岩爆判据与控制技术

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1、岩爆判据与控制技术曾健单卫华（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司四川成都611130）摘要：论文针对锦屏Ⅱ级水电站2#引水隧洞钻爆法开挖所揭露地质及所遇岩爆情况，提出对开挖过程中岩爆判据、预防、控制技术等相关建议。关键词：引水隧洞岩爆判据控制技术1引言高地应力条件下大型地下洞室群稳定性与优化研究是岩土工程学科亟待解决的前沿课题。随着西部开发战略的实施，我国重大基础设施建设正以前所未有的速度在全国展开，西部地区的高山峡谷以及开发深度的增加使得岩爆问题日益突出。在水电工程方面，二滩、渔子溪、太平驿、天生桥二级、福

2、堂等水电站、雅砻江锦屏二级水电站的地下工程在修建过程中都发生过不同程度的岩爆。由于西部地区现代地壳活动强烈、高地应力场和外动力地质作用显著，从而使得在该地区修建大型地下洞室群的稳定与安全问题变得十分突出，特别岩爆问题日益突出。高地应力条件下大型地下洞室群在开挖过程中，因开挖卸荷作用，可引起围岩内部集聚的弹性应变能突然释放，造成围岩岩爆等地质灾害，给洞室围岩的稳定性和人员设备安全带来严重威胁。岩爆灾害问题已成为我国深部开发急待解决的一个难题，岩爆问题的深入研究日趋迫切。2工程地质概况锦屏Ⅱ级水电站位于四川省凉山彝族自治州境

3、内的雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上，电站装机容量为4800MW，单机容量600MW，是雅砻江上装机规模最大的水电站，属雅砻江梯级开发中的骨干水电站。工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成。电站引水系统采用4洞8机布置形式，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，长度约为16.6km，隧洞最大埋深达2525m。锦屏Ⅱ级水电站2#引水隧洞为四心马蹄形断面，如图1所示。采用钻爆法施工，分上下台阶开挖，下台阶落底一般滞后上台阶掌子面2000m左右。隧洞在埋深1500米左右洞段岩性主要为T2y5的中粗晶厚层或中厚层大

4、理岩，颜色以灰白的和灰黑色为主，地下水不甚发育，该洞段节理面发育主要以张性节理和剪切节理为主，多为陡倾角节理。从开挖揭露的情况看，围岩以Ⅲ类围岩为主，稳定性较好。图12#引水隧洞断面型式示意图3基于现场情况的岩爆判别指标在高地应力区开挖洞室群，必将扰动原岩的初始应力状态，破坏洞周围初始应力平衡，从而导致应力重分布和围岩系统的能量状态发生改变。显然，基于岩性的岩爆指标无法反映现场情况的复杂性，而基于现场情况而建立的岩爆指标为复杂洞室群岩爆倾向性和岩爆发生部位的准确估计的实现提供了可能。3.1应力指标应力重分布后，围岩局部应

5、力峰值可达到初始应力的数倍。正是二次应力的高度集中，常使围岩应力超过岩爆临界应力，从而产生岩爆。3.2能量指标（1）能量释放率（ERR）到目前为止，地下硬岩矿山采矿仍然广泛采用钻爆法。用爆破方法开挖洞室时，开挖面上爆破前的牵引力突然降为零。开挖面外部围岩对面内逐渐降低的支护力所作的功表现为开挖面上的多余能量，这部分能量称为释放能，开挖面上形成的释放能，以P波和S波通过周围岩石介质向外传播。释放能量的大小直接影响开挖面及以外围岩的应力场。由干开挖面的瞬间形成，周围岩体不仅承受静态应力增加（开挖诱发的应力集中），而且还有一个

6、瞬间动态应力。复杂洞室瞬间开挖产生的瞬间动应力值很难确定，但是它的存在是肯定的。动静应力的叠加可能会超过岩体强度，也可能会使弱面法向应力减少降底面上抗剪力导致滑动，还可能产生拉应力引起岩体结构的局部松弛。对于大型洞室而言，瞬间形成完整的洞室是极少见的。研究逐步开采时的能量释放率更具有实际意义。在无限岩体内进行采矿，每采下一定体积岩体dV，围岩释放出能量dEr/dV，就是体积能量释放率ERR。Cook等在研究南非金矿岩爆问题时于1966年首先提出了能量释放率的概念，通过对南非金矿深部开采中岩爆事例的系统调查和分析,明确提出

7、：岩爆发生次数、规模及对采矿造成的损失与地下开采能量释放率密切相关，能量释放率越大,发生岩爆事件的比例也越高。图2为南非VentersdropContact和CavobonLeader矿脉破坏性岩爆事故次数与能量释放率之间的关系。从图中可以看出，对于一个具体的矿区其破坏性岩爆事故次数与平均能量释放率之间几乎为一线性关系，能量释放率越大,岩爆发生的频度也越高。图2岩爆发生次数与ERR之间的关系由于爆破释放多次受到岩爆危害的矿山可以用反分析技术求出发生岩爆的临界ERR值，也可根同岩爆危险性的应力判据一样，用能量释放率ERR判

8、断岩爆是否发生并没有一个简单的确定标准，但是用ERR作为各种采矿方案比较的标准确实方便可行。3.3基于断裂损伤、非线性科学、智能科学等的岩爆判别指标当前，在我国的岩爆机理研究中，强度理论、能量理论和倾向理论仍然占主导地位，他们都从不同侧面反映了岩爆现象的部分本质。由于近年来突变理论、分形理论、智能方法以及断裂损伤力学