隧道巖爆預(yù)測與防治技術(shù)探討

章玉偉

(四川省軌道交通投資有限責(zé)任公司，四川成都 610023)

巖爆是一種極為復(fù)雜的動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，迄今為止，人們對(duì)其形成機(jī)理未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。其主要表現(xiàn)為地下工程開挖過程中硬脆性圍巖產(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及設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，是當(dāng)今世界性的地下工程難題之一。

國內(nèi)外學(xué)者在巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)方面做了大量的研究工作，但是，由于巖爆預(yù)測問題極為復(fù)雜，還沒有成熟的理論和方法。從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、斷裂、損傷、突變、分形和能量等多方面對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了各種假設(shè)和判據(jù)；在巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)工作中，也采用了有限元計(jì)算、模糊綜合評(píng)判、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等近現(xiàn)代方法[1-5]。然而，目前基于巖爆理論和巖爆破壞機(jī)制而提出的各種理論預(yù)測方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在困難；而在生產(chǎn)實(shí)踐中，又要求有一些有效、可行的巖爆預(yù)測預(yù)報(bào)方法。對(duì)可能發(fā)生的巖爆進(jìn)行合理、及時(shí)預(yù)報(bào)并有針對(duì)性地采取防治措施的研究具有重要的意義。

1 巖爆判據(jù)與預(yù)測方法

1.1 巖爆理論判據(jù)

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖爆形成的機(jī)理進(jìn)行了研究分析，提出了多種假設(shè)和判據(jù)。其中，主要判據(jù)如下。

1.1.1 Russenes判據(jù)

挪威的Russenes[6]在1974年提出了利用σθmax及其巖樣點(diǎn)載荷強(qiáng)度Is值，繪制出巖爆烈度與硐壁σθmax和Is的關(guān)系圖，預(yù)測巖爆和判定巖爆等級(jí)。把Is換算成巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc，其判別關(guān)系如下：

σθmax/σc<0.2無巖爆

0.2≤σθmax/σc<0.3弱巖爆

0.3≤σθmax/σc<0.55中巖爆

σθmax/σc≥0.55強(qiáng)巖爆

1.1.2 Turchaninov判據(jù)

前蘇聯(lián)的Turchaninov[7]根據(jù)科拉半島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出了巖爆活動(dòng)性由硐室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL的和與單軸抗壓強(qiáng)度σc之比確定:

(σθ+σL)/σc≤0.3無巖爆

0.3<(σθ+σL)/σc≤0.5有巖爆可能

0.5<(σθ+σL)/σc≤0.8一定會(huì)發(fā)生巖爆

(σθ+σL)/σc>0.8有嚴(yán)重巖爆

1.1.3 Hock判據(jù)

Hock等[8]總結(jié)了南非采礦巷道圍巖破壞的觀測結(jié)果，提出了對(duì)巖爆分級(jí)的判別式：

1.1.4 能量判據(jù)

該判據(jù)認(rèn)為巖石中積累的彈性應(yīng)變能是巖爆發(fā)生的內(nèi)部主導(dǎo)因素。波蘭學(xué)者Kidybinski[9]提出，將巖石試件加載到(0.7～0.8)Rb，然后再卸載到0.05Rb時(shí)，卸載所釋放的彈性應(yīng)變能φSp與耗損的彈性應(yīng)變能φST之比值，定義為彈性能量指數(shù)WET，用于判斷和預(yù)測巖爆。彈性能量指數(shù)也稱為沖擊傾向指數(shù)，其值越大，破壞時(shí)釋放的能量越大，從而反映巖爆的存在，波蘭國家標(biāo)準(zhǔn)：

WET<2.0無巖爆

2.0≤WET<5.0中低烈度巖爆

WET≥5.0嚴(yán)重巖爆

1.1.5 臨界埋深度判據(jù)

侯發(fā)亮[10]在1989年提出巖爆臨界深度判據(jù)。認(rèn)為，巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)。但如果硐室埋深較大，即使沒有構(gòu)造應(yīng)力，由于上覆巖體效應(yīng)，硐室也可能會(huì)發(fā)生巖爆。根據(jù)彈性力學(xué)推導(dǎo)出僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生最小埋深Hcr(巖爆臨界深度)的計(jì)算公式：

Hcr=0.318Rb(1-μ)/(3-4μ)γ

式中：μ為巖石泊松比，γ為巖石容重。

1.1.6 陶振宇判據(jù)

陶振宇[11]在前人(Russens，Turchaninov等)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，提出了巖爆判據(jù)如下：

σc/σ1>14.5無巖爆發(fā)生，也無聲發(fā)射現(xiàn)象

5.5<σc/σ1≤14.5低巖爆活動(dòng)，有輕微聲發(fā)射現(xiàn)象

2.5<σc/σ1≤5.5中等巖爆活動(dòng)，有較強(qiáng)聲發(fā)射現(xiàn)象

σc/σ1<2.5高巖爆活動(dòng)，有很強(qiáng)的爆裂聲

式中：σ1為最大主應(yīng)力，σc為單軸抗壓強(qiáng)度。

1.1.7 二郎山公路隧道判據(jù)

徐林生和王蘭生[12]根據(jù)二郎山公路隧道施工中記錄的200多次巖爆資料，提出了改進(jìn)的Russense 判據(jù)法。

在現(xiàn)場采用點(diǎn)荷載儀測定巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度Is(50)，然后利用公式σc=22Is(50)求得巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc。在現(xiàn)場采用改進(jìn)型現(xiàn)場應(yīng)力恢復(fù)測試法，測定出洞壁淺表層鉆孔巖芯應(yīng)變恢復(fù)時(shí)點(diǎn)荷載儀壓力表讀數(shù)F(MPa)，然后用下式求出σθ:

σθ=FSpa/(LH)

式中：Sp為點(diǎn)荷載儀千斤頂活塞面積(取15.5 cm2)，a為等效系數(shù)(取1.324)，L為受力墊片的弦長(取3.3 cm)，H為巖芯試樣長度(cm)。

根據(jù)測試結(jié)果與圍巖實(shí)際破裂情況，得出以下巖爆分級(jí)：

σθ/σc<0.3無巖爆活動(dòng)

σθ/σc= 0.3～0.5輕微巖爆活動(dòng)

σθ/σc= 0.5～0.7中等巖爆活動(dòng)

σθ/σc>0.7強(qiáng)烈?guī)r爆活動(dòng)

以上判據(jù)對(duì)巖爆預(yù)測在理論上作了深入的研究，在一定程度上投入了實(shí)際應(yīng)用，并取得了一定的效果。然而，巖爆的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果。以上判據(jù)僅對(duì)影響巖爆發(fā)生的某一個(gè)別因素進(jìn)行討論，必然會(huì)存在片面性和局限性。

1.2 巖爆預(yù)測方法

應(yīng)用于工程實(shí)踐的現(xiàn)場預(yù)測方法主要有以下幾種：

1.2.1 微震(A-E)法(聲發(fā)射法)

根據(jù)地音探測器檢測到的微細(xì)破裂，確定異常高應(yīng)力區(qū)的位置，將各臺(tái)地音探測器收到噪音信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行比較，從而確定該應(yīng)力的傳播方向，當(dāng)巖石臨近破壞之際，A-E(微震)噪音讀數(shù)迅速增加，如果地音探測器平均噪音讀數(shù)大于預(yù)定目標(biāo)，就意味著有巖爆來臨。

1.2.2 微重力法

巖石在應(yīng)力作用下從壓縮狀態(tài)到發(fā)生擴(kuò)容直到巖爆產(chǎn)生，微重力的異常變化是從正到負(fù)，在臨爆前出現(xiàn)負(fù)重力異常極值，這樣可以作為用微重力測量預(yù)測巖爆的一個(gè)準(zhǔn)則，Bineniawskj在理論和實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上建立了擴(kuò)容模型，F(xiàn)ajkienicz用該模型解釋了微重力異常與巖爆發(fā)生前作用過程的相互關(guān)系，并進(jìn)行了長期的預(yù)測工作。

1.2.3 煤(巖)體電磁輻射監(jiān)測預(yù)報(bào)

依據(jù)完整煤(巖)壓縮變形破壞過程中，彈性范圍內(nèi)不產(chǎn)生電磁輻射，峰值強(qiáng)度附近時(shí)電磁輻射最強(qiáng)烈，軟化后又無電磁輻射的原理，采用特制的儀器，現(xiàn)場監(jiān)測煤(巖)體變形破裂過程中發(fā)出的電磁輻射“脈沖”信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理和分析研究，來預(yù)報(bào)煤(巖)爆。這一方法首先由俄羅斯學(xué)者提出，我國王來貴等人也在開展具體應(yīng)用研究工作，目前該方法主要應(yīng)用在煤爆監(jiān)測預(yù)報(bào)領(lǐng)域。

1.2.4 地震學(xué)預(yù)測法

90年前，中國革命從井岡山出發(fā)，從此，這里成為中國革命的起點(diǎn)；90年后的今天，井岡山又在全國率先脫貧“摘帽”，再次成為全面奔小康的新起點(diǎn)。

根據(jù)巖爆釋放的地震能的均方根與地震發(fā)生前巖體的應(yīng)變狀態(tài)呈比例關(guān)系，用地震能的平方根來度量地震(巖爆)發(fā)生前巖體中積聚的應(yīng)力。該方法精度較高，在國外，印度、南非以及加拿大等國家都廣泛采用過這種方法進(jìn)行巖爆的預(yù)測工作。

1.2.5 鉆屑量法

通過向巖體打小直徑鉆孔，根據(jù)鉆孔過程中單位孔深排粉量的變化規(guī)律和打鉆過程中各種動(dòng)力現(xiàn)象，了解巖體應(yīng)力集中狀態(tài)，達(dá)到預(yù)報(bào)巖爆的目的。在巖爆危險(xiǎn)地段打鉆時(shí)，鉆孔排粉量劇增，最多可達(dá)到正常值10倍以上，一般認(rèn)為排粉量為正常值的2倍以上時(shí)，即有發(fā)生巖爆的危險(xiǎn)，該方法20世紀(jì)60年代在歐洲開始使用。

巖體(石)破裂聲發(fā)射信號(hào)急劇增加超前巖石(體)的變形破壞，利用聲發(fā)射儀探測潛在的巖爆位置，聲發(fā)射法(微震監(jiān)測)是最直接的預(yù)報(bào)方法。預(yù)測隧道巖爆可能發(fā)生部位，則可及時(shí)采取相應(yīng)的防治措施。

2 巖爆預(yù)測與防治案例

2.1 工程概況

錦屏II級(jí)水電站位于四川省涼山州鹽源、冕寧、九龍三縣交界處卡拉至江口河段的錦屏大河灣，工程區(qū)山高、谷深、坡陡(圖1)。電站修建7條長度約16.7 km的近似平行的隧洞，分別為：交通輔助洞2條、引水隧洞4條和施工排水洞1條(圖2)。隧洞埋深超1 500 m的洞段占總長的75.7 %～75.9 %，最大埋深達(dá)2 525 m，超過了世界著名的辛普倫公路隧洞(最大埋深2 135 m)，與目前世界上埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞(最大埋深2 619 m)接近。隧洞在深埋洞段多為大理巖，完整性好，彈性模量為25～40 GPa，單軸抗壓強(qiáng)度55～115 MPa，現(xiàn)場實(shí)測最大主應(yīng)力值超過80 MPa，施工面臨極大的巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 錦屏II級(jí)水電站西端現(xiàn)場

圖2 錦屏II級(jí)水電站西端平面

2.2 巖爆預(yù)測

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)判別

錦屏水電站引水隧洞埋深2 000 m洞段處巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc為110 MPa，最大主應(yīng)力σ1為38.02 MPa，σc/σ1=110/38.02=2.9。根據(jù)陶振宇巖爆判據(jù)可知：該地應(yīng)力和圍巖條件下，隧洞施工會(huì)發(fā)生中等巖爆活動(dòng)，有較強(qiáng)聲發(fā)射現(xiàn)象。但是，在上述復(fù)雜情況下，巖爆不僅受地應(yīng)力和圍巖性質(zhì)的影響，還受到隧洞斷面輪廓、施工相互干擾，開挖方法等設(shè)計(jì)和施工方案等的影響。在施工期間卻發(fā)生了強(qiáng)甚至極強(qiáng)巖爆。可見在超深埋，大斷面，多條隧洞等復(fù)雜環(huán)境下上述基于經(jīng)驗(yàn)的巖爆判據(jù)難以進(jìn)行準(zhǔn)確判別。

2.2.2 微震監(jiān)測

采用基于粒子群定位的微震監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)巖爆區(qū)的準(zhǔn)確定位和科學(xué)預(yù)測。本系統(tǒng)工作流程如下：首先利用傳感器(圖3)對(duì)巖體中微震事件形成的聲發(fā)射信號(hào)(彈性波)進(jìn)行監(jiān)測、記錄，再通過信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理確定震源位置(圖4)、震級(jí)、視體積和能量指數(shù)(圖5)，對(duì)巖巖爆進(jìn)行預(yù)測。其原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。本監(jiān)測系統(tǒng)在錦屏II級(jí)水電站引水隧洞建設(shè)中的運(yùn)用表明，本監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)中等強(qiáng)度以上巖爆預(yù)測有較高的準(zhǔn)確率。

圖3 傳感器布置

圖4 定位后的微震事件

圖5 視體積、能量指數(shù)的變化

圖6 微震監(jiān)測原理

圖7 微震檢測系統(tǒng)

2.2.3 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬對(duì)巖爆的斷面尺寸及空間效應(yīng)進(jìn)行分析。滯后施工的隧洞群(包括橫通道)應(yīng)力調(diào)整更為復(fù)雜，面臨更大的巖爆風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取措施著重對(duì)滯后隧洞進(jìn)行巖爆防治。圖8為2#引水隧洞滯后及超前開挖時(shí)隧洞群應(yīng)力分布圖。可見，引水隧道的開挖順序?qū)@著影響隧道周邊應(yīng)力分布，從而引發(fā)巖爆。

圖8 引水隧洞群應(yīng)力分布

2.3 巖爆防治

現(xiàn)場施工表明巖爆防治主要包括以下幾方面措施：

(1)改善圍巖物理力學(xué)性能。在掌子面和洞壁經(jīng)常噴撒冷水，可在一定程度上降低表層圍巖強(qiáng)度。采用超前鉆孔高壓均勻注水，可以通過三方面作用來防治巖爆：一是可以釋放應(yīng)變能，并將最大切向應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移；二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體強(qiáng)度；三是高壓注水產(chǎn)生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低了巖體儲(chǔ)存應(yīng)變能的能力。

(2)改善圍巖應(yīng)力條件。巖爆洞段盡量采用鉆爆法施工，短進(jìn)尺掘進(jìn)；減小藥量，控制光面爆破效果，以減小圍巖表層應(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(duì)圍巖的擾動(dòng)。強(qiáng)烈以上的烈度巖爆地段，必要時(shí)也可采用分部開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度，但在施工中應(yīng)盡量減少爆破振動(dòng)觸發(fā)巖爆的可能性；采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動(dòng)爆破或振動(dòng)爆破等方法，使巖體應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放。

(3)加固圍巖。對(duì)不同烈度的巖爆采用不同的加固處理措施。對(duì)于低巖爆，可實(shí)施全斷面光面爆破開挖；爆破、通風(fēng)、找頂后，洞壁、掌子面撒水；打洞壁環(huán)向應(yīng)力釋放孔；設(shè)置掛網(wǎng)噴射混凝土初期支護(hù)。對(duì)于中等巖爆，除實(shí)施全斷面光面爆破開挖外，必要時(shí)可作30～50 m超前導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑不大于5 m，作為巖爆超前預(yù)報(bào)和釋放地應(yīng)力；對(duì)于強(qiáng)烈以上烈度巖爆段，多采用水脹式錨桿，并加墊板；掛整體網(wǎng)；外摻超細(xì)沸石粉濕噴混凝土；型鋼拱架支撐等措施。

3 結(jié)束語

在類似錦屏II級(jí)水電站引水隧洞所處的深埋和圍巖條件下，避免巖爆發(fā)生十分困難。但是可以根據(jù)巖爆的發(fā)生條件，預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性，并采取相應(yīng)措施降低巖爆發(fā)生的強(qiáng)度。巖爆實(shí)質(zhì)上是在高地應(yīng)力巖體中進(jìn)行開挖，引起巖體中聚集的應(yīng)變能突然釋放，誘導(dǎo)了巖爆的發(fā)生，采用地震學(xué)方法預(yù)測預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生與否是應(yīng)當(dāng)值得我們重視。采用微震監(jiān)測結(jié)合數(shù)值分析及現(xiàn)場地質(zhì)勘察進(jìn)行巖爆預(yù)報(bào)的方法是可行的，但是仍需要進(jìn)一步完善預(yù)報(bào)程序提高巖爆預(yù)報(bào)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。