太平驿隧洞岩爆特征及防治措施_周德培

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1、第? ?卷第?期? ? ? ? ? 年?月岩石力学与工 程学报?, ? ? ? ?,? ? ? ?,? ? ? ? ?,? ? ?一?太平骚隧洞岩爆特征及防治措施周德 培?西南交通大学岩土工程研究所洪开荣?隧道工程局科研所洛阳成都? ? ? ?提要本文根据太平骚隧洞在施工期间记录到的大小? ?多次岩爆的资料,总结了该隧洞的岩爆特征。测定了花岗岩的变形和强度指标,并做了声发射试验。花岗岩的全应力一应变曲线具有 第?类的性质,建议用释放的弹性能和消耗 的非 弹性能之比作为这 种岩石的岩爆判据。另外,还提出 了防治岩爆 的一些工程措施。关键词岩爆,弹性能,防治措施?前吉人?, ?二?岩爆是在高地应力

2、岩体中开挖地 下洞 室时,围岩发生脆性破坏而 突然释放弹性能所造成的一种动力失稳 现象,是一种工程地 质 灾害,直接威胁施 工人员和 设备的安全,因此 对岩爆的研究 具有重 要实际意 义。一些研 究资料表明 围岩应 力和 岩性 条件是形 成岩爆的重 要原因,还提出了一 些岩爆失 稳模式和 判 别准 则一?二。这些研究 成 果对于认识岩爆成 因、机制 等 方面是很重要 的。但为了工 程的 需要,还应 结 合现 有研究成 果和施 工现场 的经 验,总结出岩爆特征 和 防治岩爆的有效措施。太平释 电站引水隧洞在 施 工期间,坚 持观察和记录岩爆现象,先 后积累 了大小? ?多次岩爆的资料,本 文根据

3、这些资料总结出了该隧洞岩爆特征。结合花岗岩的室内试 验成 果 和施 工 现场的经验,给出 了 防 治岩爆的 一些 工 程措施。这对于进一步研究岩爆和岩爆地区地 下洞室的施工都有一定参考价值。?太平骚隧洞的岩爆现象及特征太平骤 引水式电站位于四川省坟 川县境内,引水隧洞沿 眠江左岸布 置,全 长 ? ? ?,成型 洞径?。隧洞沿线山体雄厚,地势陡峻,河谷深切。洞室 埋深 ? ?一? ?。施 工区地处龙 门山断 折带中段,茂演 断裂与映 秀断裂 围限的断 块 上。断块主体由晋 宁一橙江 期岩浆岩 组成。地震 基本 烈度 为妞度。在 隧道工 程 局 中标 的 二工区施工段 内,隧洞 围岩 主 要为

4、花岗岩和 花岗闪长岩,岩体完整新鲜,岩质坚硬。实测资料表明该地区属高地 应 力区。最大主应 力? ?,其方向基本上垂直于河流流 向,倾角? ?中间主应 力? ?,约平行于河 流 流向,倾角?最小主应 力?。? ?年?月? ?日收到初 稿,? ?年?。月? ?日收到修改稿。岩石力学与工程学报? ? ?年在二工区的施工期间,第一次发生岩爆是在?号支洞 距洞口? ?处,时间为? ? ? ?年?月 ? ?日,岩爆部 位为掌子面,但其 规模相对 较 小,此处垂直 埋 深为? ?。自? ? ?年? ?月? ?日进入正洞施工以来,岩爆发 生 的频 率显著提高,岩爆 规模 也 明显增大,其危害性 也 大。在

5、施 工过程 中,对每 次 岩爆 现 象都进 行 了 详细观察与记录。根 据记 录到的 大 小?。多例 岩爆的 资料,总结出发生在该隧洞的岩爆 具 有如下 特征? ?岩爆仅发生在干燥无 水 的花岗岩 岩 带 中?而 在洞线 的 闪长岩、石英 富集 的 岩带 中均不发生 岩爆。发 生岩爆的 部位 基 本在 图?所示 的?、?两 个部位。而?位 发生岩爆 的频率 高于?位,其规 模也比?位大。?位 的破 坏全为劈 裂破 坏,而?位既有 小规模 的劈 裂破坏,又有 大规模的剪切 破坏。且 在岩 性变化的交界 处的花岗岩 中?岩爆发 生得更 为频繁。? ?当 围岩内部 发 生爆裂声清 脆,声 响 极 大

6、 时,岩爆主要 表 现 为劈裂 破坏。其规 模 不大,多 呈片状或贝壳状 从母岩 中以劈裂 的形式剥落下来,且岩块剥落的时 间几乎与爆 裂声同步。当围岩内部发生的爆裂声 沉闷,声响较小时,岩爆主 要表现为剪切破坏?其规模也大,并伴随有 烟 状粉末弹射。此 时 由岩爆产 生破坏 的岩块体一般都滞后于爆裂声? ?分钟到一小 时才会从母岩上掉落。两种破坏 形式的典型断面如 图?所示。? ?岩爆发 生的 频率随岩体开 挖 暴露后 的时 间增 长而降低?如图?所示。大 部分岩爆 发生在 开 挖 后? ?天 内,占记 录到的 岩爆 的 ? ?,其 中 尤以?天内最 高,占 ? ?天 内占?。同时 也发现围

7、岩即 使 暴露一 个 月甚至数月后?仍 会 发生 岩爆,但 为 数 不 多。此外 在图?中还绘 出了一 天内发 生岩爆 在 ? ?小时上的分布 规律。从图 中可以看 出其高峰期在 放炮后的?小时之 内。一一一开挖分界线一一一 一一上部开挖时岩爆破坏区?八? ?八曰 八曰? 彩州残巾?,?岩爆次数 ?。卜? ? 卜 丫荞麟兰? ?岩爆断面? ?岩爆断面图?两种岩爆破坏形式的典型断面? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?国?岩爆与开挖后的时间关系? ? ? ? ? ? ? ? ? ?图?画出了岩爆 发 生次数与 距 掌 子面 的距离的关系 曲线。由此 图可 知,就距离而言,有两 个高峰期。第一

8、个岩爆高峰期在距掌子面?以内,然后 逐渐减小?第二 个高峰期 在距离掌子面?一?倍洞径 的范围内,随后也逐 渐减 小。但也 有 在距掌子面数百?处发 生岩爆 的 情况。? ? ?每写残巾?距掌子面?图?岩爆与距离关系? ? ? ? ? ? ?第? ?卷第?期周德培等?太平释隧洞岩爆特征 及防治措施? ?太平骤电站 引水隧洞由岩爆所 产 生的破坏规模大小不一。一次岩爆破坏的面 积 为。?到几百平方米不等?其破坏 厚度 也从数厘米到?一?不等。爆落的岩块体从零点 儿立 方米到数百立方 米都 有。一般 而言,破坏 厚 度较 小 的岩爆大 多 数发 生在 完 整 的脆性 花 岗岩 中,而 破坏 厚度

9、较大 的岩爆发生 在有 少 量节 理 的脆性花岗岩 中。图?为其 分 布 状况?部分破坏 厚度较 大 的因篇 幅所限未 绘在图上。? ?卜? ? ?的?兮?幕形琐砌? ? ? ? ? ? ? ?破坏厚度?图? ? ? ?岩爆破坏厚度分布? ? ? ? ? ? ? ?众所 周知,埋深 大的地 方 因地应力可能较大,容易发 生岩爆。但在 发生 岩爆 的区域内?岩爆发 生 次 数和其剧烈程度 是否也 随 埋 深 增大 而 增 大?从 该 隧洞记 录到的 岩爆资 料看,并 不一 定如此。如图?所示?岩爆区间的洞室 覆 盖层深 度 为 ? ?一 ? ?左右?但 岩爆发 生次 数及 其剧烈 程度与覆盖层深

10、 度不存在对 应关系,似 乎 无规律 可 循。这 说 明岩爆发生次数和其 剧烈程度 不单纯受埋深 影 响,可能还与其它诸因素的综合影响有关。高程?理岩爆次数山迹线? ? ?十? ?, ?。?,。一? ? ? ! ?里程(m)2+000图5岩爆沿里 程分 布图Fig.5The roekbursteount、v s. themlle age岩石力学与工程学报1995年3花岗岩室内试验成果如前所述,该隧洞的岩爆仅发生在干燥无水的花岗岩岩带中,岩性是产生岩爆的一 个重要 因素。为了解 其岩性,用岩样在 MT S岩石刚性试 验机上做了单轴和 三轴抗压试 验以及声 发射试验,下 面分析试验成果。表1给 出

11、了花岗岩的单轴和 三轴抗压 强度。图6是由试验 得 出的莫尔 圆及其包 络线。花岗岩的单轴抗 压强度。、16 8 MPa,弹性模量凡。、3lG pa,产5。七o15。粘 聚 力C铭35.SMpa,内摩擦角甲七42.8。岩石 在破 坏后呈碎块状,具有明显的脆性破坏特征,即使在 5 0MPa围压作用 下,仍具有脆性破坏 特征。表1花岗岩的三轴抗压强度Table1TriaxialeomPression strengthofgranite围压(MPa)强度(MPa); :汁橇州 塌i 鬓 升 嗽州 礁0 8 0 1 6 0 2通 03 2 04 0 0o(MPa)图6花岗岩的莫尔包络线Fig.6Moh

12、r envelope eurveofgranite图7是测 得的 应力一应变曲线,这 些 曲线都具有第l类 曲线的特 征。根 据文献6的观点,岩石表现 出第I类曲线特 征的原因可解释 为:在破 坏 后区,因岩石承载能 力降低,弹性应变将趋于减少。如 果非弹性应变增加比弹性应变减 小慢,那么岩石将表 现 出第I类曲线 的特征。按照这 个 观点,花岗岩 在破坏后区,非 弹性变形 增 加很慢,不 能及 时通 过 非弹性变形来消耗能量,使弹性能不 得 不很快释放出来,这 就形成岩爆。另外,具 有第I类特征 曲线的 岩石,在破 坏后区,由于岩 石 内部 裂 纹 的产 生与 扩 展处于不稳 定 状态,因此

13、其 破坏 也是非稳定 的。不 稳定的原因就是岩石内部在 向外释放弹性能,造 成岩石的破坏 过 程是自身产生的。不像具有第I类特征 曲线的岩石那样,在破坏后区,要使破坏 过程 继续下 去,需要 不断消耗外加的能量。因此单轴压缩 下表现 为第l类特征曲线的岩石,具备了产 生岩爆 的岩性条件。在三轴压缩 下,随着围压的升高,岩石的特征 曲线将 由第l类转化为第I类,产 生岩爆的可能 性会减小。因此 为 了判 断在 多 大 围压 下不会产生 岩爆,建议用 破 坏 后区释放的弹性能和消耗的非弹性能之比来判 断。第 1 4卷第2期周德培等:太平绎隧洞岩爆特征 及防治措施释放的弹性能的大小可 由图8中 的曲

14、边形A BCA的面积来计算,用W,表示。曲边 形O A B CE O可用来 计算破坏 过程中非弹性变形所消耗 的能量用W,表示。如 果W,/ W, 1,表示破坏后区释放 和 消耗 的能 量 相等。考 虑到裂 纹 的产 生与扩展 并 导致 破坏的过 程 中,还会因摩擦等原因消耗 能量.故将此比值取 为1.5作 为发 生岩爆 的 临界值。因此 如果 下式W,/W, 1. 5(l)满足,则会产 生岩爆。花岗岩的w。/w,的值如表2所示。可以看 出在单轴应 力状态下,产生岩爆是无 疑的。当围压为SMPa时,处 于 产生岩爆的临界值。当围压大于SMP a时,已不会产 生岩爆了。由图7还 可以看 出,随着

15、 围压的增 加.弹性能的释放逐 渐减少。由此 可推知,当围压超 过 5 0 MPa而达 到某个值以后,花岗岩的应 力一应变曲线将从l类 曲线转化为I类曲线。因此从 弹 性能释 放 的角度看,太平释 花岗岩 具有 产 生岩爆的条件,在单轴压 缩下容易发生岩爆。但在三轴压缩 下.围压超过SMPa时不 会发生 岩爆。6 08 0(月白芝)o。(10一,)图7不同围压下花岗岩的应力一应变曲线Fig.7T he stress一straineurveso fgraniteunderdi f fer enteon finingpress ur es图8由实验 曲线计算 w,和w户的图示F i g.8TheillustrationofevaluationofW:a一记毛 V, fro mthete ste u rv eTable表2花 岗岩在不同围压下的W,/w尸的值The values ofw,/W户ofgr aniteunde rdif fer ent