岩爆监测方案设计大纲设计.docx

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岩爆监测方案设计大纲设计

ABH项目TBM施工条件下的岩爆实时监测

研究工作大纲（初稿）

一、研究工作意义和目的

岩爆是高地应力条件下地下工程开挖过程中,硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异,储存于岩体中的弹性应变能突然释放,因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。

它直接威胁施工人员、设备的安全,影响工程进度,已成为世界性的地下工程难题之一。

早些年，我国地下采矿中的岩爆灾害并不十分突出。

随着采掘作业不断向地下进行，许多矿山已相继进人深部开采，岩爆现象日渐显露，岩爆事故时有发生。

随着深井开采的矿井的逐年增多，岩爆问题将更加突出，加快岩爆检测、预警系统的研究与开发工作十分迫切。

岩爆灾害已引起国家安全管理部门的高度重视，其预测与检测技术被列为“十五”期间矿山安全科技发展的重点领域和关键技术。

近几十年来，国外在岩爆预测预报方面做丁大量的研究工作，但是，由于岩爆预测问题极为复杂，国外还没有成熟的理论和方法。

现在，人们已从强度、刚度、稳定、断裂、损伤、突变、分形和能量等诸多方面对岩爆现象进行了分析，提出了各种假设和判据；在岩爆预测预报工作中，也果用了有限元计算、模糊综合评判、人工神经网络等近现代方法。

然而，目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种理沧预测方法．在实际工程应用中还存在困难；而在生产实践中，又要求有一些有救、可行的岩爆预测预报方法。

如果能对可能发生的岩爆进行合理、及时的预报并有针对性地采取防治措施，就可以减少或杜绝人员伤亡和财产损失。

因此，岩爆预测的研究具有十分重要的意义。

随着人类活动向地下空间的延伸，在高地应力区修建的水电站地下厂房、隧洞等地下工程越来越多，其埋深也越来越大，随之而来的岩爆现象也越来越突出，据不完全统计，从1949年～1985年，在我国32个重要煤矿中，至少曾经发生1842起煤爆和岩爆，在一些严重的岩爆发生区，曾有数以吨计的岩块、岩片和岩板抛出。

在水电工程中岩爆也频繁发生，如二滩、映秀湾、渔子溪、太平驿、锦屏、天生桥二级等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。

根据文献检索，目前世界上大约有18个国家和地区已有大型岩爆发生，所以岩爆已经成为全球性的地质灾害。

1、岩爆发生条件分析

1.1岩爆产生的条件

（1）近代构造活动山体地应力较高，岩体储存着很大的应变能，当该部分能量超过了硬岩石自身的强度时；

（2）围岩坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，且具有较高的脆性和弹性，能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型，当应力解除后，回弹变形很小；

（3）埋深较大（一般埋藏深度多大于200m）且远离沟谷切割的卸荷裂隙带；

（4）地下水较少，岩体干燥；

（5）开挖断面形状不规则，大型洞室群岔洞较多的地下工程，或断面变化造成局部应力集中的地带。

1.2地质构造

岩爆大都发生在褶皱构造的坚硬岩石中。

岩爆与断层、节理构造密切相关。

当掌子面与断裂或节理走向平行时，极容易触发岩爆。

岩体中节理密度和开度对岩爆有明显的影响。

掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也可能发生岩爆。

1.3判断岩爆发生的应力条件

用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度Rc之比进行判断。

经验公式：

σ1/Rc>0.165~0.35（或Rc/σ1>6.06~2.86）的脆性岩体最易发生岩爆。

（Rc/σ1=4~7为高地应力，Rc/σ1<4为极高地应力）。

2、TBM施工的特点

2.1TBM施工的优点

（1）快速。

TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。

（2）优质。

TBM采用滚刀进行破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破震动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）高效。

TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益;同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。

TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。

（4）安全。

用TBM施工，改善了作业人员的洞劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。

（5）环保。

TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小;减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境;如果使用双护盾TBM还可以减少隧道水的流失，有利于环境保护和减少水土流失。

（6）自动化、信息化程度高。

TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。

TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能以及施工数据实时远传功能，可实现信息化施工。

2.2TBM施工的缺点

TBM的地质针对性较强，不同的地质条件和隧道断面，需要设计成满足不同施工要求的TBM，同时配置适应不同要求的辅助设备。

（1）地质适应性较差。

TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。

在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。

一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用开敞式TBM施工，Ⅲ、Ⅳ级围岩为主的隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。

（2）不适宜中短距离隧道的施工。

由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。

国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。

对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9m左右，按此计算，长度大于5.4km的隧道就可以考虑采用TBM施工。

发达国家的隧道施工，一般优先考虑TBM法，只有在TBM法不适宜时才考虑采用钻爆法。

我国则相反，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多km的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。

在我国，一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势。

对于10~20km的特长隧道，可以对TBM法和钻爆法施工进行经济技术比较，选择适宜的施工方法。

对于大于20km的特长隧道，则宜优先采用TBM法施工。

另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高的隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，宜优先考虑采用盾构法施工。

（3）断面适应性较差。

断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难;而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。

一般地说，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3~l2m；对直径在12~15m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于15m的隧道，则不宜采用TBM施工。

另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。

（4）运输困难，对施工场地有特殊要求。

TBM属大型专用设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达200多m。

同时洞外配套设施多，主要有商品混凝土搅拌系统、管片预制厂，修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。

这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。

（5）设备购置及使用成本大。

TBM施工需要高负荷的电力保证以及其高素质的技术人员和管理队伍，其前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。

3、公司发展现实需要和长远需要

大长度、大断面、大埋深的特点将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势。

深埋高地应力条件下硬岩地下工程建设面临的主要难题是岩爆灾害的预测及防治，因其发生在时间上具有突然性，空间上具有随机性，形式上常表现为爆裂弹射，破坏力大，预测及防治困难，至今仍为一个世界性难题。

近几十年来，国外学者在岩爆预测方面做了大量的研究工作，提出了各种各样的理论和预测方法，主要可归为两大类：

①理论法，它是基于岩爆机制的预测方法，如应力判据、能量判据等，以及将多种岩爆影响因素综合考虑的综合评判法。

②实测法，它是借助一些必要的仪器，对地下工程的现场或岩体直接进行监测或测试，来判别是否有发生岩爆的可能。

对于理论法，由于评价指标值难以准确量测及评价方法的诸多问题，其实用性和应用围受到很大限制。

对于现场实测法，如微震监测法、声发射法，其在岩爆的现场原位监测起到了很好的作用，但也存在费用高，操作困难等问题。

国外的研究结果表明，产生岩爆的原因很多，其中主要包括工程开挖、地应力水平、岩石物理力学性质、岩体结构及裂隙分布、地下水等，但在诸多因素中，地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。

鉴于此，本文提出了一种基于TSP203系统和地应力场反演的岩爆预测新方法，并应用于江边电站引水隧洞，得到了一些有益的结论。

该方法在岩爆预测中是一种新的尝试，愿抛砖引玉。

岩爆多发生在新鲜、完整及坚硬的岩石中，在爆裂面上，一般肉眼观察不到明显的裂隙，岩体的完整程度直接决定着岩爆的发生与否。

根据我国《工程岩体分级标准》，岩体完整性系数Kv>0.55时岩体为较完整岩体，是其岩爆发生的有利条件。

根据有关文献可选择岩体完整性系数Kv作为岩爆的判别指标，一般认为Kv<0.55时无岩爆发生，0.550.75时可发生严重岩爆。

岩体完整性系数Kv计算公式

（1）

式中：

Vp为岩体的纵波波速；

Vd为岩块的纵波波速。

通过TSP探测的岩体纵波波速值，再结合岩石的纵波波速值，即可确定预测洞段的值。

考虑到TSP系统探测的准确性及岩爆发生的复杂性，在实际岩爆判别时，以岩体值为主，结合横波资料、泊松比、纵横波偏移图等参数，对掌子面前方岩爆情况进行综合判定。

《基于隧洞超前地质探测和地应力场反演的岩爆预测研究》

邱道宏，术才，乐文，崔伟，苏茂鑫，谢富东

贾愚如,正绮.水工地下洞室中的岩爆机制与判据[J].水力发电,1990,（6）:

30－34.

祥，进忠，杰坤，等.岩爆的判别指标和分级标准及可拓综合判别方法[J].土木工程学报,2009,42（9）:

82－88.

二、国外开展岩爆实施监测的现状

2.1岩爆现场监测方法

用于工程实践的现场岩爆监测方法有很多种，目前常用的有以下几种:

（1）微震（A-E）法

即Acoustic-Emission方法，又称为亚声频探测法或声发射法。

该法能探测到岩石变形时发生的亚声频噪音（即微震），地音探测器（拾音器）能将那些人耳听不到的声波转化为电信号，根据地音探测器检测到的微细破裂，确定异常高应力区的位置，再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比较，从而确定该应力的传播方向，当岩石临近破坏之际，A-E（微震）噪音读数迅速增加，如果地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有岩爆来临。

此法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验观测结果，它是对岩爆孕育过程最直接的监测方法，也是最直接的预报方法。

此方法的基本参数是能率E和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体部的破裂程度和应力增长速度。

岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄就意味着有1个暂时的声发射平静期，因此，A-E活动的暂时平静，是岩爆发生的前兆。

由于此方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位预报，因此，是1种具有很大发展前景的直接预报方法。

美国、波兰、俄罗斯、南非等国家的一些矿山都采用了声发射法用于预测岩爆;我国的门头沟煤矿也使用了从波兰进口的SAK地音监测系统和SYLOK微震定位技术对工作面危险状态进行预测预报。

（2）微重力法

岩石力学研究表明，脆性岩石在应力作用下，其力学参，时，岩石体积便会出现陡然增大，这一现象被称为“扩容”现象。

Bineniawskj在理论和实践研究的基础上建立了扩容模型。

Fajkiewicz用该模型解释了微重力异常与岩爆发生前作用过程的相互关系。

岩石在应力作用下从压缩状态到发生扩容直至岩爆这一整个过程可以表述为:

岩石的体积从大变小，再由小变大，直到岩爆发生后出现破坏。

因此，微重力异常的变化应该是由正到负，在临爆前出现负重力异常极值。

实验观察表明，较突出的重力负极值一般出现在岩爆发生前的几天到数周。

这样，可以作为用微重力测量预测岩爆的一个准则，即临爆前微重力负异常持续增大并达到一个负极值。

此外，还可断言，若重力异常长时间地保持在正异常的水平，则岩爆不可能发生，因为这种异常表明岩石尚处于变形阶段。

波兰在过去的近20年中，在多个矿区完成了1万多个测点的微重力测量工作。

在对这些微重力测量结果解释的基础上，有效地研究和探讨了利用微重力预测岩爆的可行性，并且在矿区的实际应用中取得了一定的效果。

（3）煤（岩）体电磁辐射监测预报法

这一方法是依据完整煤（岩）压缩变形破坏过程中，弹性围不产生电磁辐射，峰值强度附近的电磁辐射最强烈，软化后无电磁辐射的原理，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，我国王来贵博士等人也在开展具体应用研究工作。

目前该方法主要应用于煤爆的监测预报领域。

（4）地震学预测法

采用地震学的方法预测岩爆也是一种应用较多的方法。

其基本原理是岩爆释放的地震能的均方根与地震发生前岩体的应变状态呈比例关系。

由于在弹性极限应力与应变之间存在比例关系，可用地震能的平方根来量度地震（岩爆）发生前岩体中积聚的应力。

印度Kolar黄金公司黄金矿山使用地震学方法，能提前6个月预测某指定地区岩爆的总体情况。

从印度Kolar金矿所测的3500次和南非西部金矿1200次信号统计得出，其中15%为破坏性岩爆信号。

对破坏性信号产生点的确定，精度很高，与实际情况相比误差只有20～25m。

加拿大的各矿山都有先进完备的地震监测系统，对矿井岩爆发生的时间、震源、震级及能量等重要信息都有完整的记录。

有些矿井的记录甚至从30年代就已开始。

这些记录为以后对岩爆的估计提供了宝贵的资料。

加拿大几乎都是根据这些地震记录，然后应用比较完善的地震预测理论对岩爆作出预测。

（5）钻屑量法

钻屑法是通过向岩体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和打钻过程中各种动力现象，了解岩体应力集中状态，达到预报岩爆的目的。

在岩爆危险地段打钻时，钻孔排粉量剧增，最多可达正常值10倍以上，一般认为排粉量为正常值的2倍以上时，即有发生岩爆的危险。

该方法20世纪60年代在欧洲开始使用。

（6）水分法

通过钻孔取样测定岩体中的含水量。

此法主要用于煤矿，监测煤层中含水量的变化，可以预报岩爆。

在煤矿中，当煤层含水量大于3%时，认为无岩爆危险。

（7）光弹法

当某些塑性材料和光弹玻璃受到应力的作用，在偏振光下观察时可以看到干涉条纹，其与作用在岩体上的应力强度和方向有关。

基于此，可对即将来临的岩爆做出预测。

（8）流变法

根据岩体的应力松弛速度和破坏程度来预测岩爆，应力松弛速度取决于岩石的力学性质、地质条件、应力集中和埋深等因素。

当应力松弛速度低且破坏程度高时，岩体有岩爆的可能。

其他常用的工程现场预测方法还有回弹法、电阻法、观察法等等。

《国外岩爆预测的研究现状与发展趋势》

姜繁智向晓东朱东升

2.2、TBM条件下国岩爆监测开展情况

国岩爆监测主要在煤矿开展，一些金属矿及水电隧洞也有开展。

从方法上来看，以微震监测为主，还有岩土工程数值分析方法、电磁辐射法、TSP203系统和地应力场反演法、声发射检测法、工程地质调查、地应力场现场实测及岩石力学试验结合法等等。

TBM施工中岩爆监测目前能查到的资料主要是以锦屏II水电站施工中的应用为主。

锦屏II水电站位于雅砻江锦屏大河弯处雅砻江干流上，由平行的4条引水隧洞、2条辅助洞及1条施工排水洞组成，是目前世界上最大的地下隧洞群，永久工程隧洞总长约120km。

4条引水隧洞组成的水工洞群采用钻爆法和TMB相结合的施工方案，西端引水隧洞和东端2#、4#引水隧洞采取钻爆法施工，东端1#、3#引水隧洞采用TBM施工，开挖洞径12.4m。

引水隧洞上覆岩体一般埋深1500～2000m，最大埋深约为2525m。

冯夏庭和周辉的地应力成果显示，埋深大于1200m时，地应力场由谷坡地带局部地应力转变为以垂直应力为主的自重应力场，地应力随埋深的增加而增加，工程区的最大主应力可达63MPa，属高地应力区，而较为突出的岩爆现象则是其最具体的体现。

通过已贯通的辅助洞及开挖完成的施工排水洞洞段的岩爆情况，预测引水隧洞发生强烈量级的岩爆洞长约2.0km；发生极强量级的岩爆约长0.3km，而极强岩爆对TBM的打击可能是毁灭性的。

得到的结论

随着TBM施工速率的增加，围岩微震活动趋向活跃；随着TBM施工速度降低，围岩微震活动有明显降低的趋势。

TBM检修期微震活动较为平缓，围岩处于平静期，施工至掌子面前方4～10m时，微震活动最为活跃。

在TBM开挖过程中能量释放具有一定的随机性，与TBM开挖进尺无明显关系。

三、岩爆监测研究工作安排

1、国调研；

2、研究工作技术依托单位；

重点解决监测数据的后处理和分析预报技术。

3、监测设备选择；

国外监测设备的调研、选择。

四、监测方案的实施

（1）监测实施方案的设计；

（2）监测数据采集；

（3）研究成果的整理分析；

（4）监测预报成果的提交；

（5）监测实施组织。

五、研究工作时间安排及费用计划

岩爆综合预测方法尚处于摸索阶段，但是已总结出岩爆预警思路：

经验法（中短期）、微震监测（短期）、数值分析（中长期），[5]采用微震计数器+警报器、数据记录仪、室分析。

（6）加强施工期监测和地质预报

在施工期进行必要的围岩监测，如微震监测、变形监测、应力监测和松动圈测试等，收集岩爆发生前后的各种围岩物理力学参数，并加以总结分析。

[4]另外就是TBM配置用BEAM （隧道掘进前方电监测）技术，实时了解掌子面围岩状态。

图2为微震事件数与TBM日进尺的演化规律，可见看出，TBM开挖速度越快，围岩体的应力调整活动越剧烈，微震系统监测到的微震事件越多，发生岩爆的风险越高。

TBM日进尺小于9 m时，微震事件低于其平均值18.9个/d，且在支护及时、起效快的情况下，强岩爆发生几率相对较小；TBM日进尺小于5 m时，微震活动较低，微震事件基本低于10个/d，在地质条件较好，支护及时、起效快的情况下，发生中等岩爆的风险相对较低。

以2010年5月28日至8月21日为例，1 d不同时间段累计微震事件时域演化规律见图围岩体的应力调整在每天早上8点至下午2点处于平静期，该期间为TBM检修时间，围岩体不受开挖扰动的影响，围岩体的应力调整处于一个相对平静期，其中在上午8～10点围岩体的应力调整略高于上午10至下午2点，这是因为TBM开始检修的2 h，应力调整较为活跃，致使围岩微破裂信号较多，微震事件较多；从下午2点起，围岩体的应力调整开始逐渐进入活跃期，晚上6点至晚上9点，应力调整的幅度最为剧烈，这是因为在TBM检修期间围岩体积蓄的能量进行了重新分配，重新分配后的能量集中区（应力集中区）主要分布在掌子面前方4～10 m的围，因此在TBM施工初始的几个小时，微震事件较少，岩爆风险相对较小，当开挖至能量集中区，即晚上6～9点期间，围岩体微破裂非常严重，微震事件最多，岩爆风险相对较高，当TBM开挖通过该洞段后，围岩体的岩爆风险有所降低。

经统计，围岩释放的总能量随TBM日进尺变化的演化规律如图4所示。

可以看出，随着TBM施工速率的增加，围岩破坏时的能量释放量略有增加，但增加程度不明显，这主要是由于TBM掘进过程中围岩破坏时的能量释放大小主要取决于原始地应力场和围岩地质条件，由于围岩部存在节理面、结构面、岩溶等不良地质体，使得不同区段围岩的应力场、地质条件也有一定差别。

因此总体来看，随着TBM日进尺提高，围岩释放的总能量有所增加，但并不成比例关系[11]。

总体来说，围岩部的应力调整活动和TBM施工及其施工速率关系较为明显，随着TBM施工速度（日进尺）增加，围岩应力调整相对活跃，微震事件也相对较多；随着TBM施工速率的降低，围岩体的微震活动呈降低趋势。

因此，当围岩部应力调整较为活跃、有较大释放能量、具有较强岩爆倾向的洞段，可采取降低TBM施工速率、调整开挖时段、降低应力调整速率的策略与措施降低岩爆

发生的风险[3]。

（锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆 风险影响研究吴世勇，周济芳，炳瑞，黄满斌）