巖爆知識科普系列-----1

巖爆的預防及處理

  隨著地下工程越來越多，開挖深度越來越深，地壓問題逐步凸顯出來，巖爆現象時有發生，由中國科學院武漢巖土所和湖北海震科創技術有限公司打造的中科微震監測系統在一些工程中獲得了廣泛的應用，為巖爆的預防起到了相應的作用，下面和大家分享一些巖爆方面的知識和經驗。

（1）巖爆產生條件

① 近代構造活動山體內地應力較高，巖體內儲存著很大的應變能；

② 圍巖新鮮完整，裂隙極少或僅有隱裂隙，屬堅硬脆性介質，能夠儲存能量，而其變形特性屬于脆性破壞類型，應力解除后，回彈變形很小；

③ 具有足夠的上覆巖體厚度，一般均遠離溝谷切割的卸荷裂隙帶，埋藏深度多大于200m；

④ 無地下水，巖體干燥；

⑤ 開挖斷面形狀不規則，造成局部應力集中。

⑥ 在溶孔較多的巖層里，則一般不會發生巖爆。

（2）巖爆的特點

隧洞內的巖爆一般具有以下特點：

① 在未發生前，并無明顯的征兆，雖經過仔細尋找，并無空響聲，一般認為不會掉落石塊的地方，也會突然發生巖石爆裂聲響，石塊有時應聲而下，有時暫不墜下。

② 巖爆發生的地點多在新開挖的工作面附近，個別的也有距新開挖工作面較遠，常見的巖爆部位以拱部或拱腰部位為多；巖爆在開挖后陸續出現，多在爆破后的2～3小時，24小時內最為明顯，延續時間一般1～2個月，有的延長1年以上，事前一般無明顯預兆。

③ 巖爆時圍巖破壞的規模，小者幾厘米厚，大者可多達幾十噸重。石塊由母巖彈出，小者形狀常呈中間厚、周邊薄、不規則的片狀脫落，脫落面多與巖壁平行。

④ 巖爆圍巖的破壞過程，一般新鮮堅硬巖體均先產生聲響，伴隨片狀剝落的裂隙出現，裂隙一旦貫通就產生剝落或彈出，屬于表部巖爆；在強度較低的巖體，則在離隧洞掌子面以里一定距離產生，造成向洞內臨空面沖擊力量，這種巖爆屬于深部沖擊型。

（3）巖爆的現場預測預報

①地形地貌分析法及地質分析法

認真查看其地形地貌，對該區的地形情況有一個總體的認識，在高山峽谷地區，谷地為應力高度集中區，另外根據地質報告資料初步確定輔助洞施工期間可能遇到的地應力集中和地應力偏大的地段。

依據地質理論，在地殼運動的活動區有較高的地應力，在地區上升劇烈，河谷深切，剝蝕作用很強的地區，自重應力也較大。

②微震監測法

主要利用巖石臨近破壞前有震動現象這一結果，通過微震監測系統對巖石內部的情況進行檢測，該方法的基本參量是能率E和大事件數頻度N，它們在一定程度上反映出巖體內部的破裂程度和應力增長速度。這種預報方法是最直接的，也是最有效的。

③鉆屑法（巖芯餅化法）

這種方法是通過對巖石鉆孔進行，可在進行超前預報鉆孔的同時，對鉆出的巖屑和取出的巖芯進行分析；對強度較低的巖石，根據鉆出巖屑體積大小與理論鉆孔體積大小的比值來判斷巖爆趨勢。在鉆孔過程中有時還可以獲得如爆裂聲、磨察聲和卡鉆現象等輔助信息來判斷巖爆發生的可能性。

④地溫法

采用紅外線測溫儀，若地溫接近正常埋深地溫，說明地下水滲流弱，圍巖干燥無水，則產生巖爆的可能性較大。

以上幾種方法在實際施工過程中要綜合應用，相輔相成互相印證，方能對巖爆的發生進行準確的預報。

（4）巖爆防治措施

①改善圍巖應力

這種方法主要是降低圍巖應力是圍巖應力小于圍巖強度，避免巖爆的發生。在施工中主要采取如下措施：

（1）在洞身開挖爆破時，采用“短進尺、多循環”，采用光面爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動，改善圍巖應力狀態。

選擇合適的開挖斷面形式，也可改善圍巖應力狀態。

應力解除法：通過打設超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區，從而使動壁和掌子面應力降低，使高應力轉移至圍巖深部，施工時可在掌子面上打設5～6個超前鉆孔，深15～20m左右，既可以起到超前鉆探地質的作用，又可以起到釋放掌子面應力的作用。超前鉆孔的布置形式及參數與地質預測預報孔相同。

3改善圍巖性質

在施工過程中，可采取對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度。但這種方法在隧道施工中一般對隧道圍巖的穩定有一定的影響。

4對圍巖進行加強支護和超前支護加固

其作用有兩個：改善掌子面及1～2倍洞徑洞段內圍巖的應力狀態，由于支護的作用不但改變了應力大小的分布，而且還使洞壁從單維應力狀態變為三維應力狀態。

擬采用的加固辦法有：錨桿和超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐，二次襯砌。這種方法是施工中最為常用的，因此施工過程中，在易發生巖爆的地段，要采取錨桿、超前錨桿支護、錨噴砼支護、鋼纖維噴砼支護、鋼支撐等多種支護方法有效的組合在一起來防止巖爆的發生。

5巖爆段施工技術

針對隧道的地質特征，在施工中可能出現巖爆的地段應采取積極主動的預防措施和強有力的施工支護，確保巖爆地段的施工安全，將巖爆發生的可能性及巖爆的危害降到最低。在高應力地段施工中可采用以下技術措施：

① 在施工前，針對已有勘測資料，首先進行概念模型建模及數學模型建模工作，通過三維有限元數值運算、反演分析以及對隧道不同開挖工序的模擬，初步確定施工區域地應力的數量級以及施工過程中哪些部位及里程容易出現巖爆現象，優化施工開挖和支護順序，為施工中巖爆的防治提供初步的理論依據。

② 在施工過程中，加強超前地質探測，預報巖爆發生的可能性及地應力的大小。采用上述超前鉆探、微震監測、地溫探測方法，同時利用隧道內地質編錄觀察巖石特性，將幾種方法綜合運用判斷可能發生巖爆高地應力的范圍。

③打設超前鉆孔轉移隧道掌子面的高地應力或注水降低圍巖表面張力超前鉆孔可以利用鉆探孔，在掌子面上利用地質鉆機或液壓鉆孔臺車打設超前鉆孔，鉆孔直徑為45mm，每循環可布置4～8個孔，深度5～10m，必要時也可以打設部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向應垂直巖面，間距數十厘米，深度1～3m不等。必要時，若預測到的地應力較高，可在超前探孔中進行松動爆破或將完整巖體用小炮震裂，或向孔內壓水，以避免應力集中現象的出現。

④在施工中應加強監測工作，通過對圍巖和支護結構的現場觀察、通過對輔助洞拱頂下沉、兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計讀數的變化，可以定量化地預測滯后發生的深部沖擊型巖爆，用于指導開挖和支護的施工，以確保安全。

⑤ 在開挖過程中采用“短進尺、多循環”，同時利用光面爆破技術，嚴格控制用藥量，以盡可能減少爆破對圍巖的影響并使開挖斷面盡可能規則，減小局部應力集中發生的可能性。在巖爆地段的開挖進尺嚴格控制在2.5m以內。

⑥ 加強施工支護工作

支護的方法是在爆破后立即向拱部及側壁噴射鋼纖維或塑料纖維混凝土，再加設錨桿及鋼筋網。必要時還要架設鋼拱架和打設超前錨桿進行支護。

襯砌工作要緊跟開挖工序進行，以盡可能減少巖層暴露的時間，減少巖爆的發生和確保人身安全，必要時可采取跳段襯砌。同時應準備好臨時鋼木排架等，在聽到爆裂響聲后，立即進行支護，以防發生事故。

⑦對發生巖爆的地段，可采取在巖壁切槽的方法來釋放應力。以降低巖爆的強度。

⑧在巖爆地段施工對人員和設備進行必要的防護，以保證施工安全。