巖爆與大變形專(zhuān)題

1、 大量的國(guó)內(nèi)外地下工程實(shí)例表明，在滿(mǎn)足高大量的國(guó)內(nèi)外地下工程實(shí)例表明，在滿(mǎn)足高或極高地應(yīng)力水平條件下，在特殊不良地質(zhì)區(qū)段或極高地應(yīng)力水平條件下，在特殊不良地質(zhì)區(qū)段修建隧道時(shí)，施工中將會(huì)遇到硬巖中的巖爆，以修建隧道時(shí)，施工中將會(huì)遇到硬巖中的巖爆，以及軟巖中的大變形破壞等工程災(zāi)害。因此在工程及軟巖中的大變形破壞等工程災(zāi)害。因此在工程技術(shù)上有許多難點(diǎn)問(wèn)題需要解決。事實(shí)上近幾十技術(shù)上有許多難點(diǎn)問(wèn)題需要解決。事實(shí)上近幾十年來(lái)年來(lái), 隨著礦山開(kāi)采隨著礦山開(kāi)采, 隧道工程隧道工程, 水利水電水利水電, 軍工建軍工建設(shè)等地下工程的大型化發(fā)展，因巖爆和大變形造設(shè)等地下工程的大型化發(fā)展，因巖爆和大變形造成的圍巖穩(wěn)

2、定性破壞，已經(jīng)客觀的構(gòu)成了高地應(yīng)成的圍巖穩(wěn)定性破壞，已經(jīng)客觀的構(gòu)成了高地應(yīng)力區(qū)兩大最嚴(yán)重的地下工程災(zāi)害力區(qū)兩大最嚴(yán)重的地下工程災(zāi)害, 這種工程上的這種工程上的客觀要求是本項(xiàng)科題研究的主導(dǎo)因素?？陀^要求是本項(xiàng)科題研究的主導(dǎo)因素。 本文以秦嶺長(zhǎng)大隧道為依托工程，圍本文以秦嶺長(zhǎng)大隧道為依托工程，圍繞秦嶺隧道高地應(yīng)力區(qū)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研繞秦嶺隧道高地應(yīng)力區(qū)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。主要包括以下幾方面的內(nèi)容：究。主要包括以下幾方面的內(nèi)容： 1、秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)和高地應(yīng)力地、秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)和高地應(yīng)力地段的判定，段的判定，2、巖爆問(wèn)題：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道工程施、巖爆問(wèn)題：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道工程施工中所發(fā)生典型

3、巖爆實(shí)例的統(tǒng)計(jì)、分析與工中所發(fā)生典型巖爆實(shí)例的統(tǒng)計(jì)、分析與歸納，闡明巖爆發(fā)生的基本條件；歸納，闡明巖爆發(fā)生的基本條件； 3、工程應(yīng)用：將本文提出的巖爆發(fā)生判、工程應(yīng)用：將本文提出的巖爆發(fā)生判據(jù)應(yīng)用于秦嶺隧道據(jù)應(yīng)用于秦嶺隧道II線(xiàn)出口段發(fā)生巖爆的線(xiàn)出口段發(fā)生巖爆的地質(zhì)區(qū)段，進(jìn)行工程驗(yàn)證，結(jié)果很好。地質(zhì)區(qū)段，進(jìn)行工程驗(yàn)證，結(jié)果很好。4、巖爆治理：歸納巖爆的類(lèi)型、性質(zhì)和、巖爆治理：歸納巖爆的類(lèi)型、性質(zhì)和特點(diǎn)，提出合理有效的工程理技術(shù)措施。特點(diǎn)，提出合理有效的工程理技術(shù)措施。5、大變形問(wèn)題：結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，、大變形問(wèn)題：結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，闡明大變形現(xiàn)象的特征，闡明大變形現(xiàn)象的特征，提出大變形

4、的分提出大變形的分級(jí)和預(yù)測(cè)方法，以及治理大變形的工程措級(jí)和預(yù)測(cè)方法，以及治理大變形的工程措施。施。 一般說(shuō)，巖爆和大變形的發(fā)生都與地應(yīng)力場(chǎng)一般說(shuō)，巖爆和大變形的發(fā)生都與地應(yīng)力場(chǎng)的演變有關(guān)。因此的演變有關(guān)。因此,在說(shuō)明巖爆和大變形工程現(xiàn)在說(shuō)明巖爆和大變形工程現(xiàn)象之前，首先，應(yīng)對(duì)秦嶺隧道的地應(yīng)力場(chǎng)的基象之前，首先，應(yīng)對(duì)秦嶺隧道的地應(yīng)力場(chǎng)的基本變化情況給以說(shuō)明。本變化情況給以說(shuō)明。（一）、秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)分析（一）、秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)分析 秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)在沒(méi)有實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)秦嶺隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)在沒(méi)有實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)的情況下，最可靠的方法是采用對(duì)既有工程的的情況下，最可靠的方法是采用對(duì)既有工程的

5、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而后根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析式實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而后根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析式進(jìn)行判定的方法。我們根據(jù)進(jìn)行判定的方法。我們根據(jù)276個(gè)國(guó)內(nèi)外地下工個(gè)國(guó)內(nèi)外地下工程的地應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得程的地應(yīng)力場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得以下結(jié)果。以下結(jié)果。 垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力v=1.88+0.0244H (r=0.965) 平均水平應(yīng)力平均水平應(yīng)力h avg=10.276+0.0182H (r=0.7812) 最大水平應(yīng)力最大水平應(yīng)力h max=13.763+0.0211H (r=0.7839) 最小水平應(yīng)力最小水平應(yīng)力h min=6.464+0.0146H (r=0.8206) 平均水平

6、應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比在下式范圍之內(nèi)：平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比在下式范圍之內(nèi)： 150/H+0.50 C 1000/H+0.80 式中，式中， H 埋藏深度埋藏深度(m) v 垂直應(yīng)力垂直應(yīng)力(MPa) h avg平均水平應(yīng)力平均水平應(yīng)力(MPa) h max最大水平應(yīng)力最大水平應(yīng)力(MPa) h min最小水平應(yīng)力最小水平應(yīng)力(MPa) C=h avg/v側(cè)壓力系數(shù)側(cè)壓力系數(shù) 根據(jù)上述公式?jīng)Q定的地應(yīng)力場(chǎng)，沿隧道縱向根據(jù)上述公式?jīng)Q定的地應(yīng)力場(chǎng)，沿隧道縱向分布如圖分布如圖1所示。所示。 1、高地應(yīng)力判據(jù)、高地應(yīng)力判據(jù) 為了確定出秦嶺隧道沿縱向分布的高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力地段，本文采用了國(guó)標(biāo)工程巖體分

7、級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94)所建議的劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分類(lèi)。其判據(jù)表達(dá)式為： 極高地應(yīng)力：Rc/max Rc/max 4 式中，Rc為巖石的抗壓強(qiáng)度，而max為最大地應(yīng)力值。顯然，Rc/max的值越小，說(shuō)明地應(yīng)力水平越高。區(qū)分高或極高地應(yīng)力水平的界限是： Rc/max = 4。 2、巖石抗壓強(qiáng)度指標(biāo)、巖石抗壓強(qiáng)度指標(biāo)Rc的確定的確定 1）勘測(cè)階段）勘測(cè)階段Rc確定確定 方法：在隧道通過(guò)的軸線(xiàn)部位共完成60m607m不同深度的鉆孔10個(gè)，并在孔中取巖樣共51組進(jìn)行巖石的常規(guī)物理力學(xué)及巖石縱波速度的測(cè)試。然后進(jìn)行了歸納和統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，分（4個(gè)）區(qū)段提出隧道穿越，主要巖樣（三種）的物理力學(xué)指標(biāo)(詳

8、見(jiàn)表1)。 結(jié)果：第一段巖石干抗壓強(qiáng)度范圍值是122.1137Mpa，平均值分別為107.6MPa。第二段巖石干抗壓強(qiáng)度范圍值是122.1162.46Mpa，平均值為147.1Mpa。第四段巖石干抗壓強(qiáng)度范圍值是117192.2MPa，平均值為162.3Mpa。第 三 段 的 混 合 片 麻 巖 干 抗 壓 強(qiáng) 度 范 圍 值 是105.3325.0Mpa，平均值為195.0Mpa。 2 2）施工階段）施工階段RcRc確定確定 平導(dǎo)施工綜合地質(zhì)測(cè)試階段在平導(dǎo)內(nèi)取巖樣37組，其中第一段混合片麻巖8組，第二段混合花崗巖4組，第三段混合片麻巖17組，第四段含綠色礦物混合花崗巖3組。蝕變閃長(zhǎng)巖2組，碎

9、裂巖3組。獲得結(jié)果：第一段混合片麻巖干抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍值是99.8148.3MPa，平均值分別為122.2MPa。第二段混合花崗巖干抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍值是152.7208.9MPa，平均值分別為173.3MPa。第三段混合片麻巖干抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍值是82.6302.1MPa，平均值分別為154MPa。第四段含綠色礦物混合花崗巖干抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍值是141.7226.5MPa，平均值分別為170.5MPa。 3 3、秦嶺隧道高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力地段分布、秦嶺隧道高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力地段分布 如圖2所示，秦嶺隧道沿縱向高地應(yīng)力和極高地應(yīng)力地段的分布情況。從中可以看出，秦嶺隧道在整體上具有高地應(yīng)力分布

10、的特點(diǎn)，其范圍達(dá)到隧道全長(zhǎng)的95%，而在隧道中部還呈現(xiàn)出大范圍（占隧道全長(zhǎng)的52%）的極高地應(yīng)力分布，并且向兩邊延展，逐漸降低到高地應(yīng)力及其以下地應(yīng)力水平。 秦嶺隧道所呈現(xiàn)出高地應(yīng)力水平分布狀況，將會(huì)在滿(mǎn)足一定條件下，引起圍巖發(fā)生巖爆，這是很自然的。 事實(shí)上，秦嶺隧道II線(xiàn)已發(fā)生巖爆的工程實(shí)例表明，在進(jìn)、出口兩端，當(dāng)隧道平導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)入極高地應(yīng)力區(qū)域（見(jiàn)圖2）后，分別在里程DYK64+370 DYK73+875和 DYK77+735+854大約4100m的范圍內(nèi)，相繼發(fā)生了大規(guī)模的長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)性巖爆，這一結(jié)果顯然與秦嶺隧道“具有大范圍的高或極地應(yīng)力的分布”是有很大關(guān)系的。 一般的，我們認(rèn)為一般的，

11、我們認(rèn)為“巖爆巖爆”的發(fā)生需要滿(mǎn)足的發(fā)生需要滿(mǎn)足工工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94)(GB50218-94)規(guī)定：規(guī)定：Rc/Rc/max max 4 4，即需要滿(mǎn)足一倍以上高地應(yīng)力的條件；這是最基本的即需要滿(mǎn)足一倍以上高地應(yīng)力的條件；這是最基本的巖爆發(fā)生要素。但究竟是否發(fā)生巖爆，還要受到其他巖爆發(fā)生要素。但究竟是否發(fā)生巖爆，還要受到其他多種要素的影響和制約（如巖層的完整性、堅(jiān)硬程度多種要素的影響和制約（如巖層的完整性、堅(jiān)硬程度等），這也是顯然的。圍繞巖爆問(wèn)題，目前已提出諸等），這也是顯然的。圍繞巖爆問(wèn)題，目前已提出諸多理論，如：強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊多理論，如

12、：強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、擴(kuò)容理論、失穩(wěn)理論、表面失穩(wěn)理論等傾向性理論、擴(kuò)容理論、失穩(wěn)理論、表面失穩(wěn)理論等。本文從工程實(shí)際的角度出發(fā)，在收集和分析國(guó)內(nèi)外。本文從工程實(shí)際的角度出發(fā)，在收集和分析國(guó)內(nèi)外巖爆發(fā)生的工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，對(duì)巖爆發(fā)生的基本條巖爆發(fā)生的工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，對(duì)巖爆發(fā)生的基本條件和規(guī)律進(jìn)行分析和研究，這是十分必要的。件和規(guī)律進(jìn)行分析和研究，這是十分必要的。 表表3列出國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生巖爆的一些隧列出國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生巖爆的一些隧道工程的概況，從中對(duì)巖爆發(fā)生的條件，道工程的概況，從中對(duì)巖爆發(fā)生的條件，或許可以找出一些可供參考的規(guī)律。表或許可以找出一些可供參考的規(guī)律。表

13、1中中參數(shù)參數(shù)c 表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度；表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度；Is表示點(diǎn)表示點(diǎn)荷載強(qiáng)度；荷載強(qiáng)度；max 和和min 分別表示地應(yīng)力分別表示地應(yīng)力的最小值和最大值。的最小值和最大值。 通過(guò)對(duì)已發(fā)生巖爆地下工程的施工調(diào)查，可初通過(guò)對(duì)已發(fā)生巖爆地下工程的施工調(diào)查，可初步歸納出以下幾點(diǎn)：步歸納出以下幾點(diǎn)： 1、從開(kāi)挖的坑壁，巖塊迅速射出。嚴(yán)重時(shí)，整個(gè)掌、從開(kāi)挖的坑壁，巖塊迅速射出。嚴(yán)重時(shí)，整個(gè)掌 子面瞬間壓壞；子面瞬間壓壞； 2、在世界各地的深礦山中經(jīng)常發(fā)生；、在世界各地的深礦山中經(jīng)常發(fā)生； 3、在非常深的礦山中，也有襯砌瞬間破壞的情況。、在非常深的礦山中，也有襯砌瞬間破壞的情況。 此時(shí)，多是由于附

14、近的礦山開(kāi)挖所致；此時(shí)，多是由于附近的礦山開(kāi)挖所致； 4、在、在700以上埋深的情況發(fā)生的居多。在淺層的也以上埋深的情況發(fā)生的居多。在淺層的也 有發(fā)生的實(shí)例；有發(fā)生的實(shí)例； 5、視巖質(zhì)情況發(fā)生的方式不同。例如，日本清水嶺、視巖質(zhì)情況發(fā)生的方式不同。例如，日本清水嶺 下的四座隧道，關(guān)越隧道在頁(yè)巖中就沒(méi)有發(fā)生，下的四座隧道，關(guān)越隧道在頁(yè)巖中就沒(méi)有發(fā)生， 而在石英閃長(zhǎng)巖中則發(fā)生多次；而在石英閃長(zhǎng)巖中則發(fā)生多次； 6、有涌水時(shí)不發(fā)生；、有涌水時(shí)不發(fā)生； 7、與地層的方向、節(jié)理、夾層等強(qiáng)烈相關(guān)，例如順、與地層的方向、節(jié)理、夾層等強(qiáng)烈相關(guān)，例如順 層的情況下發(fā)生較多；層的情況下發(fā)生較多； 8、爆落塊的大小

15、各式各樣，但多是偏平的；、爆落塊的大小各式各樣，但多是偏平的； 9、掌子面附近的巖爆發(fā)生較多，掌子面打錨桿后可、掌子面附近的巖爆發(fā)生較多，掌子面打錨桿后可 防止巖爆；防止巖爆； 10、在同等地質(zhì)條件下，采用掘進(jìn)機(jī)（、在同等地質(zhì)條件下，采用掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工）施工 的發(fā)生少，的發(fā)生少， 采用礦山法施工的發(fā)生多。采用礦山法施工的發(fā)生多。 在隧道勘測(cè)、設(shè)計(jì)階段，根據(jù)揭示的地在隧道勘測(cè)、設(shè)計(jì)階段，根據(jù)揭示的地質(zhì)條件應(yīng)該對(duì)巖爆的發(fā)生與否，有一個(gè)基本質(zhì)條件應(yīng)該對(duì)巖爆的發(fā)生與否，有一個(gè)基本判斷。判斷。 因此，一些國(guó)家對(duì)此曾提出相應(yīng)的基準(zhǔn)，因此，一些國(guó)家對(duì)此曾提出相應(yīng)的基準(zhǔn)，一些研究成果也提出若干建議。這些

16、規(guī)定和一些研究成果也提出若干建議。這些規(guī)定和建議可以作為判定巖爆發(fā)生的大致基準(zhǔn)。建議可以作為判定巖爆發(fā)生的大致基準(zhǔn)。 瑞士的SIA198號(hào)巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：第1類(lèi)巖體有巖爆，其基本條件是：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度c 100MPa、內(nèi)摩擦角40、粘結(jié)力C 2.0MPa。 挪威學(xué)者Bardon 提出如下判據(jù)： c /max =52.5 t /max = 0.330.16 輕微巖爆 c /max 5 t /max = 0.16 強(qiáng)烈?guī)r爆 我國(guó)“工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定：在極高應(yīng)力和高應(yīng)力條件下可發(fā)生巖爆。 極高應(yīng)力條件是c /max 80MPa(至少60MPa) 表3實(shí)例中的巖石單軸抗壓強(qiáng)度至少在6080MP

17、a以上，多數(shù)超過(guò)100MPa。這說(shuō)明在巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于6080MPa的巖石中發(fā)生巖爆的可能性是不大的。也就是說(shuō)，巖爆基本上是在堅(jiān)硬的硬巖體中發(fā)生的。 2、巖質(zhì)和巖性：堅(jiān)硬、脆性 在列舉的工程實(shí)例中，巖爆多數(shù)發(fā)生在石英巖、花崗巖、正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、大理巖、花斑狀大理巖、片麻巖等巖體中。 這些巖體的共同力學(xué)特性是脆性的巖體。即達(dá)到峰值強(qiáng)度后，巖石急劇斷裂。這可用巖石的脆性度表示。巖石的脆性指數(shù)是巖石峰值強(qiáng)度前的總變形與永久變形之比。并且比值越大，脆性越高。 表4 巖石脆性指數(shù)與巖爆的關(guān)系巖石脆性指數(shù)043.55.557.87巖爆發(fā)生強(qiáng)度無(wú)弱中等嚴(yán)重 3、巖體結(jié)構(gòu)：完整或基本完整 在列

18、舉的工程實(shí)例中，巖體結(jié)構(gòu)大都是完整的和比較完整的。因?yàn)?，完整和比較完整的巖體，積聚有很大的彈性應(yīng)變能量。這是發(fā)生巖爆的必要條件之一。 4、地應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力值：max 和min 地應(yīng)力值是表示巖體內(nèi)積聚彈性應(yīng)變能的具體指標(biāo)。一般說(shuō),地應(yīng)力在巖體中是三維存在的。但為簡(jiǎn)單計(jì)，在一般情況下可用地應(yīng)力中最大值表示。即最大地應(yīng)力值越大，積聚彈性應(yīng)變能越大。當(dāng)巖石峰值強(qiáng)度前的彈性應(yīng)變能積聚量達(dá)到巖石巖爆臨界彈性能時(shí)，就將發(fā)生巖爆。因此可用下述指標(biāo)判定巖爆發(fā)生強(qiáng)度。 max 0.25c 嚴(yán)重巖爆 max =0.150.25c 中等巖爆 max 1.35作為巖爆發(fā)生的一個(gè)判據(jù)。 5、 巖爆的發(fā)生與坑道輪廓的平整度

19、有關(guān)，例如在上述地質(zhì)條件下，采用掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工的隧道，就可能不發(fā)生巖爆，而采用鉆爆法施工的隧道就會(huì)經(jīng)常發(fā)生巖爆。這是因?yàn)殂@爆法在坑道輪廓上造成的超欠挖所致，而超欠挖所會(huì)造成圍巖局部高度應(yīng)力集中。并導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。 隧道內(nèi)表面的凹凸不平，對(duì)巖爆的發(fā)生也具有一定的影響。因此，控制超欠挖也是控制巖爆發(fā)生的重要措施。 (四四)、 工程應(yīng)用工程應(yīng)用 根據(jù)上文分析提出的巖爆發(fā)生的基本條件，對(duì)目前正在施工的西康線(xiàn)秦嶺隧道出口段II線(xiàn)平導(dǎo)所發(fā)生巖爆的區(qū)段進(jìn)行了驗(yàn)證。西康線(xiàn)秦嶺隧道分為I線(xiàn)、II線(xiàn)，其中II線(xiàn)采用鉆爆法施工，I線(xiàn)采用掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工。 表5給出秦嶺隧道II線(xiàn)發(fā)生巖爆區(qū)段的地質(zhì)狀況。 需

20、要指出的是，在隧道開(kāi)挖前這一地段(里程為DK77+735+854)被認(rèn)為是“不發(fā)生巖爆”的，因?yàn)榘凑誃arton判據(jù)發(fā)生巖爆需滿(mǎn)足最小值max /c0.2的臨界條件。結(jié)合本文提出的巖爆發(fā)生基本條件，進(jìn)行重新考察，和得到max /c =0.150.1520.15，它滿(mǎn)足本文提出巖爆發(fā)生臨界最小值條件，這種情況與該地段現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的“輕度”巖爆很好地吻合。表5 秦嶺隧道II線(xiàn)巖爆發(fā)生區(qū)段地質(zhì)狀況 里程里程埋埋 深深m巖質(zhì)、巖性、種類(lèi)巖質(zhì)、巖性、種類(lèi)圍巖類(lèi)別、圍巖類(lèi)別、結(jié)構(gòu)完整性結(jié)構(gòu)完整性力學(xué)參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力水平地應(yīng)力水平/MpaDYK77+735+854570620堅(jiān)硬、脆性、片麻堅(jiān)硬、脆性、片

21、麻巖巖VI類(lèi)、類(lèi)、完整性好完整性好c =145, max =21.722.21、 巖爆的類(lèi)型、性質(zhì)和特點(diǎn)巖爆的類(lèi)型、性質(zhì)和特點(diǎn) 在埋深大的圍巖內(nèi)開(kāi)挖隧道或礦山時(shí)，巖石會(huì)從側(cè)壁、拱頂或開(kāi)挖面，伴隨聲響飛出。這種現(xiàn)象叫做巖爆。這是因開(kāi)挖隧道形成的應(yīng)力集中，超過(guò)巖石單軸抗壓強(qiáng)度，再加上表面不光滑的應(yīng)力集中所致。巖爆的機(jī)理，尚未明確。 但認(rèn)為是由巖石的拉伸破壞的人不少。但也有問(wèn)題。要使產(chǎn)生破壞的拉應(yīng)力發(fā)生，在巖石中就必需有弱點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在沒(méi)有弱點(diǎn)的整體巖層中，更易發(fā)生巖爆。而且，其破裂面與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系不大。 因此，目前認(rèn)為巖爆是由壓力產(chǎn)生的剪切破壞所致的較多。巖爆是因壓力顯著集中，超過(guò)周邊圍巖的抗壓

22、強(qiáng)度所引起；另外切入效果也頗引人注意。 巖爆是巖體中聚積的高彈性應(yīng)變能的一種具有代表性的釋放現(xiàn)象。巖爆是突發(fā)性的，巖體急劇破壞，巖片由巖體表面上突然地飛出，而且，大部分發(fā)生在掌子面附近和邊墻上，與塌方、塌頂有明顯不同。 巖爆的特征可從多個(gè)角度去描述，目前，主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得到的巖爆特征,考慮巖爆危害方式、危害程度以及對(duì)其防治對(duì)策等因素，分為以下幾類(lèi)： 1）、破裂松脫型 圍巖成塊狀、版狀、鱗片狀，爆裂聲響微弱，彈射距離很小，巖壁上形成破裂坑。破裂坑的深度，主要受?chē)鷰r應(yīng)力和強(qiáng)度的控制。 2）、爆裂彈射型 巖片彈射及巖粉噴射，爆裂聲響如同槍聲，彈射巖片體積一般不超過(guò)1/3m3 ，直徑510cm。

23、洞室開(kāi)鑿后，一般出現(xiàn)片狀巖石彈射，崩落或成筍皮狀的薄片剝落，巖片的彈射距離一般為25m。巖塊多為中間厚，周邊薄的菱形巖片。 3）、爆炸拋射型 巖爆發(fā)生時(shí)，巨石拋射，其聲響如同炮彈爆炸。拋射巖塊的體積數(shù)從1m3 到數(shù)10m3，拋射距離從幾m到1020m。 此外，還有沖擊地壓型，遠(yuǎn)圍巖地震型，斷裂地震型等，但隧道施工中很少遇到。 2、 巖爆治理的技術(shù)措施巖爆治理的技術(shù)措施 通過(guò)大量的工程實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)的積累，目前已有許多行之有效的治理巖爆的措施。歸納起來(lái)有：加固圍巖、防護(hù)措施、完善施工方法、改善圍巖應(yīng)力條件及改變圍巖性質(zhì)等。 1）、圍巖加固措施是指對(duì)已經(jīng)開(kāi)挖洞室周邊進(jìn)行加固以及掌子面前超前加固，可改善

24、掌子面本身以及0.53倍洞室直徑范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，使得洞室周邊巖體應(yīng)力狀態(tài)從兩向變?yōu)槿?，并具有防護(hù)作用，以防止彈射、塌落等事故。從工程實(shí)例來(lái)看，目前采取的加固治理措施大致有以下幾種： 2）、噴射混凝土或鋼纖維混凝土； 噴射混凝土法能將未清除干凈的小塊石粘結(jié)在一起，還能防止錨桿之間巖石碎片飛出；及時(shí)起到降低巖爆強(qiáng)度的作用。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可采用噴射鋼纖混凝土來(lái)增強(qiáng)柔性，以減少猛烈?guī)r爆的傾向，從而有效的阻止巖體發(fā)生較大的變形及表面開(kāi)裂。 3）、系統(tǒng)錨桿 其主要作用是防止洞室周邊及掌子面巖體劈裂、剝落、巖塊塌落。施作方法是在拱頂處布置系統(tǒng)錨桿，當(dāng)掌子面發(fā)生巖爆時(shí)，須向掘進(jìn)前方打

25、超前錨桿對(duì)掌子面進(jìn)行加固，錨桿長(zhǎng)度一般為兩倍的爆破進(jìn)尺距離。在一個(gè)循環(huán)的爆破之后仍有一部分錨桿存留在巖體中，對(duì)掌直面起著加固作用。這就是行之有效的膨脹錨桿(Swellex Bolt)治理隧道巖爆的原理。 圖 5 采用膨脹錨桿防止巖爆實(shí)施的四個(gè)階段 如圖5所示為采用膨脹錨桿控制掌子面的施工過(guò)程。24根4m長(zhǎng)的錨桿安設(shè)在掌子面上，每一循環(huán)鉆爆進(jìn)尺深度為1.5m，錨桿在爆破時(shí)被截?cái)啵杂屑s2/3的桿體存留以保持掌子面的穩(wěn)定，這使得下一個(gè)循環(huán)鉆眼作業(yè)不受巖爆的影響。掌子面在安設(shè)錨桿之后同樣也施作混凝土。在發(fā)生巖爆的情況下，支護(hù)必須能夠屈服，通常錨桿破壞是由于超載而使其喪失承載力。巖爆可能產(chǎn)生相當(dāng)大的

26、瞬時(shí)荷載作用在錨桿上，因此非屈服錨桿則會(huì)被破壞，而屈服錨桿則可以滑移并且約束巖塊的變形，當(dāng)變形終止時(shí)，仍然保持相當(dāng)?shù)募s束力。 在某些特殊情況下，如巖爆發(fā)生頻繁且較劇烈，通常采用鋼絲網(wǎng)或鋼支撐配合錨噴支護(hù)進(jìn)行加固。 如上所述，按著巖爆的程度不同，可分為三種情況來(lái)處理：vl巖石剝落，破壞不嚴(yán)重：在掌子面上噴射混凝土，安設(shè)摩擦型錨桿，按要求使用墊板。錨桿長(zhǎng)度應(yīng)為2倍循環(huán)進(jìn)尺。vl中等程度的巖爆：噴射混凝土，布置系統(tǒng)的摩擦型錨桿。錨桿長(zhǎng)度要求2倍進(jìn)尺深度。在錨桿墊板與巖面之間加設(shè)木板。vl劇烈的巖爆：系統(tǒng)布置摩擦型錨桿，加鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土。 4）、改善圍巖應(yīng)力條件 從強(qiáng)度理論分析，巖爆是一種破壞，伴

27、隨著破壞釋放能量而造成震動(dòng)、拋突、塌落、堵塞等災(zāi)害，若能使圍巖應(yīng)力小于其強(qiáng)度就不會(huì)發(fā)生巖爆，要達(dá)到此目的，可以從設(shè)計(jì)與施工的角度采取下述辦法。 在選擇隧道及其地下結(jié)構(gòu)物的位置時(shí)，應(yīng)盡量布置使其長(zhǎng)軸方向與最大主應(yīng)力方向平行，這樣做可以減小洞室周邊的切向應(yīng)力。 在設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的開(kāi)挖斷面形狀，如半圓形、橢圓形等近似圓形的斷面形狀，以改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，特別是降低開(kāi)挖后引起的不均勻的應(yīng)力集中程度。 在施工過(guò)程中，宜采用斷進(jìn)尺和多循環(huán)來(lái)改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，這一點(diǎn)已被大量實(shí)踐所證實(shí)。 應(yīng)力解除法。在洞室開(kāi)挖之前，在圍巖內(nèi)部造成一個(gè)破碎帶，使巖體原始應(yīng)力釋放。以便減弱開(kāi)挖后的掌子面及洞室周邊圍巖應(yīng)力，使之不發(fā)

28、生巖爆或減弱巖爆的發(fā)生。 此法是從掌子面向前方打超前斜孔或在鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破形成一個(gè)低彈區(qū)，又稱(chēng)超前應(yīng)力解除法。超前應(yīng)力解除是在施工中，一邊應(yīng)力解除，一邊掘進(jìn)，已在許多工程中成功運(yùn)用，例如秦嶺隧道出口段II線(xiàn)就是其中一例。圖 6 超前應(yīng)力解除法示意圖 如圖6所示，超前應(yīng)力解除法示意圖。B為破碎帶寬度，k為安全距離，為爆破角，L為爆破長(zhǎng)度。 改變圍巖性質(zhì) 采用注水軟化的方法以改變圍巖的變形及強(qiáng)度特性，此法在秦嶺隧道出口段II線(xiàn)得到很好的運(yùn)用，它也是一種積極防止巖爆的主動(dòng)措施。 對(duì)于拱頂部位由巖爆所產(chǎn)生的松動(dòng)巖塊進(jìn)行清除，以保證施工安全。 （一）、（一）、 概述概述 根據(jù)國(guó)內(nèi)外隧道施工的實(shí)踐，在

29、下述條件下，施工過(guò)程中發(fā)生大變形工程現(xiàn)象，是必然的，正常的。vl 擠壓性圍巖的擠壓變形；vl 膨脹性圍巖的膨壓變形；vl 斷層破碎帶的松弛變形；vl 高地應(yīng)力條件下的軟弱圍巖的大變形等。 它們的共同特征是：斷面縮小、基腳下沉、拱腰開(kāi)裂、基底鼓起等。變形初期不僅變形的絕對(duì)值很大，而且位移速度也很大。如不加控制或控制不及時(shí),就會(huì)造成不可預(yù)計(jì)的后果。 例如我國(guó)寶中線(xiàn)的大寨嶺、老爺嶺、老頭溝隧道以及穿越煤系地層的家竹箐隧道等就出現(xiàn)了類(lèi)似的大變形的情況。給施工設(shè)計(jì)造成極大的難題。這種情況在國(guó)外的隧道施工中，也是屢見(jiàn)不鮮的。如日本的惠那山公路隧道、Tauern、Arlberg等隧道都是典型的工程事例。在修

30、建的二朗山隧道，在高地應(yīng)力條件下，于軟巖及斷層破碎帶等地段，也將會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的大變形現(xiàn)象，在工程的設(shè)計(jì)，施工過(guò)程中必需予以極大的關(guān)注。 但，應(yīng)該如何理解大變形這種工程現(xiàn)象?、大變形是如何產(chǎn)生的?、大變形發(fā)生的基本條件和規(guī)律是什麼?、各種工程措施控制大變形的工程效果如何?、 如何保證在大變形條件下，不遺留后患?、設(shè)計(jì)和施工應(yīng)采取的基本原則.等等一系列問(wèn)題，都需要認(rèn)真地加以研究和解決。而我國(guó)在治理隧道大變形現(xiàn)象上積累了一定的經(jīng)驗(yàn),如大寨嶺、家竹箐等隧道的治理工作。因此，總結(jié)和深化已經(jīng)取得的經(jīng)驗(yàn)，改善設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是十分必要的。（四）、大變形的治理（四）、大變形的治理 大變形的治理措施，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的施工經(jīng)驗(yàn)，歸納如下： 1、 加強(qiáng)穩(wěn)定撐子面的輔助措施 正面噴混凝土和錨桿； 打超前錨桿或鋼筋； 2、 加強(qiáng)基腳的措施，這是基本的，即首先要把底鼓和側(cè)壁的擠入控制住。 向底部地層注漿加固； 向兩側(cè)打底部錨桿； 支撐加底板及加勁肋； 設(shè)底部橫撐或臨時(shí)仰拱；3、 防止斷面擠入的措施 增打加長(zhǎng)錨桿；主要在兩側(cè)。錨桿長(zhǎng)度一定要深入到圍巖塑性區(qū)一定范圍內(nèi)才有效果； 設(shè)底部橫撐，打底部錨桿，修筑仰拱；這是極為重要的工程措施； 縮短臺(tái)階長(zhǎng)度，及早閉合； 下半斷