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全,影響工程進(jìn)度,已成為世界性的地下工程難題之一。一、巖爆形成機(jī)理分析綜合分析巖爆形成機(jī)理，可從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面解釋巖爆。在高地應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖硐室、圍巖巖體結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌可以構(gòu)成巖爆形成的內(nèi)因。從外因方面來(lái)說(shuō)，硐室開(kāi)挖施工和鉆爆發(fā)施工、地震也可以誘發(fā)巖爆。1、高地應(yīng)

2、力形成巖爆的必要要件是應(yīng)變能儲(chǔ)集,其力學(xué)條件滿足:原巖處于高地應(yīng)力環(huán)境和洞室開(kāi)挖后形成二次應(yīng)力高度集中。（1）原巖初始高地應(yīng)力環(huán)境根據(jù)勘察資料顯示,Rc/σmax值為2.1～7.0,達(dá)到高應(yīng)力和極高應(yīng)力水平,具備了巖爆形成的條件之一。式中:Rc-巖石飽和抗壓強(qiáng)度(MPa);σmax-垂直于隧洞軸線方向的最大初始應(yīng)力(MPa)。（2）洞室開(kāi)挖后形成二次應(yīng)力高度集中在高及極高應(yīng)力區(qū)開(kāi)挖隧洞,必將擾動(dòng)原巖的初始應(yīng)力狀態(tài),破壞隧洞周?chē)鷰r體初始應(yīng)力平衡,從而導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。當(dāng)重新分布的圍巖應(yīng)力超過(guò)巖爆臨界應(yīng)力,則產(chǎn)生巖爆。

3、（3）巖爆發(fā)生在洞室圍巖內(nèi)dσ3/(σ1-σ3)正增長(zhǎng)期增長(zhǎng)很快的那一范圍dσ3/(σ1-σ3)越高,越易引起巖爆,因?yàn)楦叩膁σ3/(σ1-σ3)抑制了圍巖靜態(tài)破壞與位移，dσ3/(σ1-σ3)亦可理解為高應(yīng)力區(qū)中σ3的變化,它與巖爆的關(guān)系是:在一定應(yīng)力環(huán)境中,圍巖內(nèi)高應(yīng)力環(huán)境(高的σ1-σ3)中最高σ3部位(可直觀判讀)最容易引起巖爆。2、圍巖巖體結(jié)構(gòu)（1）在深層巖漿巖或片理、片麻理不發(fā)育的變質(zhì)巖中發(fā)生的巖爆往往強(qiáng)烈程度較大,使得巖片(塊)常呈彈射狀拋出。而在片理、片麻理發(fā)育的變質(zhì)巖中發(fā)生的巖爆則往往強(qiáng)烈程度較小

4、,主要為劈裂或剝落形式。這是由于片理、片麻理發(fā)育的變質(zhì)巖,其巖石顆粒呈明顯的定向排列現(xiàn)象。在顆粒定向排列的方向上易產(chǎn)生應(yīng)力集中,該方向上的微裂紋最易發(fā)生擴(kuò)展或產(chǎn)生沿粒間的滑動(dòng)。這樣就在定向排列的方向上構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)較弱的面,使得巖石可以在不太高的應(yīng)力下就可沿該面破壞。從而往往難以發(fā)生強(qiáng)度較高的巖爆,而以劈裂或剝落形式為主。對(duì)于礦物顆粒不呈定向排列的巖石,如花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英巖等,顆粒隨機(jī)排列,即不存在某一方向上相對(duì)力學(xué)強(qiáng)度較低的面。這樣的巖石有利于聚集較高的應(yīng)力狀態(tài),而且也只有在較高的應(yīng)力狀態(tài)下才可能使巖石發(fā)

5、生破壞。因而一旦發(fā)生巖爆,往往具有較高的強(qiáng)烈程度。（2）巖石顆粒間聯(lián)接主要有結(jié)晶聯(lián)接和膠結(jié)聯(lián)接兩種。結(jié)晶聯(lián)接是相同礦物或不同礦物的晶面彼此直接聯(lián)接,是與礦物晶粒同時(shí)形成的。膠結(jié)聯(lián)接則是在成巖過(guò)程中礦物顆粒被膠結(jié)物膠結(jié)而形成,這是沉積巖的顆粒聯(lián)接特征。結(jié)晶聯(lián)接比膠結(jié)聯(lián)接更牢固,因此具結(jié)晶聯(lián)接的巖石往往比膠結(jié)聯(lián)接的巖石強(qiáng)高更高,更不容易破壞。具結(jié)晶聯(lián)接的巖石往往只有聚集較高的應(yīng)力狀態(tài)及較高的彈性應(yīng)變能時(shí)才有可能使巖石發(fā)生破壞,所以巖爆的發(fā)生一般表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的彈射或拋擲現(xiàn)象。而膠結(jié)聯(lián)接由于是通過(guò)強(qiáng)度相對(duì)較低的膠結(jié)物(與巖

6、石礦物相比)將巖石礦物聯(lián)系起來(lái),因而在巖石中形成了一些相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié),使得巖石的強(qiáng)度有所降低。在沒(méi)有聚集很高的應(yīng)力下就有可能發(fā)生破壞,所以發(fā)生巖爆時(shí)一般強(qiáng)烈程度較低,多表現(xiàn)為劈裂或剝落形式。同時(shí),膠結(jié)物的成分,對(duì)巖爆發(fā)生的強(qiáng)烈程度也有著重要的影響。與前面的分析相似,由于硅質(zhì)和鐵質(zhì)的膠結(jié)作用強(qiáng),其巖爆的發(fā)生也往往較強(qiáng)烈,常表現(xiàn)為彈射或拋擲現(xiàn)象。而鈣質(zhì)膠結(jié)物強(qiáng)度較低,不利于應(yīng)變能的聚集,巖石發(fā)生巖爆時(shí)一般強(qiáng)烈程度不高。泥質(zhì)膠結(jié)作用最弱,以泥質(zhì)膠結(jié)為主的巖石一般強(qiáng)度低,發(fā)生巖爆的的可能性很小。迄今見(jiàn)諸報(bào)道的僅在二郎山公路

7、隧道的砂質(zhì)泥巖中發(fā)生了爆裂松脫、剝落為主的輕微巖爆現(xiàn)象。（3）假設(shè)無(wú)論在壓應(yīng)力下或張應(yīng)力下裂紋都是張開(kāi)的,得出了如下結(jié)論:當(dāng)β=12arctan1tanφ時(shí),該方向上的微裂紋最易擴(kuò)展;當(dāng)β=0或β=12arctan1tanφ時(shí),裂紋最不易擴(kuò)展。式中:β為加荷方向(最大主應(yīng)力方向)與裂紋方向的夾角;φ為裂紋面上的內(nèi)摩擦角。當(dāng)巖石中的裂紋大多表現(xiàn)為不易擴(kuò)展時(shí),巖石的強(qiáng)度較高,不易發(fā)生破壞。而一旦發(fā)生巖爆就往往很強(qiáng)烈。當(dāng)巖石中的裂紋大多表現(xiàn)為易于擴(kuò)展時(shí),說(shuō)明這些裂紋在排列上具有大致一致的方向性。因此較易擴(kuò)展并相互連通,則

8、其強(qiáng)度較低,較易破壞。一旦發(fā)生巖爆,其強(qiáng)烈程度一般不高,主要表現(xiàn)為沿優(yōu)勢(shì)裂紋方向劈裂或剝落?？梢钥闯?微裂紋方向?qū)r爆的影響與宏觀結(jié)構(gòu)面產(chǎn)出狀態(tài)對(duì)巖爆的影響具一定的一致性。3、水文地質(zhì)條件多資料研究表明,巖石的含水量對(duì)巖爆的產(chǎn)生起著極其重要的作用,而高含水量可降低巖體儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能的能力和巖體強(qiáng)度。引水隧洞區(qū)氣候干燥少雨,河谷岸坡陡峻,地下水不豐富,圍巖巖體