岩爆形成机理与防治

如题所述

6.3.3.1 卸荷与温差耦合的反应力衍生波子力的岩爆机理

在三维主压应力处于平衡状态的大山岩体中挖掘水平洞室,形成向洞轴心向的卸荷,岩体除产生卸荷弹性恢复性变形,并产生应力自适应性调整,与自护能力,形成自然平衡拱,处于新的平衡状态。由前节判据可知,σθ这一最大主压力,仅为岩体强度的1/3,τθr强度亦仅为岩体τ值的2/5,均不足以造成岩体破坏。岩体自身的强度和能量能充分维持自身稳定。依据岩爆突发性动力破坏现象,从动量原理考虑,这一较大冲量必然是一匿动力所形成。这一匿动力,不应属正向压应力,应是一反应力。从隧洞掘进过程中掌子面熵情变化中可判断,因地温本身呈梯度性升高,加上掘进刻切所做功,部分能以热的形式耗散,引起岩体与掌子面气温的升高,采用通风喷水以降温除尘,造成岩体表里温差,形成由表向里的温差拉应力,这是洞室应力自适应调整后的附加拉应力值,使σr呈负向增长,当-σr达岩体σt强度时,岩体产生脆断性拉张破坏,在脆断能量释放过程中,产生新生的波子力,形成新生的动应力,如式(1.22),σd=vp2πfAMPa,式中vp(纵波波速),f(振波频率)A(振幅)这是添加在反应力拉张上的很大冲量,形成突发性动力破坏。

由反应力的拉伸力加波子力的形成机理说明岩爆主要是突发性拉张破坏,这与岩爆碎片所展示的形态一致,因拉张中,受侧向限制,因而周边又显力偶性的张剪破坏特性。剪切破坏型,应属特有地质背景条件。多发性的中强岩爆,应为岩爆加卸荷松弛崩落。岩爆后,破坏了岩体的适应平衡条件,未获及时有效加固处理,因岩性稍弱和存有不利结构面形成一定松弛范围,在拉应力加重力的联合作用下,对两侧形成张剪性偶力,造成岩体张剪破裂与崩坍,形成巨大声响,与初期岩爆产生机理稍有差异,这一现象早作分析与有效处理,则可避免。

6.3.3.2 发生岩爆的必须条件

(1)岩石坚硬完整均一性好。若岩体为有缺陷的不连续体,在洞室岩体达自适应调整后,匿动力所形成冲量,将在围岩形变中耗散,造成非连续面的位移,而不能产生新的破裂,不能衍生波子力。形不成大的动力冲量。

(2)具必须的熵情条件,大山区的水平隧洞,随隧洞向山体深部掘进,则地温在常温带之后,呈一定地温梯度增加,但地温等高线不仅受山体高度影响,亦受深切沟谷的深度影响,不是随山体地形起伏,而是稍平缓的起伏曲线,表明受深切沟谷侧面的吸放热的温度影响特性,故隧洞可能沿同一地温高程掘进,不会形成大的起伏,但垂直山体掘进总的趋向会逐渐升高。在高山区于深部开挖洞室,在成洞卸载后,上部岩体重力较大,洞室围岩体因卸荷失去原有平衡态而产生岩石质点的振荡,质点振荡所形成的功,以热的形式而耗散,所以高山区洞室掌子面的温度较高,须通风和喷水降温除尘,熵情变化大,会产生大的反应力,所以对岩温水温气温与其变化须重视掌握,才有利于对岩爆情况的掌握与研究。

6.3.3.3 岩爆的防治

明确岩爆形成机理,则防治应有明确针对性

(1)作好区域内宏微地质力学的分析研究,掌握成岩建造与构造改造对岩体所形成的缺陷与损伤,了解历次构造作用的主应力场方向与转换情况,现在的主应力场方向,从地形演变预测现在应力情况与相应的应力梯度方程,预测区内断裂破碎带,节理密集带分布与等距性展布的变化等特性。

(2)根据预估或掌握所测试的地应力成果,研究天然应力场中在洞室开挖后岩体自适应调整所形成的σr、σθ值,与岩体强度比,以掌握其安全度的大小。

(3)充分利用岩体强度与自护能力,加强对洞室围岩的保护,遇围岩岩性强度较低或有软弱夹层与不利的结构面,须及时加强与加固。从天生桥Ⅱ级水电站Ⅰ与Ⅱ号引水洞中两次岩爆松弛坍落类型的事例说明,采用超前占孔,在将要掘进的洞室围岩范围,作小爆破或作水力破裂,使岩体产生破损,形成一应力释放环带,可能没有帮助,也可能加重危害。

(4)控制和减小反应力滋生的强度。至山体一定深度,掌子面的气温增高,烟尘较浓,须进行通风喷水,以除尘降温,保障一定合适的施工环境是必须的措施,但因之形成围岩体表里的温差,产生向洞室轴心的拉应力,破坏了洞室围岩自适应调整的平衡条件,当拉应力超过岩体抗拉强度时,就要产生拉裂破坏,所以,应尽可能控制反应力的强度。显然在洞壁向围岩喷撒冷水降低表面岩体温度是不当措施,不是岩爆减弱而增加其发生频率,煤矿防冲击压,进行顶板爆裂割切以减少顶板来压,注水以减煤岩能量的措施,是针对其形成机理采取的措施,岩爆与煤爆其形成机理是明显不同的,采用拿来的方法不当。

(5)防衍生大的波子力的发生,由于客观因素与保障生产时的施工所必须的条件,无法避免出现反应力,则应采取喷锚措施,避免岩体出现拉裂破坏形成波子冲击力,减少破裂物体所受冲量。明确喷混凝土层所能承受的岩体中拉应力所形成的压力,对洞室围岩的松弛范围作相应深度锚固,即可防治岩爆发生。

在洞室松弛变形垮坍过程中,经过渐进破坏,破坏时亦产生波子力,波子力冲击使破坏范围扩大,亦产生较大分贝的声响,但其形成机理与破坏形式有差异,不能称为岩爆。

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