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某深埋特长隧道岩爆预测及防治措施研究

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第18卷第6期 2 0 1 1年 11月 安全与环境工程 Safety and Environmental Engineering Vo1.18 NO.6 NOV. 2011 某深埋特长隧道岩爆预测及防治措施研究 代贞伟,闰苏涛,罗学东,吕乔森 (中国地质大学工程学院,武汉430074) 摘 要:岩爆预测及防治研究是深埋特长隧道世界性难题之一。本文以翻坝高速公路秋千坪隧道岩爆预测为例, 在隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,从岩爆临界深度和岩爆发生强度的判别标准两方面对秋千坪隧道岩爆发 生的部位和等级进行了预测,并在总结国内外地下工程岩爆防治经验的基础上,结合秋千坪隧道岩爆洞段围岩性 质的特点,提出了一套岩爆防治措施。通过对比工程实际开挖支护情况,表明预测结果与实际基本吻合,岩爆防治 措施有效,可为类似深埋特长隧道工程岩爆预测及防治提供借鉴。 关键词:深埋特长隧道;岩爆预测;防治措施;高地应力 中图分类号:X45 文献标识码:A 文章编号:1671-1556(2011)06-0034—04 Study on the Prediction and Prevention of Rockburst for an Over-length and Deep Tunnel DAI Zhen—wei,YAN Su—tao,LUO Xue—dong,LV Qiao—sen (Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China) Abstract:Rockburst prediction and prevention for deep and over—long tunnel is one of the worldwide diffi— cult problems.Taking Qiuqianping Tunnel of Fanba Highway for instance and based on the study of rock mechanical properties of the tunnel,this paper predicts the location and grade of rockburst of the tunnel from tWO aspects of critical depth and rockburst strength criterion.By summarizing domestic and interna— tional underground rockburst prediction experiences in combination with the characteristics of the sur— rounding rock in Qiuqianping Tunnel,the paper proposes a set of rockburst prevention measures.By the comparison with the actual situation of excavation.it can be concluded that the prediction results are con— sistent and the prevention measures are effective,SO this study can provide the reference for similar pro— jects. Key words:deep and over—length tunnel;rockburst prediction;prevention measures;high in-situ stress 的理论和方法。现有的岩爆预测方法大致可分为理 0 引 言 在世界范围内的深埋或高地应力脆性岩体地下 工程中普遍会遇到岩爆,它是深埋特长隧道的主要 论分析法、现场实测法和多因素综合评判预测三 类 。 鉴于岩爆广泛存在于我国交通、水工、矿山等领 域的隧道工程建设过程中,并已经严重制约了我国 地下工程的发展,因此对岩爆的预测预报及防治措 工程地质问题之一,也是一种地质灾害,因其具有弹 射、抛散、震动等特点,对施工人员和设备的安全威 胁极大,还可延缓工程施工进度、增大工程费用。 岩爆的预测预报就是确定岩爆可能发生的区域 施进行研究,对于提高施工的安全性和科学性,减少 经济损失和人员伤亡具有深远的意义。为此,笔者 以秋千坪隧道岩爆为例,对该岩爆的预测预报及防 治措施进行了研究,以为类似深埋特长隧道工程岩 爆预测及防治提供依据。 地点、时间及危险程度等信息。由于岩爆预测预报 问题极为复杂,因此目前国内外还没有一整套成熟 收稿日期:2011—03—23 修回日期:2011—05—17 作者简介:代贞伟(1986一),男,硕士研究生,主要研究方向为岩体稳定性。E-mail:daizhenwei@163.com 第6期 代贞伟等:某深埋特长隧道岩爆预测及防治措施研究 秋千坪隧道工程概况 秋千坪隧道是湖北省三峡翻坝高速公路重点控 制性工程之一,位于宜昌市秭归县茅坪镇。该隧道 设计为分离式隧道,大致由西北向东南展布,走向在 114。~130。之间;右幅起止里程桩号为YK9+681~ YK13+197,全长3 516.0 m,左幅起止里程桩号为 ZK9+653~ZK13+195,全长3 542.0 m。隧道最 大埋深为495 YEt,属于特长深埋隧道。 该隧道位于地势起伏不平的中低山区,属于构 造剥蚀低山一丘陵区地貌单元,在大地构造位置上 属扬子准地台(上)黄陵小区,位于燕山期构造运动 产生的黄陵背斜东南翼,该背斜为由核部晋宁花岗 闪长岩和翼部震旦系、寒武系和白垩系地层组成的 单斜构造,无次级褶皱发生。区域内地层岩性主要 为晋宁期花岗闪长岩和震旦系下统莲沱组砂岩。根 据隧道围岩分级标准《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)的有关规定,结合钻探、物探、岩土测试资 料和区域资料,对该隧道围岩进行了分级,见表1。 表1围岩分级表 Table 1 Rock c1assification 由表1可知:隧道右洞Ⅲ~V级围岩占全部围 岩长度的82.9 ;隧道左洞Ⅲ~V级围岩长2 982 m,占全部围岩长度的84.1 9,5。 隧道工程区域内岩体完整性较好,岩性坚硬,强 度较高,由于隧道长度大,大部分洞段埋深较大,根 据国内外隧道工程发生岩爆的实例以及相关资料和 现场工程地质条件分析,在复杂的地应力场环境和 岩体结构条件下,该隧道开挖可引起局部应力集中, 可能会发生轻微(岩爆工级)一中等(岩爆Ⅱ级)岩爆 等地质灾害事故。因此,亟需对其进行岩爆的预测 与防治措施研究。 2 秋千坪隧道岩爆预测 根据秋千坪隧道工程实际情况,从岩爆临界深 度和岩爆发生强度两方面进行分析和预测。 2.1岩爆临界深度的预测 岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区, 但如果硐室埋深较大,即使没有构造应力,由于上覆 岩体效应,硐室也可能会发生岩爆。根据弹性力学 理论,仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生最小埋 深H [2](即岩爆临界深度)的计算公式为 H1=一 :=———— ————————————二 ——L—一 ㈩I I● 一 (2—4u)y 式中: 为岩石泊松比;y为岩石容重(kN/m。);R 为岩石单轴抗压强度(MPa)。 由于秋千坪隧道埋深较大,最大埋深为495 m, 处于花岗闪长岩区域,岩石完整、坚硬,地应力水平 较高,岩石饱和单轴抗压强度最大达90 MPa,适合 上述临界深度预测理论。参考秋千坪隧道围岩物理 力学参数, 取0.23,y取2.77 N/m。,采用公式(1) 计算得出秋千坪隧道岩爆临界深度H 一303。52 m。 结合秋千坪隧道现场工程地质条件分析可知, 隧道右幅YK10+360~YK11+610段、左幅 ZK10+770~ZKl1+600段区域,且埋深大于 3 30.25 m处应考虑岩爆问题。 2.2岩爆发生强度的预测 根据国内外隧道工程发生岩爆的实例,以及有 关岩爆发生强度的判别标准和岩爆程度的划分,在 借鉴一些学者所提出的代表方案的基础上,以围岩 岩石的强度与地应力比值作为岩爆判别准则和岩爆 发生强度划分的依据。 2.2.1 关宝树判据L3 我国的关宝树教授在总结多项工程经验的基础 上,修正并提出了一组新的岩爆判别临界值,表述如 下: >0.25a 强烈岩爆一剧烈岩爆 一0.15~o.25a 中等岩爆 (2) iao<0.15ac 轻微岩爆或不发生 2.2.2 陶振字判据L4 我国的陶振宇教授也在总结多项工程经验的基 础上,修正了挪威曾采用的巴顿法,提出了一组新的 岩爆判别临界值,表述如下: 崔 >0oO"'68 ̄mn a<一2154.5 ~25.5无轻强中岩微等烈爆一岩发爆剧烈生(1ⅡIT岩(级I爆级) ()I V级) (3) 上述两个判据中: 舳 为围岩的最大切向应力 (MPa),在无实测资料的情况下取自重应力场中垂 直应力分量 为岩石单轴抗压强度(MPa)。 针对秋千坪隧道,综合以上两个判据的计算结 安全与环境工程 第18卷 果,采用综合评判法,拟定发生岩爆的强度等级及相 应的埋深区间见表2。 表2秋千坪隧道岩爆预测结果 Table 2 Data sheet of rockburst prediction in Qiuqiaping Tunnel 埋深Him 岩爆强度等级 303.52~386.74 I级 386.74~495.O0 Ⅱ级 由上述判据标准并通过计算可知,秋千坪隧道 不会发生强烈岩爆一剧烈岩爆(1]I级~Ⅳ级)。根据 秋千坪隧道地质纵断面图(见图1、图2)可以得出如 下结论: (1)秋千坪隧道在右幅YK10+360~YK10+ 800及YKl1-I-200~YK11+610段,左幅ZK10+ 490~ZK1O+780及ZK11+180~ZKl1+6OO段区 域,且隧道埋深在303.52~386.74 m之间,可能会 发生轻微岩爆(工级)(见图1)。 隧道中心里程:K11+439 比例尺 垂直1:2000 水平1:2000 + + + 出口 潮闪长岩 微风化 YKlo+36O YKl 1+200 YKlO+8oo YKl1+6lO 图1秋千坪隧道纵断面(右幅)岩爆区域示意图 Fig.1 Diagram of rock burst zone of Qiuqianping Tunne1 vertica1 section(right hole) I.轻微岩爆(I级)区;II.中等岩爆(Ⅱ级)区 标高/m 5lO广 隧道中心里程:K11+424 470 ¨4" ̄13。。 430 一— “ 390 /+比例尺 垂直1:2000 35O :十 ++ 斗、 +: + + + 水平1:2000 3lO 270 230 + + ::+ : 翳 + + + {: 醛 整 微闪风长化岩 ZKlO+49O ZKll+l8O ZK10+780 ZKl 1+600 图2秋千坪隧道纵断面(左幅)岩爆区域示意图 Fig.2 Diagram of rock burst zone of Qiuqianping Tunne1 vertica1 section(1e{t hole) I.轻微岩爆(I级)区;II.中等岩爆(Ⅱ级)区 (2)秋千坪隧道在右幅YK10+800~YK11+ 200段、左幅ZKIO+780 ̄ZK11+180段区域,且隧 高叶 标 钉们 -__叶 吉-吉 道埋深在386.74~495.O0 m之间,可能会发生中 m ¨ ●1● 生 .,} 等岩爆(1I级)(见图2)。 通过将预测结果与实际开挖情况进行对比可 见:预测结果与实际情况较吻合,++ 岩爆(Ⅱ级)的区域实际发生的岩爆级别为轻微岩爆 阶滞 但部分预测为中等 (I级),部分预测轻微岩爆(I级)的地段由于有不 化 ++煞目+ 确定因素的基岩裂隙水发育和小断层出露,没有发  一 .t 生岩爆。 3岩爆的防治措施 岩爆的复杂性增加了其防治的难度,为了有效 地防范岩爆危害,应当根据具体条件因地制宜地优 先采取防范措施。秋千坪隧道岩爆洞段围岩的特点 是坚硬、干燥、完整、抗压强度大、脆性指数高,这些 特点使其具备了储存大量弹性应变能和在局部应力 环境恶化时弹性应变能突然释放的能力。鉴于此, 综合国内外地下工程岩爆防治经验[5 ],提出了如 下岩爆防治措施。 3.1加强隧道施工地质工作 加强和重视隧道施工中围岩变形破裂的现场调 研和围岩二次应力、围岩变形收敛等的现场监测,对 岩爆发生的可能性和强度进行超前预报,并严格施 工。 3.2改善围岩物理力学特性及其应力条件 岩爆地段进行钻爆法施工时,应短进尺掘进,减 小药量和爆破频率,并控制光爆效果,以减少围岩表 层应力集中现象。对轻微岩爆(I级)区和中等岩爆 (II级)区,进尺一般控制在2~2.5 m,尽可能全断 面一次开挖成形,以减小围岩应力平衡状态的破坏。 另外,在掌子面附近和洞壁经常喷撒冷水,必要时采 用超前钻孔应力解除法,形成应力局部释放区,从而 减弱岩爆,也可均匀、反复地向掌子面岩体内高压注 水,以降低岩体的强度。 在秋千坪隧道岩爆预测地段,可采用超前注水 应力解除,即对中等岩爆(Ⅱ级)地段在下一循环开 挖前,先沿掌子面布置一定数量钻孔,并向孔内注 水,使围岩深部裂隙进一步扩展,减少岩石内部应 力,且钻孔长度应超前循环进尺2~3 m。 3.3初期支护(加固围岩)措施 预防岩爆发生的初期支护采用挂网锚喷支护。 锚杆能迅速提高表层围岩的径向应力,提高围岩的 自稳能力;挂网的主要作用是与锚杆、混凝土、格栅 第6期 代贞伟等:某深埋特长隧道岩爆预测及防治措施研究 钢架形成一个整体,增加整体的支撑力;喷射混凝土 的主要作用是及时封闭围岩,防止围岩风化,同时提 供一定的支护力,使围岩在约束状态下缓慢变形从 而释放岩体中的部分能量,降低岩爆发生的可能性。 总之,喷锚网是一种柔性支护,一方面能为围岩提供 支撑力,另一方面通过柔性变形释放岩体中储存的 能量,以达到防治岩爆的目的。 在秋千坪隧道岩爆地段开挖后,应及时进行喷锚 网支护,具体的支护措施是:①增大喷射混凝土的支 护厚度,即在隧道轻微岩爆(I级)地段喷射混凝土厚 度增大至10 cm,中等岩爆区(Ⅱ级)地段喷射混凝土厚 度为12 cm;②加密系统锚杆,即在隧道轻微岩爆 (I级)地段采用的锚杆长200 cm、间距为120 cmX 100 cm,中等岩爆(Ⅱ级)地段采用的锚杆长250 cm、间 距为100 cm X 75 cm;③采用钢筋网,即采用“整体 网”,就是用若干长钢筋在同一循环相互间与锚杆纵 横焊接构成基本骨架,同时焊接预先准备好的片状挂 网构成整体结构,紧贴周壁岩体布置,其优点是可防 止局部围岩再次发生岩爆而跌落,且与锚杆连接得 好,喷、锚、网可形成浑然一体的整体组合作用,但钢 筋网在打完系统锚杆后还应立即安置;④喷层中增设 单层钢筋网,即在隧道轻微岩爆(I级)地段采用 6钢 筋网、间距为2o cmX20 cm,中等岩爆(Ⅱ级)地段采用 8钢筋网、间距为20 cmX20 cm。 3.4二次衬砌(永久支护)措施 根据我国《公路隧道设计规范》(JTJ026—90),并 参照二郎山隧道围岩支护方案[5],秋千坪隧道岩爆 区围岩初期支护后,建议采用30 cm厚的C20素混 凝土衬砌进行永久支护。 4结论 (1)根据弹性力学理论计算得出秋千坪隧道发 生岩爆的临界深度为303.52 m。 (2)利用陶振宇判据和关宝树判据对秋千坪隧 道岩爆发生强度进行了预测,结果表明:秋千坪隧道 在右幅YK1O+36O~YK10+800及YKl1+200~ YK11+610段、左幅ZK10+490~ZK10+780及 ZK1l+180~ZK11+600段区域,且隧道埋深在 303.52~386.74之间,可能会发生轻微岩爆(I 级);在右幅YK10+800~YK11+200段、左幅 ZK10+780~ZK11+180段区域,且隧道埋深在 386.74~495 m之间,可能会发生中等岩爆(Ⅱ级)。 (3)结合国内外地下工程岩爆防治的经验,提 出了秋千坪隧道岩爆防治方案,即加强隧道施工地 质工作,改善围岩物理力学特性以及围岩应力条件, 初期支护(加固围岩)采取增大喷射混凝土的支护厚 度、加密系统锚杆、采用钢筋网、喷层中增设单层钢 筋网等措施,并采用30 cm厚的素混凝土衬砌进行 永久支护。 参考文献: [1]徐林生,王兰生,李天斌.国内外岩爆研究现状综述EJI.长江科 学院院报,1999,16(4):24--27. [23侯发亮.圆形隧道中岩爆的判据及防治措施[M].北京:知识出 版社,1989. E31关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993. E4l陶振宇.我国水工建设中岩石力学的进展Ej1.岩土力学,1987, 8(2):1—9. Es3徐林生.二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施的研究[J].土木 工程学报,2004,37(1):61—64. [67王效宾,杨平,王海波,等.冻融作用对黏土力学性能影响的试验 研究[J].岩土工程学报,2009,(11):1 768—1 772. 通讯作者:罗学东(1971一),男,博士,副教授,主要从事矿山边坡稳 定性分析与地下工程加固等方面的研究。E—mail:lxd328@163.com 

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