岩爆预测及影响因素的分析

岩爆预测及影响因素的分析

周　萍1,吴继敏1,孙艳红1,柳　毅2

(1.河海大学土木工程学院,江苏　南京　210098;2.安徽省蚌明市高速公路开发有限公司,安徽　蚌明　233040)

摘　要:岩爆是高地应力环境下地下工程中的地质灾害。详细分析了地应力、岩性、岩体结构、埋深、地形、人为开挖等因素对岩爆的影响,对岩爆的预测和防治具有一定的实用价值。综合各种因素的影响对福建周宁水电站地下厂房进行了岩爆预测,得到了在局部区域发生微弱岩爆的结论。

关键词:岩爆;预测;高地应力;影响因素

中图分类号:TV313 文献标识码:B 文章编号:1001-408X(2004)01-0071-05

岩爆是地下工程开挖施工中发生在高地应力、完整脆性岩体内的一种地质灾害,极大地威协着施工人员和设备的安全。迄今为止,关于岩爆的理论和预测方法尚未形成统一的定论。很多因素都会影响到岩爆的发生,如地应力、岩性、岩体结构、埋深、地形、人为开挖等,分析各种因素对岩爆的影响对于岩爆机理的研究以及合理地预测和防治岩爆都具有重要的意义。

岩爆是岩体内积聚的弹性应变能的突然释放。岩体中储存的能量,通常是以弹性变形的形式储存于围岩内的高应力集中区内,弹性变形越大,储备的能量就越多,因而岩体内某些地区就形成了高储能体。高储能体必须具备两个条件:一是岩体能储聚较大的弹性应变能;二是岩体内应力高度集中。岩体内储能越多,应力集中程度越高,岩爆越容易发生,因此本文从储能和应力集中的角度分析各种因素对岩爆的影响。

1　岩爆影响因素分析

1.1　地应力

地应力是影响岩爆的关键因素,岩爆是发生在高地应力地区的地质灾害。在高地应力环境下岩体中会储存较多的弹性应变能,这是岩爆发生的基本条件。对于判定高地应力的标准,由于不同学科与不同工程对高地应力问题的表现和理解不同,判别标准也不同。目前代表性的判定标准如下。

(1)以地应力的绝对大小划分,国内岩体工程界一般以初始地应力达到20～30MPa时即可认为岩体处于高地应力状态。

(2)采用单轴抗压强度(R c)和最大初始应力(σ1)的比值来划分地应力的级别:

R c/σ1=4～7为高地应力;R c/σ1<4时为极高地应力。

在高地应力地区开挖地下工程时,岩体的初始应力状态受到扰动,引起应力重分布,形成应力集中,从而可能引起岩爆的发生。洞室开挖后的应力状态也是影响岩爆的重要因素,σθ/R c的值常被作为评判岩爆的标准[5]。在表1发生岩爆的工程实例中,洞室的切向应力最小为30.0MPa,多数大于50.0MPa,最高达到了108MPa,洞室的切向应力都很高。从图1中可以看到,表1中发生岩爆的工程实例中σθ/R c的值多数在0.3到0.5之间,占总样本数的64.7%,小于0.3的情况仅有2次。σθ/R c小于0.2时没有岩爆发生,鲁布革水电站地下洞室的σθ/R c值为0.23,虽然出现了高地应力现象,却并没有岩爆发生。因此,可以认为σθ/R

c

的值高于0.3时会有岩爆发生,0.2<σθ/R c< 0.3时发生岩爆的可能不大,但也应引起重视。从表1中还可看到,较多情况下,σθ/R c>0.35时即发生了中等岩爆,本文建议σθ/R c=0.35可作为弱岩爆和中等岩爆的分界点,即:σθ/R c<0.2,无岩爆;0.2<σθ/R c <0.3,可能发生岩爆;0.3<σθ/R c<0.35,弱岩爆;

0.35<σθ/R c<0.7,中岩爆;σθ/R c>0.7,强岩爆。

收稿日期:2003-09-27

作者简介:周　萍(1980-),女,江苏徐州人,河海大学土木工程学院硕士研究生。

17第23卷第1期 红水河 Vol.23,No.1

表1　发生岩爆的若干工程实例表

工程实例

埋深

m 岩　性σθ

MPa R c

MPa σθ

/R c n b 岩爆情况天生桥二级水电站引水隧洞

400白云质灰岩30.088.70.3424.0中等强度二滩水电站194正长岩90.0220.00.4129.7轻微岩爆太平驿水电站地下洞室400闪长岩62.6165.00.3817.6规模不等锦屏二级水电站引水隧洞150大理岩98.6115.00.8231.1中、弱为主渔子溪水电站引水隧洞200

花岗闪长岩及闪长岩

90.0170.00.5315.0中、强岩爆瀑布沟水电站地下洞室闪长花岗岩43.4123.00.3520.5发生岩爆拉西瓦水电站地下厂房300

花岗岩55.4176.00.3124.1发生岩爆挪威Sima 水电站地下厂房

花岗岩48.81800.2721.7有时剧烈挪威Sewage 隧道花岗岩75.01800.4221.7中级岩爆日本关越隧道石英闪长岩89.02360.3828.4中、强岩爆挪威Huggura 公路隧道前寒武纪片麻岩62.5175.00.3624.0中级岩爆瑞典Forsmark 核电站隧洞片麻花岗岩50.0130.00.3821.7中级岩爆前苏联Rasvumchorr 矿井巷

霓霞石-磷霞石57.0180.00.3221.7中级岩爆意大利Raibl 矿井巷铅锌矿石108.4140.00.7717.5中级岩爆瑞典Vietas 水电站隧洞变质花岗岩及石英岩

80.01800.4426.9

弱岩爆二郎山隧道平导K262+298270～490泥质砂岩14.8456.760.26轻微岩爆二郎山隧道平导K261+939泥灰岩40.1277.00.52中等岩爆二郎山隧道平导K261+701石英砂岩20.62185.90.11无岩爆

龙羊峡水电站地下洞室花岗岩18.81780.1131.2无岩爆鲁布革水电站地下洞室灰　岩34.01500.2327.8钻孔饼芯李家峡水电站地下洞室

黑云母角闪斜长片岩

11.0

115.0

0.10

23.0

无岩爆

图1　表1中发生岩爆的工程实例的统计分析图

1.2　岩性

从储聚弹性应变能的能力分析,弹性岩体在受

力变形时,常能储聚较多的弹性应变能,大部分高强度块状脆性岩体属于这一类。弹—塑性岩体在受力变形时,也能储聚一定的弹性应变能,但储能的能力次于弹性岩体,一些层状沉积物属于这一类。储聚弹性应变能的能力最差的是塑性岩体,在受力变形时,由于变形全为塑性变形,没有储聚弹性应变能的能力。因此在前两类岩体中修建地下工程时有发生岩爆的可能。 可见,岩石力学性质对天然应力的影响是十分明显的。耶格曾提出天然应力与岩石抗压强度成正比的概念[3]。从表1的工程实例中可以看到,在发生岩爆的工程中,岩性多为花岗岩、闪长岩,岩石的抗压强度R c 大多超过了110MPa ,为高强度岩体,

R c <110MPa 的情况只有3例,且都是发生在沉积

岩中,这说明在R c >110MPa 的岩体中较有利于岩

爆的发生,对于沉积岩,在抗压强度R c >60MPa 的坚硬岩体中也可能发生岩爆。

岩石的脆性程度也是影响岩爆的因素之一。关于岩石的脆性程度,可用抗压强度(R c )与抗拉强度

(R t )之比进行说明,称为脆性度(n b )。有研究表

明[5],n b >40时无岩爆,26.7

岩爆通常发生在完整岩体中,这是由于完整岩

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7红水河2004年第1期