埋置较深的隧道工程,在高应力、脆性岩体中,由于施工爆破扰动原岩,岩体受到破坏,开挖面附近的岩体突然释放出潜能,产生脆性破坏,这时围岩表面出现爆裂声,随之有大小不等的片状岩块弹射剥落出来,这种现象称为岩爆。岩爆有时频繁出现,有时甚至会延续一段时间后才逐渐消失。岩爆不仅直接威胁作业人员与施工设备的安全,而且严重影响施工进度,增加工程造价。
1.隧道内岩爆的特点
(1)岩爆在未发生前并无明显的征兆,有些经研究认为不会掉落石块的地方,也会突然出现岩石爆裂声响,石块有时应声而下,有时暂不坠落,这是岩爆与塌顶和侧壁坍塌现象的明显区别。
(2)发生岩爆时,岩块自洞壁围岩母体弹射出来,一般呈中间厚边缘薄的不规则片状,且多为几厘米长宽的薄片,个别长宽达几十厘米。严重时,上吨重的岩石从拱部弹落,造成岩爆性塌方。
(3)岩爆发生的地点,多在新开挖工作面及其附近,也有距新开挖工作面较远处。岩爆发生的频率随暴露时间的延长而降低。一般岩爆发生在工作面开挖后的十余天之内,但是也有滞后一个月甚至数月发生的现象。
2.岩爆产生的主要条件
国内外的研究表明,地层的岩性条件和地应力的大小是是否会产生岩爆的两个决定性因素。从能量的角度来看,岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存到释放直至最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。因此,岩爆是否发生及其表现形式主要取决于岩体中是否储存了足够的能量、是否具有释放能量的条件及释放能量的方式等。
3.岩爆的防治措施
岩爆的产生取决于围岩的应力状态与围岩的岩性条件。在施工中控制和改变这两个因素就可能防止或延缓岩爆的发生。因此,防治岩爆发生的措施主要有两种:强化围岩、弱化围岩。(www.daowen.com)
(1)强化围岩的措施有很多,如喷射混凝土或喷钢纤维混凝土、锚杆加固、锚喷支护、锚喷网联合、钢支撑网喷联合和紧跟混凝土衬砌等,采取这些措施的目的是给围岩一定的径向约束,使围岩较快地从平面应力状态转向三维应力状态,以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。
(2)弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破法、排孔法、切缝法等。注水的目的是改变岩石的物理力学性质,降低岩石的脆性和储存能量的能力。后三者的目的是解除能量,使能量向有利的方向转化和释放。切缝法和排孔法能使能量向深层转移,使围岩内的应力,特别是切缝或排孔附近的切向应力显著降低。同时,围岩内所积蓄的弹性应变能也得以大幅度地释放,因而,可有效地防治岩爆。
4.岩爆地段隧道施工的注意事项
(1)若设有平行导坑,则平行导坑应掘进至超过正洞一定距离,以了解地质条件,分析可能发生岩爆的地段,以便于在正洞施工至相应地段时加强防治,采取必要措施。
(2)爆破应选用预先释放部分能量的方法,如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等,先将岩层的原始应力释放一些,以降低岩爆发生的概率。爆破应严格控制用药量,以尽可能减少对围岩的影响。
(3)根据岩爆发生的频率和规模,必要时应考虑缩短爆破循环进尺。初期支护和衬砌要紧跟开挖面,以尽可能减少岩层的暴露面和暴露时间,防止岩爆的发生。
(4)岩爆引起塌方时,应迅速将人员和机械撤到安全地段;采用摩擦型锚杆进行支护,增大初期锚固力;采用钢纤维喷射混凝土,抑制开挖面围岩的剥落;挂钢筋网或用钢支撑加固;充分做好岩爆现象观察记录;采用声波探测等技术加强监控。
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