37隧道岩爆处理作业指导书岩爆作业指导书.docx
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37隧道岩爆处理作业指导书岩爆作业指导书
隧道岩爆处理作业指导书岩爆作业指导书
(作者:
行云流水)
1.适用范围
适用于深埋的Ⅱ级围岩段。
隧道埋深最大埋深**m,深部围岩为微风化熔结凝灰岩或正长斑岩,为较坚硬岩~坚硬岩,微风化凝灰质砂岩较软岩,岩体呈块体状,沿线发育4条构造破碎或节理裂隙密集带(F04、F05、fmqm1、fmqm2),宽度5~50m不等。
据当地区域地质资料,本区埋深大于300m的Ⅱ级围岩段局部存在发生弱岩爆可能。
2.作业准备
2.1内业技术准备
认真审核图纸,牢记图纸要求的技术参数,对施工中可能遇见的难题,制定相应的应急措施。
对负责岩爆处理的技术人员加强技术培训与指导,令其熟悉规范及技术标准,对所有参与岩爆处理的施工人员作技术交底。
2.2外业技术准备
岩爆区激光量测断面,大致掌握岩爆区轮廓状况,观察岩爆周边区域围岩、支护情况,做记录,做好岩爆影像资料的留存工作。
组织好人员、设备、材料的抢险准备工作。
3.技术要求
3.1处理岩爆以安全为第一要素,必须在基本安全状态的下处理。
3.2处理岩爆坑不能侵限,要基本满足设计开挖轮廓线的要求。
4.岩爆基本知识
在地应力高的硬脆完整岩体中开挖,开挖后坑壁围岩应力重新分布、异化,导致局部围岩破坏,使的储存在岩体中的应变能突然释放,造成岩体破裂、剥落、掉块甚至弹射等的一种动力现象。
岩爆是一种地质灾害。
4.1岩爆类型:
按照破坏程度分为两类:
松脱型和暴脱型。
松脱型岩爆:
系指破裂的岩板(片、块)部分已与洞壁母岩脱开,产生一定的空隙(岩爆裂隙),其余部分与母岩之间的整体性较好。
爆脱型岩爆:
系指岩体块已完全脱离母岩,常形成明显的岩爆坑。
爆裂声响如枪声或炮弹声。
4.2岩爆分级:
按照岩爆发生的剧烈程度可以分为四种:
轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、极强岩爆。
轻微岩爆(Ⅰ级):
围岩表层无声响或不易察觉的微弱响声,劈裂的岩块自由下落或松弛后下落,规模小,表现为岩坑较浅,爆落岩片尺寸小、数量少,多为破裂剥落型,对施工影响小。
Rb/σmax处在4-7范围内。
中等岩爆(Ⅱ级):
爆裂脱落、剥离现象较严重,岩屑或岩块向临空面弹出,伴有清脆爆裂声,表现为岩爆坑连续分布,规模较大,坑径可达数米,坑深一般小于2m,爆落岩石尺寸较大,数量多,多为弹射型及破裂剥落型。
Rb/σmax处在2-4范围内。
强烈岩爆(Ⅲ级):
对施工有一定影响,岩爆时伴有巨响,具有锐利边棱的大小岩石碎片迅猛飞出,表现为岩爆坑连续分布,坑深一般都在2m以上,爆落岩石尺寸大,数量多,且造成围岩大面积开裂失稳,严重威胁施工人员及设备安全。
Rb/σmax处在1-2范围内。
极强岩爆(Ⅳ级):
对正常施工及硐室影响大剧烈的爆裂弹射甚至抛掷性破坏,有似炮弹巨响声,岩爆具有突发性,并迅速向围岩深部发展,影响深度可大于2m,严重影响甚至可以摧毁工程。
Rb/σmax小于1。
4.3岩爆时间:
岩爆发生时间没有具体的规定。
可在开挖后立即发生,也可能数小时后发生,也有在数月后发生的。
4.4岩爆地点:
岩爆高发区有两个,一个主要集中到距离掌子面2-3m的范围内,一个在1-2倍的洞跨处,也有的可能在掌子面后方数百米的地方。
4.5岩爆现场判定:
①、岩石越新鲜、完整和干燥,岩性越脆硬,岩爆发生的可能性越大。
即岩体为整体结构、类整体结构、块状结构的洞段易发生岩爆。
②、抗压强度越大,发生岩爆的可能性与量级越大。
③、在断层带附近的完整岩体部位易发生岩爆。
④、复杂的地质构造带容易发生岩爆。
如向斜、背斜、褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等等。
⑤、在钻孔过程中还可以获得诸如爆裂声、摩擦声和卡钻现象等具有辅助判断作用的动力响应信息。
⑥、岩爆部位以拱肩或腰部为多。
⑦、岩性发生变化附近,易发生岩爆。
⑧、超前钻孔出现饼化现象的地段,岩爆的危险性很大。
⑨、听到岩石劈裂的响声和看到随后岩块的掉块现象可能会发生岩爆。
4.6岩爆预测方法:
常用预测方法可分为五类:
力学分析法、数学与数值计算法、地质综合分析与预测法、监测预测法和综合法。
4.6.1力学分析法:
包括烈度分级规范法、岩爆倾向性指数法、能量冲击性指标法、应力强度比法、脆性指数法、单轴抗压强度法等;
烈度分级规范法:
见本文岩爆烈度分级
岩爆倾向性指数法:
岩爆倾向性指数(Wet)法是由波兰A.Q.Kidybinski提出的,利用岩石单轴抗压强度试验,将试件加载到其峰值强度的70~80%,然后卸载。
卸载所释放的弹性应变能(
)和耗损的弹性应变能(φST)之比值,定义为岩爆倾向性指数(Wet),用于判断和预测岩爆,波兰将此法纳入国家规范,根据波兰国家标准:
Wet≥5.0,将出现严重岩爆;
Wet=2.0~4.9,出现中、低烈度岩爆;
Wet<2.0,则不产生岩爆。
能量冲击性指标法:
根据岩石在刚性压力机上得到的应力~应变全过程曲线,来求取岩爆能量冲击性指标Acf,Acf表达式如下:
式中:
A1为应力~应变峰值前的曲线与应变轴所包围的面积;A2为应力~应变峰值后的曲线与应变轴所包围的面积。
应力强度比法:
洞室开挖后二次应力场最大切向应力
和岩石单轴抗压强度
之比值
/
可作为作为岩爆判据,但具体岩爆发生判据视具体工程而言略有不同,如二郎山公路隧道岩爆研究结果表明
/
介于0.3~0.5之间发生轻微岩爆,中等岩爆洞段
/
介于0.5~0.7之间,而发生强烈岩爆时,
/
比值至少应大于0.7。
脆性指数法:
岩石的脆性可以用脆性指数,即岩石峰值强度前的总变形与永久变形之比来描述,比值越大,脆性越高。
脆性指数越大,岩爆越强烈,对应关系见下表
岩石脆性指数与岩爆强度的关系
岩石脆性指数
0~0.4
3.5~5.5
5.0~7.8
>7
岩爆发生强度
无
弱
中等
严重
单轴抗压强度法:
岩爆一般应满足:
UCS>80MPa,瑞士在“SIA98号岩体分级标准”中规定,可能发生岩爆的第Ⅰ类岩体的条件是UCS>10MPa,Φ>40°,C>2.0MPa。
4.6.2数学与数值计算法:
包括模糊数学综合评判预测法、BP神经网络预测法、分形预测法、突变理论预测法、层次分析法和数值计算法等;
模糊数学综合评判预测:
谭以安(1998)、王元汉等(1998)认为,岩爆是受多种因素制约的模糊问题,其内在联系很难用一个精确的数学公式加以表达;因此,可以采用模糊数学综合评判方法,选取影响岩爆的一些因素(诸如地应力大小、岩石抗压和抗拉强度、岩石弹性能量指数、岩体结构与水文地质特征等),对岩爆的发生与否及其烈度级别进行预测。
BP神经网络预测法:
BP网络是一个有指导性前馈型网络系统,由输入层、隐蔽层(可有多层)和输出层三个部分组成,每层有若干个神经元组成。
采用人工神经网络进行岩爆预测,能够利用以往的工程资料研究现在的工程问题,不必寻求建立解析判据,减少了人为的干扰从而更具客观性;并且具有很强的抗干扰性,使实测的资料个别误差不会对预测结果产生很大的影响;同时方法可以综合考虑更多的影响因素。
但其目前只能对是否有岩爆发生进行预测,而对于岩爆发生的具体部位和范围、能量大小、区域地应力场分布等却无能为力。
分形预测法:
谢和平利用分形几何和损伤力学研究了岩爆诱发的微地震,使用分形的数目-半径关系考察了已报导的微地震事件的位置分布,发现它具有集聚分形结构。
当接近—个主岩爆时,微地震事件的集聚程度明显增加,并相应地出现分形维数值的减小。
最低的分形维数值通常出现在一个主岩爆临近产生之时。
这样,分形维数的变化就有可能用来进行岩爆的预测预报。
突变理论预测:
单哓云等认为,岩爆的产生总是具有一定的突发性,同时伴随巨大的能量释放。
因此,在岩石坚硬,完整的高地应力地区开挖巷道时,岩爆的预测预报研究是不容忽视的问题。
岩石在产生变形时,内部积聚的能量就释放出来,这些被释放能量的一部分以声波形式传播,这种现象称为岩石声发射。
声发射技术是岩石力学用以预报岩体结构工程失稳的重要方法之一,声发射参数在一定程度上反映了岩体结构的状况。
它们在岩体破坏时的临界值,一般作为岩体破坏的准则。
国内外较多采用的判断参数是声发射率或能率,当其达到一定程度时便作预报。
但这种方法有一定的局限性,由于声发射参数的多样性及变化规律受多种因素影响,单一参数难以全面反映岩体破坏状态,而利用突变理论对声发射参数进行处理,建立岩爆预测预报模型,从而对岩爆进行预测。
层次分析法:
层次分析法(AHP)是把复杂的问题分解成各个组成因素,又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构,通过两两比较的方式确定层次中诸多因素的相对重要性,然后综合决策者的判断,确定决策方案相对重要性的总的排序。
因此,将层次分析法与模糊数学结合,将解决评判因素过于单一,权重分配主观性和片面性的缺点。
数值计算法:
利用专业力学计算软件和二次开发语言,可以有效结合相关数学方法,提出岩爆发生的本构模型和判据,从而从力学和数值计算双重角度研究岩爆,得出与实际工程结合更为密切与接近的计算结果和预测结论,然而,目前此方法的发展速度仍然很慢,没有达到理想的结果,岩爆相关数据库的建立也不完全。
4.6.3监测预测法包括声发射监测预报法、电磁辐射监测预报法、微重力法等。
声发射监测预报法:
根据李强(1994)和Langstaff(1977)资料,无论是室内试验,还是现场初步监测结果,结果都表明:
声发射信号急剧增加超前岩体(石)的变形破坏,根据这一特点,可以将岩体声发射技术推广应用到岩爆监测预报中去。
目前,该方法尚处于试验阶段。
电磁辐射监测预报法:
电磁辐射监测预报法是依据完整煤(岩石)压缩变形破坏过程中,弹性范围内不产生电磁辐射,峰值强度附近时电磁辐射最强烈,软化后又无电磁辐射的原理,采用特制的仪器,现场监测煤(岩)体变形破裂过程中发出的电磁辐射“脉冲”信号,通过数据处理和分析研究,来预报煤(岩)爆。
这一方法首先由俄罗斯学者提出,我国王来贵等人也在开展具体应用研究工作,目前该方法主要应用在煤爆监测预报领域。
微重力法:
地下工程开挖,将引起岩体变形,从而诱发岩体重力密度变化及密度重分布;岩爆发生之前,岩体内部因为裂隙的形成及扩展,岩体密度将有明显降低的趋势。
微重力法就是根据这一理论来预测岩爆的。
4.6.4地质综合分析与预测法:
岩爆是岩体弹性应变能突然释放而产生的一种施工地质灾害,岩爆要发生必须具备一定的条件,一是要有高能量来源,即具备高地应力条件;二是要有具备储存高能量的环境,有强度高的岩体。
三是应力的释放条件,即有开挖卸荷使得弹性应变能有空间释放出来。
通过地应力、岩性、构造地质和水文地质等条件的地质综合可以给出岩爆预测的粗略结论。
高地应力区地下工程施工过程中,围绕岩爆问题开展全面、系统的施工地质调研工作,查明岩爆发生的基本规律,从而利用与岩爆有关的某些特殊地质现象来正确预测岩爆,这对保证安全施工和优化工程措施等均具有重要意义。
4.6.5综合法:
综合分析岩爆影响因素、广泛收集资料、系统分析工区地质和力学条件,综合利用岩爆预测方法可以有效提高岩爆的预测精度和准确度,规避施工风险,保证施工和运营安全,提高工程质量和加快工程进度。
4.7岩爆防治:
岩爆是一个世界性难题,对于岩爆的防治,通过大量的工程实践及经验的积累,目前已经形成了一套行之有效的治理岩爆的措施,主要有:
加固围岩、完善施工方法、改善围岩应力条件以及改变围岩性质等。
4.7.1围岩加固措施:
对已开挖洞室周边的加固以及掌子面前方的超前加固,其作用有两个,一改善掌子面本身及1~2倍洞径洞段内围岩的应力状态;由于支护的作用,不但改变应力大小的分布,还能使洞壁从双向应力状态变为三向应力状态。
二防护作用,防止弹射、塌落等事故。
从工程实例来看,目前采取的加固方法主要有以下几种:
(1)喷混凝土法
弱岩爆洞段,对洞壁喷射5~10cm厚的喷射混凝土可有效防治岩爆。
在清除拱顶部位因岩爆产生的松动石块以后,施作喷混凝土覆盖岩爆坑。
喷混凝土具有减弱岩爆的效果,用来保护施工人员和设备的安全,以防止锚杆之间的岩石碎片飞出。
其主要作用是将未清除干净的小块石粘结在一起,以免落下伤人。
另外,岩面被覆盖后,若岩爆继续发展,也可以从喷层的开裂、剥落上观察出来。
同时只要喷层厚度足够,一般可以防止继续剥落。
(2)喷钢纤维混凝土法
钢纤维混凝土比普通喷射混凝土具有大的多的柔性和抗剪能力,能够承受较大的变形而不使表面开裂。
钢纤维混凝土比较适合处理轻微岩爆。
(3)系统锚杆
锚杆是加固和治理中等岩爆最有效的方法之一,及时施作锚杆不仅可以加固岩体,还可以改变洞壁岩体的应力状态,改变岩爆的触发条件,从而达到防止岩爆发生的目的。
(4)钢丝网、钢支撑
如果岩爆发生频繁且较剧烈,通常采用钢丝网或钢支撑配合锚喷支护对围岩进行加固
4.7.2优化施工方法:
将深孔爆破改为浅孔爆破,减少一次装药量,拉大不同部位炮眼的雷管段位间隔,从而延长爆破时间,减轻爆破对围岩的影响,减小爆破动应力场的叠加,降低岩爆频率和强度。
改变洞室的开挖断面形状,把洞室直接或近似开挖成相应于岩爆后围岩稳定的洞室形状,如“A”字形、不规则的梯形等,从而减小岩爆的程度。
在强烈岩爆区用台车打应力释放孔等。
4.7.3改善围岩应力条件:
从强度理论角度看,岩爆是一种破坏,伴随着破坏释放能力而造成震动、抛突、坍落等灾害,因此如果使得围岩应力远小于围岩强度就不会发生岩爆。
要达到这一目的,从施工的角度来看有下述几种方法:
(1)、爆破开挖采用短进尺、多循环。
(2)、应力解除法。
即在围岩内部造成一个破碎带,形成一个低弹性区,从而使掌子面及洞室周边应力降低,使高应力转移到围岩深部,一般通过打超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破。
4.7.4改变围岩性质:
注水软化。
5.施工工序与工艺流程
门前山隧道在左洞1处发生的岩爆较大,但很快稳定,处理起来相对速度也快一些,其他洞段岩爆都较轻微。
在本隧道处理岩爆的方法主要有两种:
①挂特殊钢筋网+锚杆+喷设混凝土②立钢拱架+锚杆+普通钢筋网+喷射混凝土。
5.1施工程序
施工准备→轮廓线处理→喷射混凝土→立钢拱架、打锚杆、挂钢筋网→复喷混凝土。
5.2工艺流程
6.施工要求
6.1施工准备
(1)将岩爆掉落的石碴暂时清理,清理长度以一次可支护的长度为宜,约3~5m。
也可以将石碴暂时向掌子面方向堆砌,待施工几个循环后再岀碴。
(2)将施工用设备、材料运送至施工现场,作业面针对可能发生的情况做好安全提示。
(3)值班班长和安全员全程安全监控、不得脱岗。
(4)准备好基本的医疗救助设备、救援物资及应急车辆。
6.2施工工艺
6.2.1轮廓线处理
轮廓线处理是岩爆发生后最容易出现安全事故的一个环节,稍微不慎有可能引发更大面积的塌方,因此在测量岩爆后轮廓线时尽量准确,能不处理就不处理,只要尽最大可能保证后期二衬厚度即可。
如果岩爆情况较重,需要立钢拱架,则需对岩爆后的轮廓线部分进行扩炮处理,将影响拱架架立的部位进行刷帮,这一部分处理时,尽量采用多打眼、打浅眼、少装药的形式,避免因扩炮造成塌方及后续的其他地质灾害。
6.2.2初期支护
(1)对岩爆严重地段,采用立钢拱架+锚杆+普通钢筋网+喷射混凝土的处理措施,在立架前需先喷3~5cm的混凝土、封闭岩面,给后续施工形成相对安全的空间。
初喷之后,架立拱架、装锚杆、挂钢筋网,拱架间采用纵向连接筋连接,拱架、锚杆、钢筋网要形成有效的组合连接体,形成共同受力,确保施工安全。
拱架、锚杆、钢筋网的具体施工工艺参照相关的作业指导书。
(2)对于岩爆轻微地段,本隧道主要是拱顶掩体层层剥落,形成拱顶岩爆坑,拱肩部位岩体犬牙交错,部分与母岩脱离,形成裂隙,敲击有空鼓声,但用挖机碰撞不掉。
对于此类岩爆面,则需采用挂特殊钢筋网+锚杆+喷设混凝土的方式进行初期支护。
主要施工如下:
先喷3~5cm的混凝土、封闭岩面,然后钻锚杆孔、装锚杆,挂特殊钢筋网,然后再复喷至设计厚度。
“特殊”钢筋网不是隧道经常用到的钢筋网片,而是类似于格栅拱架,仅仅是用1根钢筋做肋环向顺着岩面弯曲而成,每根环向钢筋纵向间距20~30cm,纵向用同规格钢筋作为连接筋,将环向钢筋连接到一块,与锚杆、普通钢筋网片、喷射混凝土组成共同受力体。
用钢筋代替拱架做肋,不仅施工方便、加快了施工进度,同时也能保证支护的强度,能有效的加固围岩,节约支护成本。
6.2.3监控量测
支护完成后,测量班要及时进行拱顶下沉及洞内收敛量测,每日将数据汇总分析,及时反馈现场,有效指导施工,规避风险。
7.劳动组织
施工人员应根据机具配备、现场条件、已确定的方案及工期要求配置,一般配置如下:
负责人
1人
技术主管
1人
专兼职安全员
1人
工班长
2人
技术、质检、测试人员
6人
工人
10~12人
8.材料要求
1、水泥:
水泥采用42.5(R)硅酸盐水泥。
水泥供应商应提供产品出厂合格证及出厂日期,并对其进行抽检。
利用水泥净浆标准稠度与凝结时间测定仪做标准稠度用水量、凝结时间和安定性试验。
进行碱骨料反应试验,选择合格且无碱骨料反应的水泥和骨料。
2、碎石:
现场取样做试件,用压力试验机检验压碎值。
3、砂:
应质地纯净、含泥量小、品质优良。
对原材取样,做砂石筛分试验,确定其级配。
然后用烘干机、天平测其含水量、干容重等。
4、水:
经化验应确定对水泥、混凝土无侵蚀时,方可为本工程用水。
5、钢材:
厂家提供质保证书,经试验检测合格方可用于本工程。
检测过程中,应配备足够的技术人员和仪器设备,与监理工程师一起把好自购材料的质量关。
检验、检测均由质检部门、中心试验室、施工队三级检验检测人员负责进行。
9.设备机具配置
根据本工程实际需要配备如下机具:
YT28型气腿式凿岩机
4把
20m3空压机
1台
挖掘机
1台
装载机
1台
冷弯机
1台
电焊机
2台
钢筋切断机
1台
钢筋调直机
1台
干(湿)喷机
2台
运料车
1辆
10.质量控制及检验
10.1质量控制
(1)严格控制刷帮时的炸药用量及钻孔参数,确保不因刷炮造成大面积的塌方引发二次灾害。
(2)测量班严密监测洞内围岩及支护变化情况。
(3)保证初支后二衬的厚度,避免出现二衬厚度不足的现象。
10.2质量检验
岩爆处理时涉及到的锚杆、钢筋网、拱架、喷射混凝土、洞身开挖等项目,在检查时遵循《公路工程质量检验评定标准》的要求。
11.安全及环保要求
11.1安全要求
(1)所有施工人员必须戴安全帽,遵守相关安全规章制度,经安全培训合格后再上岗,否则不得进入施工现场。
(2)安全员全程监控围岩及支护变化情况,如有险情及时通知人员设备撤离,待险情解除后再行安排施工。
(3)特种作业设备需专人持证上岗操作。
(4)严格遵守用电规定,非电工不得进行与电有关的操作。
11.2环保要求
(1)所有施工人员必须得到有效的环保知识培训,具备基本的环保意识。
(2)施工时产生的垃圾要集中处理,不得乱丢乱弃。
(3)具备良好的通风、照明条件,各类施工产生的烟雾及粉尘要及时排出。
(4)严防设备漏油,被油污污染的要及时处理。
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