高地應力地下洞室巖爆與充填效果研究

摘要：隨著我國鐵路高應力地下洞室的大量施工，在大量的深埋處理高應力地下洞室和高地變應場環境下的巖爆效應，已成為高速鐵路施工中的重要技術難題。為防止巖爆的產生，必須研究出不同級別的巖爆防治方法，通過綜合分析國內外有關學者的工作成果和國內關于巖爆高應力地下洞室施工技術的有關研究，從巖爆的工作環境、高應力情況下巖爆產生原因、巖爆的預防、防控方法和影響機制方面，歸納高應力地下洞室產生巖爆的特點變化規律，并提出高應力情況下不同級別巖爆的防治方法。

關鍵詞：熱地應力；地下洞室；巖爆

巖爆作為普遍的典型施工水文災害現象，在礦井開挖、高內部應力地下洞室挖掘、水利等高地應力和復雜地質要求的施工時會出現。巖爆通常具有破壞力，對人民生命財產帶來很大的威脅。為此，國內學術界對巖爆做出了不少具有重要實用價值的研究成果。由于地質環境的復雜化、巖爆出現的突發性等多種原因，在巖爆機理和巖爆判定準則方面尚有許多欠缺，缺乏統一的規范，無法做出正確的預報。

一、巖爆具有的特征

巖爆是指在洞室的施工階段由于巖體承載力變化、內部應力集中、大量熱能產生，引起巖體脆性破裂后所出現的拋殼、崩落過程，巖體在遭受內應力的擠壓作用超出最大極限承受能力時失穩，在軸壓和圍壓的聯合影響下，巖塊和圍壓相互作用，在花崗巖的內應力到達最大極限強度時，其承載性能逐步下降，由于圍壓力度的下降，大量熱能放出，當熱能到達結構裂縫以及巖體所能耐受的最大限度時，結構裂縫加快成長，甚至突然破裂，在巖體的表面上拋殼或崩落，從而產生巖爆現象。巖爆可分成輕度巖爆和重度巖爆，前者巖片狀態表現為破碎、呈現大質量狀態，而后者則表現為拋殼狀態。巖爆出現的時候存在著不可預見性，且出現概率隨著工作時間的延長而逐步減少。由于巖爆往往存在著突發性且不能有效防范，所以風險很大，對施工安全構成極大的安全隱患。面對較強的地應力洞室，需要及時采用安全技術手段，以保障施工安全。

二、巖爆破壞機理

（一）硬巖環境下巖爆的產生原因

硬地巖的彈性模量、剪切模量、抗壓性能和抗剪硬度較好，其應力—應變關系主要為彈性應力，破裂時的塑性變形較小，在構造運動時有存儲的應變能力，高內部應力地下洞區開挖使孔室圍巖構造系統從三向應力狀態過渡至雙面應力狀態，孔壁周圍巖體能量的急劇積聚，并伴有臨空面的形成，洞周一定范圍的巖塊中的彈性應力能量的急劇釋放，形成巖爆。硬質巖中地質構造的彈性能量指數和脆性指數，反映了巖體中儲藏能源的豐富程度以及巖體的脆性指數，更是確定巖體形成巖爆發生可能性的主要參照技術指標。常見的巖性有花崗石、大理巖、灰巖、白云巖、石英砂巖等。

（二）高地應力環境條件下石爆的產生機制

巖爆的形成受圍巖的強度、初始地應力作用條件、巖塊構造條件、施工方法等諸多因素制約，其中初始地應力作用條件決定著巖塊的彈性應力能的強弱，成為判斷高地應力作用條件的主要因素。

（三）開挖卸荷效應下巖爆的破壞機制

高應力地下洞室施工時，當施工區處于三向應力平衡情況下，處于“彈性壓縮”的狀態下，當高應力地下洞室開挖時洞口壁巖塊的徑向內應力逐漸消失，巖塊在高應力地下洞室內下沉。由于初始應力場的重新分布，產生切向應力聚集，切向應力的陡加將引起洞口附近內部巖體應力能的陡加，當內應力超過了施工區的抗壓性能時，附近巖塊在內應力的影響下微裂紋將連續地產生、擴大、貫通，當外圍巖體強度釋放的動能大于裂縫產生所需要的動能，殘余的高彈性內部應力能將逐漸轉化為動能，使破碎的內部巖塊發生剝落、彈射，或者是更大范圍的內部巖體強度垮塌破壞。

三、巖爆隧道支護現狀

巖爆的形成，有賴于巖體的硬度、完整性、所處的初始地應力環境以及附近地下水狀況。按照性質和相對特征分為三個檔次，即弱巖爆、中巖爆、強巖爆。在三個檔次中，弱巖爆對施工環境的干擾程度很小，基本上沒有對施工人員和設備產生危害，沒有采取特別方法加以解決；中巖爆時間較長，對設備、施工人員的安全和心理產生較大干擾，根據保護圍巖的基本思想，目前常采取鋼支撐和噴—錨—網（鋼筋網）的綜合支撐方法對隧道中巖爆區域實施支撐，實施工程中也采取防護網或被動的臨時性支撐方法；強烈巖爆同樣具有危害性，因此在做好保護的同時必須采取各種輔助手段（如超前應力施工釋放孔等）弱化施工范圍，以減少強烈巖爆產生的時間和數量。

四、巖爆高應力對地下洞室的預測與設計

一是勘測工程設計階段使用強度應力比法對巖爆作出預報，基本可以達到工程設計的需要。依據在場實際情況檢測及巖爆出生的狀況進行分析，現場實際發現巖爆地區占預計的22%～90%。二是發現巖爆的地區通常干旱無水，且巖體較完整。三是斷裂帶內發現巖爆的概率較低，斷裂帶周圍完整巖體中發現巖爆的概率較高。四是微震檢測可以有效地檢測到巖爆的產生，其準確度可達到50%～80%，且巖爆的級別越高，預報的準確度越高。五是依據場地的區域監控量計以及被開挖地區出現巖爆的狀況，依據技術研究結果作出的正確判斷。六是巖爆段與埋深有一定聯系，但沒有正比關系。雖然國外也曾在埋深65m時出現過巖爆，但我國新發現的巖爆段埋深通常都超過800m。

五、巖爆高應力地下洞室的處置措施

（一）超前支護措施

根據巖爆種類和尺寸，提前打內部應力釋放洞或超前摩擦錨索支護，以起到降低巖爆的作用。需要時作超前地30m～50m導洞，導洞長度不超過5m，可作巖爆超前地預報和解釋地應力。

對于巖爆區段，施工后及早地在掌子面及之后約15m區域內的隧洞周圍實施澆注高壓水，從某種意義上也能夠降低巷道圍巖表層的硬度，以超前的探孔技術在施工區域巖體中實施注射高壓水，提前降低施工區域應變能力，并把其切向應力傳遞至施工區域內部，注高壓水的劈裂效應還能夠軟化硬巖，進而減小硬巖的厚度，重新形成裂隙或是使現有裂隙進一步擴大，增加施工區域內的彈性應變能力。也可以提前在掌子上最有可能出現巖爆的地方有規則的鉆少許空眼，并放置錨索，通過注水的方法放出部分水壓，以防止在硬巖超過極限強度時出現巖爆。

（二）超前地質預報

超前地質預測可掌握第一手地質資料，對掌握工程建設洞段的巖性及斷面、裂縫等節理發展、巖體破壞、地下水分布狀況、制定挖掘支護施工方法、技術方法、改變場地施工方式、制定保護措施提出依據，這對巖爆的防治和施工者的人身安全意義很大。合理防治巖爆可對施工進度和效益的提高發揮明顯的作用。

（三）超前應力釋放

爆破工程作業后，適時對掌子面、邊壁和頂拱部分實施噴淋水試驗作業，對干燥表面實行變軟處理。淋水作業時間一般實行多次，每次間距在10min以內。噴淋方式可在側壁、頂拱、起拱線、洞壁環向等部位打設內應力釋放口或直接在鉆孔中灌注高壓水，以減少巖體球花度，采用在巖層切槽的方法釋放內應力，以減少巖爆的風險。針對鉆孔部位、深淺程度等特點開展資料分析和地質研究，優化和完善鉆孔技術參數（孔深、孔距、孔數），從而引導現場開挖，減少巖爆產生的危害。

（四）鉆芯取樣分析

洞室施工結束后，垂直掌子面在待施工部位進行鉆芯采樣，利用芯樣破損現象研究所施工區域巖體、斷面等地貌和圍巖應力狀態。

（五）地質素描

地質素描一般在洞室的施工工作結束時實施，用以研究新開挖段或待施工地段所揭露的地質產狀和裂隙分布狀況，并預測掌子的地質形勢。通過研究分析，及時采取相應對策，調整實施計劃。

（六）加強光面爆破效果

光面爆炸破裂流程中一定要增加殘孔率，盡可能保持巖面水平，防止由于巖面不平引起殘余應力集中?？赏ㄟ^爆破試驗決定爆炸破孔距和藥量；采用扎竹條、堵炮泥、短進尺、弱爆破碎等方法增加爆炸破壞效果；在排險施工過程中將凸出部分的巖體適時加以處理，盡可能保持巖面水平，減少巖爆出現的概率。

（七）盡早啟動襯砌作業

巖爆通常會發生二至三度脫落現象，對后期施工和安全性帶來很大潛在隱患。所以，要盡量減少巖石的暴露時間，盡早完成二襯作業，襯砌可選用跳倉方法實施。在襯砌過程中，如出現巖石異常應實行必要的避讓保護措施。

（八）改變開挖作業形式

挖掘進尺采取短進尺，可節約藥量和減少爆炸破碎頻率，控制光爆效應，并釋放巷道圍巖表層內部應力集中現象，進而減少巖爆。在巖爆烈度中等以上的地方，炮眼距離保持在25cm范圍內，利用隔眼填藥，阻塞炮泥，增加光爆效應，達到炸藥破碎邊線光滑。采取措施以避免因不平順度所引起的內部應力聚集，以減少巖爆的出現。開挖時鉆探工程中周邊眼距離限制在45～50cm，鉆眼水平而無交錯，眼底距離均勻。利用淺洞爆炸破碎，減少循環進尺，從而減少一次性用量。

六、巖爆安全防護與防治工程

（一）巖爆的安全性防護

包括建筑施工機械須加裝保護頂棚；對工作人員做好安全性技術培訓；在循環作業時段中，設置合理的待避人員。

（二）巖爆預防的策略

為了避免巖爆發生，在施工選址時必須盡量避免易發生巖爆的熱地應力集中位置；如果實在無法避開，應盡量沿洞軸線以最大主力σ1的角度布置，以減少對內部殘余應力的影響，減少巖爆的烈度等級。目前，在地下具體工作過程中的巖爆防護技術一般包括如下三部分：

1.提高圍巖物理力學

例如，對掌子面的洞壁噴水，在適當高度上能夠減少對表層開挖區的水壓。采用超前開挖方式將巖體內高壓水均勻地澆注，通過以下三方面避免巖爆：一是可以有效釋放彈性應力能，并將最大的切向應力向巷道圍巖內部輸送；二是高壓灌注的楔劈效應可以軟化、降低巖體的硬度；三是高壓灌注可以產生新的張裂隙并使原有裂紋不斷擴展，從而降低巖體儲存彈性與拉伸應力能的能力。

2.改善圍巖應力條件

據挪威赫古拉高速公路巷道工程和中國318國道二郎山巷道等工程建設的經驗，對巖爆區段宜小進尺掘進，以減小用量，尤其要掌握光爆作用，以降低圍巖表面應力聚集情況。對輕微、中度的巖爆段，盡可能采取全部斷面一次開挖后成型的工藝方式，以降低對圍巖結構的影響。強烈巖爆地區在必要時也可采取上臺階的方式進行建筑施工，以減輕巖爆危害損失，施工中盡量減少因開挖時爆裂震動而引起連鎖性巖爆的危險；也可采取提前鉆進、后松動開挖爆破施工的方式，使巖體應力減小，將能量于建筑施工時排出。

3.采取合理的支護

局部支護方法：局部保護是降低開采區和井巷內的礦震和巖爆效應的一種主要措施，通常選擇的支護方式包括一般錨噴支護、鋼纖維噴錨支護、柔性鋼托架支撐、包括“錨噴網+柔性鋼托架”共同支撐等。事實表明，適當的填充量有效降低巖爆損傷，因此一般適宜的填充量應當為60%～70%。

區域支護技術：在深井礦山中設計區域保護可以避免巖爆的發生，設計區域保護主要是利用支撐的剛性和強度，降低采空區范圍的閉合度、作業面的內部應力及其因開采活動產生的礦震，因而提高采空區范圍的穩定性。通過設計固定礦柱，將開采活動中工作面前端的內部應力和開采區閉合度降低，使能量釋放度達到可承受的范圍。

七、結語

在高地應力環境下應對巖爆所采取的主要預防措施，采用中導洞或分塊、分層方式施工比全截面施工巖爆出現的可能性大大減小。在同樣的地質環境下，采用巖面灑水、打設應力釋放孔可顯著降低巖爆出現的可能性。加強項目初期保護，對防止巖爆的損傷作用尤其顯著。同時項目預防措施的開展也達到預期目標，對此類工程也產生相應的參考價值。

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