地下工程围岩破坏控制对策笔记

地下工程围岩破坏控制对策笔记岩爆控制的基本原则和思路：岩爆是开挖导致的岩体内能量释放和通过震动波传播时产生的一种围岩破坏现象，岩爆控制就是努力避免这种破坏的产生。其中的途径有两个，一是降低能量释放的强度，二是加强围岩的抗冲击能力，在震动波的冲击下仍然保持良好的稳定状态。控制岩爆的支护措施不仅要提供足够高的支护力来抵抗潜在的围压破坏压力，同时还需要抵抗这种破坏方式下的冲击变形，即具备吸收能量的能力。岩爆控制的战术性措施是通过具体的方法对存在岩爆危害的局部部位进行处理，或者扰动局部岩体的受力状态、或者加强岩体的抗冲击能力。具体的措施包括围岩支护、应力解除爆破、改变爆破方式等。其中的围压支护主要是提高围岩抵抗对微震的能力，在微震不可避免的情况下，围岩依然能保持稳定或者尽可能降低破坏程度和范围。应力解除爆破和改变爆破方式则是改变局部岩体的受力状态，降低岩体内的弹性应变能，起到减缓破坏能力的目的。岩爆条件下围岩支护设计的原则：（1）在冲击荷载作用下，设计的支护单元应该能够进入屈服状态，屈服时对应的质点振速为2m/s，最好是3m/s；（2）支护系统需要具备适应至少60mm的变形能力；（3）支护力不应低于60KN/m2；（4）支护系统的抗冲击能力与支护系统的承载力同等重要。（5）屈服锚杆在冲击荷载作用下必须屈服，否则出现在锚杆连接部位（板－杆，锚杆－网）的突然变形而导致这些部位的破坏；（6）表面支护必须有足够的强度和刚度，因此将动力荷载传递给锚杆，使锚杆屈服；（7）锚杆必须与表面支护系统紧密连接，表面支护需要有足够的刚度和强度，避免锚杆穿过表面支护层。根据锦屏二级辅助洞B洞的情况制定的第一次控制岩爆试用施工方案如下：在正常爆破基础上增加应力解除爆破；出渣后尽快对新开挖围岩进行危石清除和高压水冲洗；对冲洗的开挖面进行立即的初喷处理，其中顶拱和边墙的喷层厚度维持10cm(现场采用的厚度)，掌子面厚度5cm，材料和工艺要求不变；在顶拱和边墙中上部安装工地使用的普通螺纹钢锚杆，锚杆间距1.2m，长度维持3.5m不变。上述方案的技术核心集中体现在两个方面，一是解除应力爆破必须控制得恰到好处，二是有效的柔性支护系统必须及时跟进到位。受现实条件限制，应力解除爆破需要充分发挥作用，以帮助弥补支护系统中锚杆不能有效发挥作用的不足。即便在没有锚杆的情况下，10cm厚度的喷层应该可以有效控制片帮的发生应力解除爆破必须有足够的深度，较长的应力解除区长度可以：1）增大应力解除范围通过结构面的可能性，2）给结构面所在部位提供更高的围压，限制破坏的产生，3）即使破坏发生，为开挖面围岩提供更大的缓冲区。推荐了水胀式锚杆（属于屈服锚杆）作为强岩爆段的临时支护锚杆。。水胀式锚杆之所以能被证明有效，并不是它比其他任何一种锚杆更优越，而是它对施工工艺的要求最低，能保证安装以后就发挥作用。由于表面支撑系统（喷层或钢筋网）本身承载能力有限，冲击荷载条件下支撑系统发挥的显著作用主要通过自身变形消耗能量的能力和将荷载传递给锚杆的能力，前者依赖其自身特性，后者则主要依赖锚杆垫板实现。因此，垫板成为将锚杆和表面支撑联系在一起、构成系统支护的重要元素。普通螺纹钢锚杆和机械胀壳式锚杆都是典型的刚性锚杆，二者的共同特征是刚性大强度高，但适应变形能力弱。同等条件下以螺纹钢锚杆的承载力更高。机械胀壳式锚杆能安装后即施加预应力的特点能保证在没有粘结材料情况下即可以及时发挥锚固作用。在工程实践中，螺纹钢锚杆一般都进行全场粘结处理，粘结方式可以是灌浆，也可以安装前充填环氧树脂。后者因为施工简单和能及时发挥作用而在矿山行业普遍应用，环氧树脂粘结的缺点是耐久性，因此很少作为永久支护使用。机械胀壳式锚杆在没有进行灌浆处理时也存在耐久性差、抗冲击能力不强等问题，民用工程因为永久性要求，一般对这类锚杆补充灌浆。尽管直接拉拔试验结果表明这两类锚杆的适应变形能力不强，但现实应用表明，全场粘结处理后的锚杆具有良好的抵抗被动冲击荷载的能力，比较无粘结的机械胀壳式锚杆和全长粘结的螺纹钢锚杆的实际抗爆效果，可以清楚地看出，全长粘结以后的锚固体具有良好的抗爆性。在近些年的深埋地下工程实践中，全长粘结的螺纹钢锚杆越来越受到人们的欢迎，并在不断取代传统的机械胀壳式锚杆，成为强岩爆条件下最常用的锚杆。目前中国市场上适应岩爆要求最好的锚杆为中空注浆锚杆，优点有：锚杆安装和锚固作用的及时性：中空注浆锚杆具备机械胀壳式锚杆的一些优点，即能快速安装和快速发挥作用，中空注浆锚杆安装后的预应力即能提供锚固力的特点满足强岩爆条件下的这一需要；水泥灌浆解决了防腐和耐久性问题，克服了水胀式锚杆和传统机械胀壳式锚杆不能作为永久支护使用的不足。缺点是：中空注浆锚杆属于刚性锚杆系列，适应变形能力可能相对不足，但是强岩爆条件下围岩的静态变形量一般不大，一般在刚性锚杆的承担范围以内。因此锦屏引水隧洞即采用这种锚杆。锦屏二级引水隧洞在实际操作工作中，应力解除爆破应该遵循如下几条原则：在明确掌子面前方具有诱发强裂震动的地质构造以后，应力解除孔应穿过该地质构造。在极强岩爆条件下，应力解除爆破孔深度应该达到爆破进尺的2倍以上，以超过2.5倍时安全性高，或者，孔底位于新掌子面前方至少3.0m处，其中的新掌子面是指解除爆破和开挖爆破完成以后形成的掌子面。在强岩爆条件下，应力解除爆破孔深度应基本达到2倍进尺深度，也就是说，在应力解除孔深度为4.8m的情况下，建议爆破进尺不超过2.5m。在强岩爆和极强岩爆条件下，掌子面前方解除部位的解除孔孔距应保持在2m左右的间距，极强岩爆条件下应力强烈集中部位可考虑降低到1.8m左右，应力集中不强的部位可以放宽到2.2m左右。确定应力集中部位的最好办法是通过现场验证以后的数值计算，现场也可以通过观察岩爆、破裂、发声的位置判断，这些部位通常是应力集中部位。特别地，当岩爆得到控制时，发声就成为重要依据，发声的部位可以良好地对应于应力集中位置，是高应力调整导致岩体破裂或破裂扩展的结果（岩爆监测的基本依据）。根据现场试验总结，应力集中区的装药量（装药量与被解除范围岩体重量之比）按不超过0.07kg/T考虑，其中只有在极强岩爆条件下的应力集中区装药量达到这一标准，其他部位应考虑在0.03－0.07kg/T之间。被解除范围是指解除孔孔底到新掌子面之间的距离内、按开挖全断面计算时获得的体积。孔斜的设计是考虑装药部位尽可能有效地解除应力、同时不至于使岩体损伤到需要增加加固工作量的程度，理想的效果是岩体中的一些潜在不利结构面发生变位、或产生一定程度的新裂纹来达到消除能量的效果。当潜在岩爆很强、应力集中突出时，解除孔可以超出开挖边界进入围岩中，原则上，顶拱部位超出的深度不应超过0.5m。边墙孔深度一般应小于其他孔，边墙孔装药段与边墙的最小距离应该在1.2m以上，但一般也不宜超过2.5m。顶拱岩爆特别突出的情况下，也可以考虑在顶拱围岩内设置解除孔。地下厂房支护设计统计工程名称年份厂房尺寸与走向岩性和围岩质量地应力条件围岩强度结构特征典型围岩破坏顶拱支护边墙支护备注广西右江百色水电站2002-2003147×20.7(19.5)×49mN62W华力西期辉绿岩。Ⅱ、Ⅲ类，以Ⅲ类为主，Q值的变化范围为5.2-16.2单块岩石抗压强度高、硬脆性明显、节理裂隙发育。J163构造蚀变带距上游边墙很近。T1节理与边墙走向平行：N60-75W，SW(少数NW)50-60这几组裂隙相互交切、组合，形成不稳定或稳定性较差的、大小不等的块体，结构面问结合力弱，开挖爆破易导致原本闭合的细微节理、裂隙张开或裂隙张开度加大整个厂房的喷护均采用厚15cm的钢纤维混凝土。锚杆支护：洞中心线上游128m高程以上采用砂浆锚杆(φ25@3×3m，L=5m)与(φ28@3×3m，L=7m)相间布置，128m高程以下采用砂浆锚杆(φ25@1.5×1.5m，L=5m)；洞中心线下游采用张拉锚杆(φ28@1.5×1.5m，L=7m)；在上游边墙与引水隧洞交叉处、下游边墙与尾水管、母线廊道交叉处、岩锚梁部位加设φ28、P=150kN、L=8-10m的张拉锚杆；厂房主机洞与主变室之间设两排对穿张拉锚索加强锚固。河南宝泉抽水蓄能电站1999NW39太古界登封群灰色花岗片麻岩I类围岩以自重为主的地应力场。σ1=115.28MPa，方向NF66-79，倾角40-60岩体稳定单一．没有断层通过，仅有4组主要节理，倾角均在7O-90之间，节理密度为0.15-O.29条／m，多闭合侧墙沿层面、层间错动产生剪切变形位移逐步加大。φ28，1.5×1.5m，L6、8相间，钢筋网φ8@0.2O×O.20，喷层厚度20cmφ28，1.5×1.5m，L6、8相间，钢筋网φ8@0.2O×O.20，喷层厚度20cm广西红水河龙滩水电站2009398.9×3O.7（28.9）×81.3三叠系中统板纳组轻微变质的浅海深水相碎屑沉积岩，由厚层钙质砂岩、粉砂岩、泥板岩最大主应力平均值l2-l3MPa，方向为N20-80W，岩层走N10-15W，倾向NE57-60。层间错动较发育围岩顺层面倾倒变形明显，出现锚杆断裂，应力突变150kN预应力锚杆，φ28、L=6与φ32、L=9.5相间布置，间距1.5×1.5m（Ⅲ类1.2×1.2m）。20cm钢纤维混凝土，外加一层厚15cm素混凝土保护层喷锚同顶拱，L=20m，2000kN无粘结预应力锚索，内锚段长8，问排距4.5m；发电机层以下Ⅳ类围岩区锚索长25拱脚处增加两排φ32、L=9.5的预应锚杆；在厚20cm钢纤维混凝土内部增加φ8@200钢筋网，用以限制泥板岩表层N50w互层夹少量层凝岩、硅质泥质灰岩成。质量中Ⅱ-Ⅲ类围岩水平应力大于垂直应力。劈理发展；主厂房和主变室之间增加2000kN预应力对穿锚索。云南澜沧江大朝山水电站1999233.5×26.4（24.9）×64.19N75W玄武岩、杏仁状玄武岩局部夹角砾熔。I类为主，Ⅲ类次之，少量Ⅳ类中等地应力区，侧压力系数1.82-2.2块状结构，岩体完整。岩体为单斜构造，缓倾向主厂房上游侧，内夹有凝灰岩软弱夹层，斜穿主厂房顶拱。F217断层规模较大，倾角75-88，分布在主变室和主厂房间；F168斜向通过主厂房，并与凝灰岩夹层及其它结构面组合成不稳定块体喷层20cm，钢筋网φ8@0.2×0.2，砂浆锚杆φ32@1.5×1.5L=6.2/8.2；树脂锚杆φ32@1.5×1.5（1×1），L=6.2/8.2，预应力12t；钢纤维混凝土加钢筋肋拱肋：喷层厚20-40cm；预应力锚索：100、160t及200t级，L=15/20/25，间距4.5/4，粘结式。边墙没有树脂锚杆和钢纤维混凝土拱肋，其他相同。针对厂顶缓倾角凝灰岩夹层45m长地段的处理，设计采用了喷钢纤维混凝土加钢筋拱肋的永久支护方式，取而代之原设计的混凝土村砌广西大广坝水电站87.1×14.2×37.4N75W斑状花岗岩岩体比较完整，近东西向有组陡倾角(倾角约80)的密集节理与厂房轴线的交角约12，节理间距为1O-30cm，充填风化泥，近南北向有两条大节理斜切主厂房。下游边墙施工过程出现变形急剧增长，达62mm/d。砂浆锚杆：顶拱及岩锚梁以下φ20@1.5×1.5锚深3.8，喷层15cm；岩锚梁以上为φ22@1.5×1.5锚深5m，喷层20cm。钢筋网：骨架筋φ10@1.5×1.5，网筋φ6@0.25×0.25增设8.2m长锚杆。乌江东风电站1991105．5×20×48N7E三迭系石灰岩以水平应力为主σ1=l2.2MPa，厂房轴线岩层走向NE45-75，倾向NE倾12-16，岩层层面发育．层间多充填泥碳质薄膜。厂房顶部及φ25@1.2×1.3L=5/7，挂网喷混凝土15cm；φ25@1.5×1.5L=4/5，挂网喷混凝土10-15cm；成77夹角，近乎正交上方存在两条软弱特性明显的夹层四川雅砻江二滩水电站1995280.29×30.7×65.38N6W正长岩和辉长岩，干抗压强度一般为l5O-216MPa。岩体质量属于中等至好σ1平均方向N23E，平均倾