1、深埋隧洞典型岩爆案例分析深埋隧洞典型岩爆案例分析冯夏庭冯夏庭 岩土力学与工程国家重点实验室岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院武汉岩土力学研究所2013.08.10全国防治煤矿冲击地压高端论坛，2013.8.10-11，哈尔滨提提 纲纲一、受结构面控制的岩爆案例分析一、受结构面控制的岩爆案例分析二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆案例分析二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆案例分析三、底板开裂及上抬岩爆案例分析三、底板开裂及上抬岩爆案例分析四、岩爆孕育过程的数值仿真分析四、岩爆孕育过程的数值仿真分析五、基本认识与思考五、基本认识与思考一、受结构面控制的岩爆案例分析一、受结构面
2、控制的岩爆案例分析 1.结构面对岩爆位置的控制结构面对岩爆位置的控制SK9+2839+317极强岩爆极强岩爆(1128 岩爆岩爆)p 结构面的存在导致排水洞SK9+2839+322开挖过程发生多次高等级岩爆(TBM，2009)岩爆区域岩爆区域2360 mT2b900010000 北 硬性结构面(断层)排水洞南 北面向西榀拱架严重变形榀拱架断裂榀拱架断裂p10月9日,SK9+3019+322发生极强岩爆，导致掌子面处TBM刀盘被卡住，至10月26日仍然未清理完毕p11月6日17:52，SK9+292.2发生强烈岩爆，响声很大，导致TBM中心线再次出现偏移现象，其中水平为13.4mm，高差为8.9
3、mm。SK9+2969+291(向掌子面前延伸1m)p11月7日3:09刀盘内部、护盾内侧发生强烈岩爆，响声很大，导致TBM左侧锚杆钻机减速器及刹车等损坏，TBM再次卡机护盾上部石渣 锚杆钻机3mSK9+2919+289断面北侧拱肩 2mSK9+2929+290断面南侧腰线 1mSK9+2929+291断面顶拱 p2009年11月7日强岩爆后，11月13日恢复掘进后两天(向前开挖不到4m)，即11月15日18:06和18:58 SK9+292 9+288再次发生极强岩爆，导致TBM再次卡机排水洞面向西爆坑边界线p2009年11月28日0:50左右,SK9+2839+317发生极强岩爆，爆坑深约
4、58m，掌子面后方约30m范围的支护系统全部被毁损，TBM严重损坏，爆出岩块估计达400余方，导致7人死亡硬性结构面(断层)面向西硬性结构面(断层)排水洞8mp原因分析:结构面剪应力超过静剪切强度 FAI:2 LERR集中FAILERR硬性结构面(断层)硬性结构面(断层)启示1.断裂、硬性结构面对岩爆孕育起到促进作用2.预防岩爆：p 加强断裂的预判p 仅靠支护是不够的p 间歇开挖低速率匀速开挖p 导洞+TBM扩挖p 开挖由断裂上盘向前推进结构面对即时型岩爆孕育机制的影响p随着结构面条/组数的增加，岩爆孕育机制变得越发复杂：张拉事件比例降低，而剪切和混合事件的比例相对增加010203040506
5、0708090100张拉剪切混合无结构面一条结构面二条结构面百分比/%岩石破裂类型二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆案例分析二、受爆破扰动诱发的时滞型岩爆案例分析1.上台阶开挖时滞型岩爆上台阶开挖时滞型岩爆p 2011年8月29日SK4+9905+020发生中等时滞型岩爆，滞后开挖时间35天，滞后贯通掌子面（8月28日12:50）180m；岩爆破坏范围高24m，长30m，最大坑深0.9mp 支护：初喷+系统锚杆p 地质：T2b灰白色厚层状粗晶大理岩，岩体较完整，属类围岩系统锚杆系统锚杆随机锚杆初喷风筒桩号 40005000F51900mT2b岩爆位置p 微震活动特征：活跃平静 再度活跃平静岩爆p
6、原因分析:(1)聚集了大量未得到充分释放的应变能，提供了能量基础 (2)频繁受到附近掌子面，尤其是3-4-W掌子面的爆破扰动作用岩爆段位于(X-3D，微震事件及掌子面分布岩爆段位于-3DX0爆破扰动情况微震事件随时间演化规律0501001502002503003504007/267/318/58/108/158/208/258/303-1-W3-2-W3-3-W3-4-W3-P-W爆心距/m爆破时间/月-日02468107/11 7/16 7/21 7/26 7/31 8/5 8/10 8/15 8/20 8/25 8/30 9/49/9 9/14微震事件数/个日期/月-日X-3D-3DX0X
7、-3D,岩爆后岩爆孕育期X掌子面与岩爆 区域的距离，前“+”,后 “-”D隧洞跨度中等时滞型 岩爆岩爆区位于 0X1.5D2.下台阶开挖时滞型岩爆下台阶开挖时滞型岩爆11.4日掌子面10.29日岩爆位置辅引110.29日掌子面11.4日岩爆位置排水洞4#引水隧洞3#引水隧洞断层掘进方向p 岩爆段支护情况：上断面：已完成系统锚杆，挂有钢筋网，并已喷射混凝土 下断面：暂未支护F桩号80009000272387mT2b岩爆时间(2011)岩爆位置引(4)距下断面开挖时间及距离距上断面开挖时间10.298+237248 10天56m113天11.48+22023715天50m117天岩爆位置微震事件随
8、时间演化规律01234566/237/87/238/78/229/69/2110/610/2111/5日期/月-日微震事件/个开挖期数据缺失开挖卸荷效应影响范围之外（X-3D）落底开挖强烈时滞型岩爆开挖卸荷效应影响范围之内停止监测横剖面图10.29岩爆11.4岩爆平面投影图10.29岩爆p 原因分析：断层附近应力异常区 上台阶开挖后，爆破扰动下，微震活动活跃，岩爆段聚集大量应变能 钢筋网外露，系统支护未完全发挥作用 落底开挖使应力发生再调整 落底爆破扰动诱发应变能突然释放，导致岩爆p下台阶开挖下台阶开挖开挖前：开挖前：检查上断面岩体破坏情况，及支护效果，尤其是拱脚支护效果，对其进行综合分析后，
9、根据需要进行必要的加强支护开挖时：开挖时：采用机械施工，改进爆破工艺，控制每次爆破开挖方量开挖后：开挖后：开挖通过后，密切关注原微震活动活跃区域岩体稳定性，及时加强支护，避免或降低落底开挖扰动诱发时滞型岩爆，最大限度地降低岩爆造成的损失启示p数条隧洞平行布置时，优先开挖距其最近的隧洞，且各掌子面沿轴线方向拉开一定距离、呈阶梯式推进，利用其开挖空间进行减震2#洞掌子面11+00611+02311+060南侧裂缝该条裂缝局部可见深度约1m，张开约10cm该部位排水沟鼓起、拱脚围岩弹射造成钢筋网损坏11+050该部位已施工锚杆脱落悬空掘进方向出渣装载车振动偏移北侧拱肩之前已多次岩爆，局部坑深2m11
10、+015北侧NWW结构面西东北侧1.上台阶开挖：引上台阶开挖：引(2)11+02311+060极强岩爆极强岩爆p2010年2月4日14:53发生，底板开裂三、底板开裂及上抬岩爆案例分析岩爆前局部岩爆坑深达2m引(2)11+02311+060m洞段南侧拱脚围岩普遍弹出脱落11+05011+060洞段南侧边墙部位钢筋网受岩爆碎石冲击脱落该洞段排水沟鼓起开裂，地下水经由开裂岩石底部流出岩爆主爆区涨壳式中空注浆预应力锚杆，T=80kNNWW结构面V形爆坑出渣装载车移位，挡风玻璃完全脱落岩爆主爆区已装半车岩渣挡风玻璃完全脱落裂缝贯通上台阶底板，可见深度1m，宽约10cm，该段围岩完整，无明显结构面p 原
11、因分析 岩爆段位于向斜核部附近地应力异常区 NWW结构面导致局部高应力集中 及时有效的上断面喷层和系统锚杆支护，提高了岩体极限储能，使积蓄的应变能因无法得到释放而向无支护或支护薄弱的拱脚和底板转移 马蹄形断面的拱脚存在高应力集中，形成高能量聚积 爆破扰动的触发(岩爆区距掌子面约15m，发生于爆破后48分钟)1000012000110001952mT2b向斜核部应力异常区岩爆位置NWW结构面喷层系统锚杆V形爆坑3-4-W，引(4)6+0106+025底板上抬原底板线3-P-W，SK5+5405+560南侧边墙岩爆边墙开裂3-4-W掌子面3-P-W掌子面2.上台阶开挖二：上台阶开挖二：4#引水隧洞
12、引引水隧洞引(4)6+010 6+025极强岩爆极强岩爆p2011年4月16日发生，底板上抬，其中掌子面附近达2mpSK5+5405+560南侧边墙发生中等时滞型岩爆，北侧边墙初喷开裂p3-4-W与3-P-W岩爆发生于3-4-W放炮后27分钟，两者几乎同步发生，前后相差约17秒50m6000桩号p埋深约2100m，岩性为T2b灰白色厚层状细晶大理岩；发育2-3组节理p3-4-W与3-P-W已完成系统锚杆支护2100mT2b岩爆位置3-4-W，引(4)6+0106+025原路面垫渣0.5m底板新鲜岩层上抬1.5m系统锚杆南侧拱脚围岩已完全破碎北侧拱脚围岩已完全破碎3-3-W3-4-W3-P-W底
13、板上抬中等时滞型岩爆p 原因分析：(1)底板聚集高应变能3-4-W岩爆区南侧隔离岩柱内事件聚集且多为大事件，岩体破裂活动剧烈，高应力集中向3-4-W底板转移，形成高能量聚集区3-4-W岩爆区岩体较完整，属类围岩，聚能能力较强；而岩体破裂活动较缓和，能量未得到很好耗散上台阶开挖期间微震事件随时间演化规律上台阶开挖期间微震事件空间分布-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.503691215183/294/14/44/74/104/134/164/19累计微震能事件当地震级大事件分界线累计微震能E/106J事件当地震级时间/月-日-0.23-4-W岩爆岩爆-2.5-2.0-1
14、.5-1.0-0.50.00.51.01.5036912151821243/294/14/44/74/104/134/164/19累计微震能事件当地震级大事件分界线累计微震能E/106J事件当地震级时间/月-日-0.2岩爆岩爆3-P-W(2)上断面系统锚杆紧跟掌子面，有效提高了围岩强度和极限储能能力，导致应变能向未进行任何支护、强度相对较低的底板转移(3)马蹄形断面的圆弧面上光滑、成型好，应力分布均匀，不易形成应力集中，而拱脚处存在高应力集中，现场破坏情况证实了这一点3-4-W岩爆发生区域系统锚杆系统锚杆3-4-W掌子面附近北侧系统锚杆及拱脚破坏系统锚杆两侧拱脚围岩已完全破碎下台阶上台阶(4)
15、爆破扰动强烈 频繁受到附近掌子面爆破扰动作用 3-4-W掌子面4月16日8:30炮次：进尺4m，炸药450kg，比平均药量多出近80kg，为近半月来药量最大的一次爆破；岩爆发生于爆破后27分钟3-4-W洞段开挖期间每次爆破药量情况(2011年)2002503003504004505005504/24/54/84/114/144/17时间/月-日每次爆破药量/kg与岩爆对应的炮次平均药量3-3-W3-4-W3-P-W底板上抬73m107m附近掌子面爆破对岩爆段的影响3.下台阶开挖：下台阶开挖：3#引水隧洞引引水隧洞引(3)5+7305+790强烈岩爆强烈岩爆p 2011年11月26日19:10
16、发生，北侧边墙爆坑最深约3m，洞底上抬约60cm，引(3)5+730742洞底多处裂开。26日掌子面桩号约引(3)5+742p 埋深：1963m，岩性为T2b灰白色厚层状细晶大理岩p 岩爆段周围支护情况：上断面：已完成系统锚杆，挂有钢筋网，并已喷射混凝土下断面：刚开挖，暂未支护50004000F560001963mT2b工程地质剖面图岩爆位置引(3)5+790引(3)5+730引(3)5+742引(3)5+770引(3)5+742引(3)5+730上断面（已完成开挖）上断面底板下断面（已完成开挖）N引(3)5+780掌子面、引(3)5+730742上断面底板开裂引(3)5+742790下断面北
17、侧边墙岩爆爆坑引(3)5+742780 下断面底板抬升（最高约60cm）引(3)5+542770下断面南侧边墙岩爆爆坑与开裂引(3)5+742790北侧边墙（清理后，最深约达3m）上断面与下断面分界线爆坑最深处引(3)5+742770 南侧边墙引(3)5+730742上断面洞底多处裂开引(3)5+742780 洞底抬升（最高约60cm）抬升部位上台阶开挖微震事件随时间演化规律-4-3-2-10123024681012146/106/206/307/107/207/308/98/198/299/89/18累计微震能事件震级大事件分界线日期/月-日累计微震能/MJ事件震级发生岩爆时段未发生岩爆时段
18、-0.26.207.57.69.3上台阶开挖微震事件空间分布规律岩爆区岩爆区(a)横剖面(a)横剖面(b)平面投影(b)平面投影p 原因分析：(1)上断面3次岩爆后，及时加强的系统支护提高了岩体强度，事件向围岩深部和底板扩展，表明应力和能量发生了转移，在底板形成高能量聚集区排水洞排水洞引(3)5+7305+790岩爆情况ABCD北南A上断面6月24日57755788中等 B上断面7月2日57285743中等 C上断面7月5日57605780滞中D下断面11月26日5730-5790强烈(3)落底开挖，破坏了底板岩体的完整性，尤其是对拱脚的破坏严重降底了底板岩体的强度，解除了底板岩体对高应变能的
19、约束，为高应变能的释放提供了条件(4)爆破扰动的触发（岩爆滞后于落底爆破约1分钟）落底开挖上台阶开挖上台阶开挖轮廓线下台阶开挖轮廓线底板松动爆破孔本循环上台阶开挖爆破孔底板松动爆破孔下台阶开挖边界上台阶开挖边界循环进尺 底板松动爆破孔布置图启示1)上台阶开挖：修改开挖断面形态：拱脚布置成过度平缓的圆弧形 加强边墙、拱顶支护的同时，加强两侧拱脚支护，并保证支护质量 必要时对底板实施少量钻孔的松动爆破，使应变能向底板深部转移 在局部区域如拱脚布置应力释放孔或应力解除爆破 采用短进尺、弱爆破，减弱爆破震动，并错开或延长各次爆破的周期 开挖断面形态的变更上台阶上台阶加强拱脚支护示意图4.Simulat
20、ion of rockburst evolution processSectional shape measured by practical engineeringThe final sectional shape between practical engineering and the present method simulation are very close.Comparison for sectional shape of rockburst6.8m36o4.8m开挖高度 6.8m岩爆区136.8m36o4.8m开挖高度 6.8m岩爆区13Simulation result b
21、y present methodDisplacement evolution with rock failure process2steps4steps6steps8steps4.Simulation of rockburst evolution process5.3 Displacement evolution with rock failure process12steps15steps18steps21steps4.Simulation of rockburst evolution processDisplacement evolution with rock failure proce
22、ss8stepsReveal the failure process of rock from crack initiation,to crack propagation and crack coalescence,until rock block forming 4.Simulation of rockburst evolution process Stress evolution with rock failure process4.Simulation of rockburst evolution process Evolution of equivalent plastic strai
23、n with rock failure processMuch larger of equivalent plastic strain can be seen for rock which is close to the boundary of cavern.4.Simulation of rockburst evolution processEvolution of Fracture Approaching Index with rock failure processMuch larger value of Fracture approaching index can be seen fo
24、r rock which is close to the boundary of cavern and the paths of crack propagation,which means that rock in those places are seriously damaged4.Simulation of rockburst evolution processEvolution of Local energy release rate with rock failure process4.Simulation of rockburst evolution processEvolutio
25、n of acoustic emission with rock failure processIt is obvious that acoustic emission activity is active around the boundary of cavern4.Simulation of rockburst evolution process1.对于具有强岩爆风险的深埋地下工程，应对于具有强岩爆风险的深埋地下工程，应加强岩爆监测加强岩爆监测(微震微震监测监测)，及时掌握岩体破坏趋势，基于微震信息演化可以定量，及时掌握岩体破坏趋势，基于微震信息演化可以定量地进行岩爆预警和动态调控，预警：
26、区域、等级地进行岩爆预警和动态调控，预警：区域、等级断面上位断面上位置、爆坑深度置、爆坑深度2.动态调控动态调控由于施工条件的难以预知性、开挖参数及支护方案与设计的不一致性等原因，有必要进行岩爆动态调控两掌子面相向掘进时贯通前岩爆动态调控通过优化2个相向掘进的掌子面之间的距离，尽可能降低因两掌子面相向掘进而引起岩柱内互相扰动的影响基于微震实时监测信息时空演化规律，适时确定相向掘进改单向掘进的时机以及应停止掘进的掌子面五、基本认识和思考五、基本认识和思考中等岩爆预警进尺12.02m进尺13.03m进尺16.25m进尺9.55m局部添增了6m锚杆进尺6.64m局部添增了6m锚杆进尺6.25m局部添
27、增了6m锚杆中等岩爆掌子面微震事件掘进方向采取措施前（54个）采取措施（29个）预警动态调控岩爆案例分析动态调控岩爆案例分析p基于实时微震活动规律及空间分布特征，确定调控措施与时机p调控建议现场控制TBM日进尺及时做好系统支护p调控效果：微震活动平缓岩爆等级降低，未造成人员伤亡及设备损坏1.2010年年9月月3#引水隧洞强烈岩爆风险调控引水隧洞强烈岩爆风险调控辅助洞B洞 辅助洞A洞贯通之前发生的高等级岩爆 隧洞贯通期间存在高岩爆风险1)数值分析p两掌子面发生干扰时岩柱厚度在20-24m之间。调控建议：此时停止双头相向掘进，采用单头掘进。隧洞双向掘进接近贯通时不同岩柱厚度的弹性应变能变化2.1-
28、1-W和和2-1-E相向掘进时贯通前岩爆动态调控相向掘进时贯通前岩爆动态调控p调控效果：微震活动平缓降低了岩爆等级。26日2-1-E掌子面发生1次中等岩爆，之后现场听取建议采取措施及时，贯通期间仅发生多次轻微岩爆未有人员伤亡及设备损坏。硬性结构面2)现场微震监测p基于实时微震活动规律及空间分布特征，确定调控措施与时机p调控建议25日建议由1-1-W单向掘进26日强烈建议1-1-W单向掘进及时做好系统支护时间12.2523:3012.2721:3612.2912:4712.3106:19掌子面间距38.519.68.50预警：中等岩爆建议1-1-W掌子面单向掘进强烈建议单向掘进增加系统锚杆支护，1-1-W掌子面单向掘进增加系统锚杆支护，当日2-1-E掌子面无掘进2-1-E掌子面处发生中等岩爆增加系统锚杆支护2-1-E掌子面掘进增加系统锚杆支护，1-1-W掌子面单向掘进，贯通贯通后揭露的结构面谢谢 谢谢！
