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1、深埋隧洞典型岩爆案例分析,冯夏庭岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院武汉岩土力学研究所2013.08.10,全国防治煤矿冲击地压高端论坛，2013.8.10-11，哈尔滨,提纲一、受结构面控制的岩爆案例分析二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆案例分析三、底板开裂及上抬岩爆案例分析四、岩爆孕育过程的数值仿真分析五、基本认识与思考,一、受结构面控制的岩爆案例分析1.结构面对岩爆位置的控制SK9+2839+317极强岩爆(1128岩爆)结构面的存在导致排水洞SK9+2839+322开挖过程发生多次高等级岩爆,(TBM，2009),北,榀拱架严重变形,榀拱架断裂,榀拱架断裂,10月9日,SK9+3019+
2、322发生极强岩爆，导致掌子面处TBM刀盘被卡住，至10月26日仍然未清理完毕,11月6日17:52，SK9+292.2发生强烈岩爆，响声很大，导致TBM中心线再次出现偏移现象，其中水平为13.4mm，高差为8.9mm。SK9+2969+291(向掌子面前延伸1m)11月7日3:09刀盘内部、护盾内侧发生强烈岩爆，响声很大，导致TBM左侧锚杆钻机减速器及刹车等损坏，TBM再次卡机,护盾上部石渣,锚杆钻机,SK9+2919+289断面北侧拱肩,SK9+2929+290断面南侧腰线,SK9+2929+291断面顶拱,2009年11月7日强岩爆后，11月13日恢复掘进后两天(向前开挖不到4m)，即1
3、1月15日18:06和18:58SK9+2929+288再次发生极强岩爆，导致TBM再次卡机,2009年11月28日0:50左右,SK9+2839+317发生极强岩爆，爆坑深约58m，掌子面后方约30m范围的支护系统全部被毁损，TBM严重损坏，爆出岩块估计达400余方，导致7人死亡,8m,启示断裂、硬性结构面对岩爆孕育起到促进作用预防岩爆：加强断裂的预判仅靠支护是不够的间歇开挖低速率匀速开挖导洞+TBM扩挖开挖由断裂上盘向前推进,结构面对即时型岩爆孕育机制的影响,随着结构面条/组数的增加，岩爆孕育机制变得越发复杂：张拉事件比例降低，而剪切和混合事件的比例相对增加,二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆
4、案例分析1.上台阶开挖时滞型岩爆2011年8月29日SK4+9905+020发生中等时滞型岩爆，滞后开挖时间35天，滞后贯通掌子面（8月28日12:50）180m；岩爆破坏范围高24m，长30m，最大坑深0.9m支护：初喷+系统锚杆地质：T2b灰白色厚层状粗晶大理岩，岩体较完整，属类围岩,岩爆位置,微震活动特征：活跃平静再度活跃平静岩爆原因分析:(1)聚集了大量未得到充分释放的应变能，提供了能量基础(2)频繁受到附近掌子面，尤其是3-4-W掌子面的爆破扰动作用,岩爆段位于(X-3D，微震事件及掌子面分布,岩爆段位于-3DX0爆破扰动情况,微震事件随时间演化规律,2.下台阶开挖时滞型岩爆,岩爆段
5、支护情况：上断面：已完成系统锚杆，挂有钢筋网，并已喷射混凝土下断面：暂未支护,2387m,T2b,岩爆位置,微震事件随时间演化规律,横剖面图,10.29岩爆,原因分析：断层附近应力异常区上台阶开挖后，爆破扰动下，微震活动活跃，岩爆段聚集大量应变能钢筋网外露，系统支护未完全发挥作用落底开挖使应力发生再调整落底爆破扰动诱发应变能突然释放，导致岩爆,下台阶开挖开挖前：检查上断面岩体破坏情况，及支护效果，尤其是拱脚支护效果，对其进行综合分析后，根据需要进行必要的加强支护开挖时：采用机械施工，改进爆破工艺，控制每次爆破开挖方量开挖后：开挖通过后，密切关注原微震活动活跃区域岩体稳定性，及时加强支护，避免或
6、降低落底开挖扰动诱发时滞型岩爆，最大限度地降低岩爆造成的损失,启示数条隧洞平行布置时，优先开挖距其最近的隧洞，且各掌子面沿轴线方向拉开一定距离、呈阶梯式推进，利用其开挖空间进行减震,2#洞掌子面,11+006,11+023,11+060,南侧,裂缝,该条裂缝局部可见深度约1m，张开约10cm,该部位排水沟鼓起、拱脚围岩弹射造成钢筋网损坏,11+050,该部位已施工锚杆脱落悬空,掘进方向,出渣装载车振动偏移,北侧拱肩之前已多次岩爆，局部坑深2m,11+015,北侧,NWW结构面,北侧,1.上台阶开挖：引(2)11+02311+060极强岩爆2010年2月4日14:53发生，底板开裂,三、底板开裂
7、及上抬岩爆案例分析,岩爆前局部岩爆坑深达2m,引(2)11+02311+060m洞段南侧拱脚围岩普遍弹出脱落,11+05011+060洞段南侧边墙部位钢筋网受岩爆碎石冲击脱落,该洞段排水沟鼓起开裂，地下水经由开裂岩石底部流出,岩爆主爆区,涨壳式中空注浆预应力锚杆，T=80kN,NWW结构面,V形爆坑,出渣装载车移位，挡风玻璃完全脱落,岩爆主爆区,已装半车岩渣,挡风玻璃完全脱落,裂缝贯通上台阶底板，可见深度1m，宽约10cm，该段围岩完整，无明显结构面,原因分析岩爆段位于向斜核部附近地应力异常区NWW结构面导致局部高应力集中及时有效的上断面喷层和系统锚杆支护，提高了岩体极限储能，使积蓄的应变能因
8、无法得到释放而向无支护或支护薄弱的拱脚和底板转移马蹄形断面的拱脚存在高应力集中，形成高能量聚积爆破扰动的触发(岩爆区距掌子面约15m，发生于爆破后48分钟),1952m,T2b,向斜核部应力异常区,岩爆位置,边墙开裂,3-4-W掌子面,3-P-W掌子面,2.上台阶开挖二：4#引水隧洞引(4)6+0106+025极强岩爆2011年4月16日发生，底板上抬，其中掌子面附近达2mSK5+5405+560南侧边墙发生中等时滞型岩爆，北侧边墙初喷开裂3-4-W与3-P-W岩爆发生于3-4-W放炮后27分钟，两者几乎同步发生，前后相差约17秒,50m,埋深约2100m，岩性为T2b灰白色厚层状细晶大理岩；
9、发育2-3组节理3-4-W与3-P-W已完成系统锚杆支护,2100m,T2b,岩爆位置,原因分析：(1)底板聚集高应变能3-4-W岩爆区南侧隔离岩柱内事件聚集且多为大事件，岩体破裂活动剧烈，高应力集中向3-4-W底板转移，形成高能量聚集区3-4-W岩爆区岩体较完整，属类围岩，聚能能力较强；而岩体破裂活动较缓和，能量未得到很好耗散,上台阶开挖期间微震事件随时间演化规律,上台阶开挖期间微震事件空间分布,(2)上断面系统锚杆紧跟掌子面，有效提高了围岩强度和极限储能能力，导致应变能向未进行任何支护、强度相对较低的底板转移(3)马蹄形断面的圆弧面上光滑、成型好，应力分布均匀，不易形成应力集中，而拱脚处存
10、在高应力集中，现场破坏情况证实了这一点,3-4-W岩爆发生区域系统锚杆,系统锚杆,3-4-W掌子面附近北侧系统锚杆及拱脚破坏,系统锚杆,两侧拱脚围岩已完全破碎,下台阶,上台阶,(4)爆破扰动强烈频繁受到附近掌子面爆破扰动作用3-4-W掌子面4月16日8:30炮次：进尺4m，炸药450kg，比平均药量多出近80kg，为近半月来药量最大的一次爆破；岩爆发生于爆破后27分钟,3-4-W洞段开挖期间每次爆破药量情况(2011年),附近掌子面爆破对岩爆段的影响,3.下台阶开挖：3#引水隧洞引(3)5+7305+790强烈岩爆2011年11月26日19:10发生，北侧边墙爆坑最深约3m，洞底上抬约60cm
11、，引(3)5+730742洞底多处裂开。26日掌子面桩号约引(3)5+742,埋深：1963m，岩性为T2b灰白色厚层状细晶大理岩岩爆段周围支护情况：上断面：已完成系统锚杆，挂有钢筋网，并已喷射混凝土下断面：刚开挖，暂未支护,引(3)5+742790北侧边墙（清理后，最深约达3m）,上断面与下断面分界线,爆坑最深处,引(3)5+742770南侧边墙,引(3)5+730742上断面洞底多处裂开,引(3)5+742780洞底抬升（最高约60cm）,抬升部位,上台阶开挖微震事件随时间演化规律,6.207.5,7.69.3,上台阶开挖微震事件空间分布规律,岩爆区,岩爆区,(a)横剖面,(a)横剖面,(
12、b)平面投影,(b)平面投影,原因分析：(1)上断面3次岩爆后，及时加强的系统支护提高了岩体强度，事件向围岩深部和底板扩展，表明应力和能量发生了转移，在底板形成高能量聚集区,排水洞,排水洞,引(3)5+7305+790岩爆情况,(3)落底开挖，破坏了底板岩体的完整性，尤其是对拱脚的破坏严重降底了底板岩体的强度，解除了底板岩体对高应变能的约束，为高应变能的释放提供了条件(4)爆破扰动的触发（岩爆滞后于落底爆破约1分钟）,落底开挖,上台阶开挖,启示1)上台阶开挖：修改开挖断面形态：拱脚布置成过度平缓的圆弧形加强边墙、拱顶支护的同时，加强两侧拱脚支护，并保证支护质量必要时对底板实施少量钻孔的松动爆破
13、，使应变能向底板深部转移在局部区域如拱脚布置应力释放孔或应力解除爆破采用短进尺、弱爆破，减弱爆破震动，并错开或延长各次爆破的周期,加强拱脚支护示意图,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,Sectionalshapemeasuredbypracticalengineering,Thefinalsectionalshapebetweenpracticalengineeringandthepresentmethodsimulationareveryclose.,Comparisonforsectionalshapeofrockburst,Simulatio
14、nresultbypresentmethod,Displacementevolutionwithrockfailureprocess,2steps,4steps,6steps,8steps,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,5.3Displacementevolutionwithrockfailureprocess,12steps,15steps,18steps,21steps,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,Displacementevolutionwithrockfailureprocess,8s
15、teps,Revealthefailureprocessofrockfromcrackinitiation,tocrackpropagationandcrackcoalescence,untilrockblockforming,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,Stressevolutionwithrockfailureprocess,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,Evolutionofequivalentplasticstrainwithrockfailureprocess,Muchlargerofequivalentplasticstraincanbeseenforrockwhichisclosetotheboundaryofcavern.,4.Simulationofrockburstevolutionprocess,EvolutionofFractureApproachingIndexwithrockfailureprocess,MuchlargervalueofFractureapproachingindexcanbeseenforrockwhichisclosetotheboundaryofcavernandthepathsofcrackpropagation,wh
