水平层状围岩隧道钻爆施工

水平层状围岩隧道钻爆施工控制技术研究一、水平层状围岩隧道变形破坏特征1.水平层状围岩隧道的破坏形式多样,主要有以下两种破坏类型：1）弯折破坏:这类变形破坏是薄层状围岩变形破坏的主要形式。此种破坏主要是由于岩块抗弯能力不够而在一侧产生过大拉应力造成的拉坏；2）张裂塌落:这类变形破坏通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室拱顶。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时。即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝，被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶拱的塌落。但是顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小会使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当顶拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时，顶拱围岩又趋于稳定。水平层状围岩隧道顶板变形特征及机理2.水平层状围岩隧道顶板变形特征及机理在水平层状岩体中修建隧道，由于隧道顶板岩层在原始沉积时其沉积环境、颗粒大小和矿物成分的不同，地层中各岩层的岩性差别很大，在工程上表现为各层岩体的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、粘性模量等力学参数的差异。因此，隧道开挖后，其上覆岩层间将发生不协调变形，产生不同步的弯曲沉降，不同步弯曲沉降引起岩层在其层面薄弱带附近产生分离即形成离层。二、水平层状围岩隧道钻爆施工超欠挖控制1.水平层状围岩隧道爆破现场调查在含水平层状围岩的隧道钻爆法开挖过程中，光面爆破不易控制。前期光面爆破后可能会出现：断面难以形成设计要求的拱形轮廓，在隧道拱顶处爆破轮廓呈大面积平板状，而拱腰处呈锯齿状，凹凸不平。当围岩岩层本身强度较高而层面胶结较差，水平向节理发育时，上述情况表现更为明显。受层理、节理面的影响，爆破后渣堆中岩块大块率高，大块岩块表面由于爆破产生的新鲜岩面很少，多为节理裂隙所在的软弱面。2.水平层状围岩隧道光面爆破机理分析目前光面爆破理论认为周边眼连心线上应力波叠加产生的拉应力超过岩石抗拉强度，于是沿着连心线优先形成裂缝，随后爆生气体进一步使裂缝扩展，从而形成规整的爆破轮廓。因此有必要讨论应力波和爆生气体在水平层状围岩中的作用规律。1）节理对应力波传播的影响由于爆炸后应力波传播的复杂性以及节理、夹层本身的性质难以准确描述，以下只是以平面弹性应力波在不同介质界面传播规律为基础，讨论了应力波在水平层状围岩光面爆破中的传播规律。光面爆破周边眼采用不祸合装药结构时，爆炸后爆轰波激起的空气冲击波透射到炮眼壁后，可以认为沿径向传播的是柱面应力波。此时如果遇到节理!夹层等结构面，将发生复杂的透射!反射现象。而透射波和反射波的大小取决于结构面两侧岩石的波阻抗。如果应力波在夹层中由于衰减以至在界面上升值有限，则应力波在界面上很难透射，只会在夹层中不断反射直到能量耗尽。可见，夹层对应力波的传播起阻隔作用。对于隧道光面爆破而言，周边眼连心线上的应力波叠加受到影响。在拱顶，周边眼之间的裂缝往往沿着夹层弱面形成，因此容易形成平板状轮廓；在边墙部位，周边眼连心线垂直于夹层面，连心线上很难形成应力叠加，相当于单个炮眼独自作用。2）爆生气体的作用机理对于层状岩体，其完整性主要受结构面控制，由于大量结构面的存在，导致爆破应力波衰减速率加快，爆生气体外逸，造成爆破能量分布不平衡。另外，在有节理、夹层的水平层状岩体中爆破，应力波的传播受阻，其产生的裂缝范围减小并向距离夹层最近的方向扩展。3.水平层状围岩隧道超欠挖及其控制隧道超挖是以含允许超挖值的设计隧道开挖轮廓线为基准，将隧道实际开挖获得轮廓线与此基准相比较，基准线以外的部分成为超挖，以内的称为欠挖。如果隧道开挖施工期间持续出现大量的超欠挖现象，将带来一系列不利后果。最明显的后果是直接增加工程量，提高工程成本。而且，超挖部分需要进行回填，再一次增加了工程量并额外消耗大量的混凝土材料。相比之下,欠挖造成的后果更为严重。最后，从新奥法观点看，隧道超欠挖现象对围岩稳定也将产生不良影响。隧道超挖现象往往由装药量过大引起的，此时，爆破产生的冲击作用可能引起围岩的松弛，不利于保护围岩原来的承载能力。隧道超欠挖控制措施1）从提高钻爆法施工精度上控制超欠挖，在爆破施工中的施工精度主要为钻眼精度。2）从爆破技术上控制超欠挖。从降低炸药对炮眼的冲击，减少眼壁的粉碎性破坏出发，应重视以下参数的选择：①装药集中度，降低周边眼的装药集中度(必要时应同时减少二圈眼的装药集中度)，有利于降低爆破过程中对于需保留岩体的冲击；②药卷的直径，炮眼直径与炸药直径之比称为不偶合系数，选择合理的不祸合系数可以使爆破后爆炸应力波首先激起空气冲击波，当其作用在眼壁上时，冲击作用已大为缓和，有利于岩石破碎；③装药结构与堵塞质量，采用空气柱间隔装药同样有助于缓和爆炸应力波的冲击，利用合理的材料堵塞炮眼口可以充分发挥炸药的能量，对于提高爆生气体压力，增强裂纹增长效果明显；为了形成规整的轮廓线，应考虑以下参数：①周边眼间距，在装药集中度一定的前提下，周边眼间距增大，炮眼间的贯穿裂缝难以形成引起欠挖，间距减小，又会形成超爆现象引起超挖；②最小抵抗线，也称为光爆层厚度，与周边眼间距紧密相关；③周边眼密集系数，为炮眼间距与最小抵抗线之比。对于特定的围岩条件，周边眼密集系数应在一定范围之内，才能达到光爆层崩落的同时相邻炮眼之间的连心线裂缝的形成。3）根据地质条件调整光面爆破参数为更加有效的控制水平层状围岩隧道超欠挖,应从以下几个方面调整爆破工艺：①在拱顶,将炮眼位置向设计轮廓线内偏移，适当增大炮眼间距，少装药，减小最小抵抗线。由于节理!夹层等结构面平行于连心线，在炮眼距离夹层较近时或者存在发育的节理面时，应力波的反射拉伸作用使光爆层沿弱面崩落，并在水平方向延伸很宽,必然造成一定的超挖。因此，内移炮眼位置同时减少装药量可减轻弱面的破坏；②在拱肩位置，根据岩层厚度减小周边眼间距，同时减少药量。由于连心线与夹层面斜交，贯通裂缝难以形成，为保证裂隙向着利于轮廓成型的方向发展，应该减小周边眼间距，同时减小装药量在不增加装药量的同时，也可以采取增加空眼的措施；③在边墙位置,应该保证周边眼间距大于层间厚度。三、锚杆的作用机理对于锚杆的作用机理，存在各种理论，主要包括以下：1.悬吊理论。在岩质比较好的隧道中，开挖后往往不需要系统配置锚杆，只是根据围岩受节理裂隙切割的实际情况在局部配置一些单只锚杆，这些锚杆的作用是把可能崩落的不稳定岩块用锚杆固定在围岩深处稳定的岩体上。这样，锚杆是通过悬吊作用而产生支护效果。2.组合梁理论。在层状岩体隧道中，每层岩石都有一定的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，但相互间缺少粘结力或粘结力很弱，通过在顶板垂直打入锚杆进行支护，锚杆的轴向作用力将顶板各岩层夹紧，各分层相互挤压增强了各分层间的摩擦作用,提高层间抗剪力。3.减跨理论。锚杆末端固定在稳定岩层内，穿过不稳定的薄层状顶板，每根锚杆相当于一个铰支点，将隧道顶板划分成小跨，从而使顶板挠度降低，提高了顶板稳定性。4.内压作用。锚杆通过垫板和喷射混凝土层向围岩施加了径向压力，锚杆与围岩间的摩擦力和粘结力也向围岩施加了径向压力，这个径向压力增大了节理面或层理面的摩擦力，改变了隧道围岩壁面的应力状态，提高了围岩的承载能力。