表1 巖體初始地應(yīng)力的分級
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應(yīng)力分級 |
最大主應(yīng)力量級σm（MPa） |
巖石強度應(yīng)力比(Rb/σm) |
主要現(xiàn)象 |
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極高地應(yīng)力 |
σm≥40 |
<2 |
硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多；基坑有剝離現(xiàn)象，成形性差；鉆孔巖芯多有餅化現(xiàn)象。 軟質(zhì)巖：鉆孔巖芯有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞；基坑巖體發(fā)生卸荷回彈，出現(xiàn)顯著隆起或剝離，不易成形。 |
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高 地 應(yīng) 力 |
20≤σm<40 |
2～4 |
硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多；基坑時有剝離現(xiàn)象，成形性一般尚好；鉆孔巖芯時有餅化現(xiàn)象。 軟質(zhì)巖：鉆孔巖芯有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間較長，成洞性差；基坑發(fā)生有隆起現(xiàn)象，成形性較差。 |
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中等地應(yīng)力 |
10≤σm<20 |
4～7 |
硬質(zhì)巖：開挖過程洞壁巖體局部有剝離和掉塊現(xiàn)象，成洞性尚好；基坑局部有剝離現(xiàn)象，成形性尚好。 軟質(zhì)巖：開挖過程中洞壁巖體局部有位移，成洞性尚好；基坑局部有隆起現(xiàn)象，成形性一般尚好。 |
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低地應(yīng)力 |
σm<10 |
＞7 |
無上述現(xiàn)象。 |
注：表中Rb——巖石飽和單軸抗壓強度（MPa）；σm——最大主應(yīng)力（MPa）
表2 巖爆烈度分級
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巖爆分級 |
主要現(xiàn)象 |
巖爆判別 |
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臨界埋深（m） |
巖石強度應(yīng)力比Rb/σm |
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輕微巖爆 |
圍巖表層有爆裂脫落、剝離現(xiàn)象，內(nèi)部有噼啪、撕裂聲，人耳偶然可聽到，無彈射現(xiàn)象；主要表現(xiàn)為洞頂?shù)呐?/span>-松脫破壞和側(cè)壁的劈裂-松脹、隆起等。巖爆零星間斷發(fā)生，影響深度小于0.5m；對施工影響較小。 |
H≥Hcr |
4～7 |
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中等巖爆 |
圍巖爆裂脫落、剝離現(xiàn)象較嚴(yán)重，有少量彈射，破壞范圍明顯。有似雷管爆破的清脆爆裂聲，人耳常可聽到圍巖內(nèi)的巖石的撕裂聲；有一定持續(xù)時間，影響深度0.5～1m；對施工有一定影響。 |
2～4 |
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強烈?guī)r爆 |
圍巖大片爆裂脫落，出現(xiàn)強烈彈射，發(fā)生巖塊的拋射及巖粉噴射現(xiàn)象；有似爆破的爆裂聲，聲響強烈；持續(xù)時間長，并向圍巖深度發(fā)展，破壞范圍和塊度大，影響深度1～3m；對施工影響大。 |
1～2 |
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極強巖爆 |
圍巖大片嚴(yán)重爆裂，大塊巖片出現(xiàn)劇烈彈射，震動強烈，有似炮彈、悶雷聲，聲響劇烈；迅速向圍巖深部發(fā)展，破壞范圍和塊度大，影響深度大于3m；嚴(yán)重影響工程施工。 |
<1 |
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說明：本表適用于完整-較完整的中硬、堅硬巖體，且無地下水活動的地段。表中H—地下洞室埋深（m）。
Hcr=0.318Rb（1-μ）/ （3-4μ）γ
式中：Hcr—臨界埋深，即發(fā)生巖爆的最小埋深（m）；
Rb—巖石飽和單軸抗壓強度（MPa）；
μ—巖石泊松比；
γ—巖石重力密度（10kN/m3）。
巖爆是一種應(yīng)變能釋放引發(fā)巖體發(fā)生破壞的一種地質(zhì)災(zāi)害。多發(fā)生在埋藏深、整體、干燥和地質(zhì)堅硬的巖層中。在隧道開挖時圍巖形成新的臨空面,初始應(yīng)力由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài),并在開挖壁面上局部應(yīng)力集中,若局部應(yīng)力達(dá)到某一臨界應(yīng)力時,巖爆就發(fā)生了。因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。馮建軍描述了二郎山隧道巖爆特征：巖爆聲響既發(fā)生在掌子面也發(fā)生在巖體內(nèi)部,輕微巖爆的聲響較為清脆,可聽到“啪、啪”“嘎、嘎”的聲響,強烈?guī)r爆段所發(fā)出的聲響較為沉悶,像“澎、澎”的聲音并夾有“啪、啪”聲。Ⅰ級巖爆表現(xiàn)為爆裂脫落型，破壞形式為劈裂破壞與剪切破壞兩種；Ⅱ級巖爆表現(xiàn)為彈射現(xiàn)象。巖爆爆坑大多數(shù)呈“鍋底”形,坑邊沿多為階梯形。強烈?guī)r爆段爆坑多為“V”形。新鮮破裂為主,少數(shù)沿原有裂隙面。爆落巖塊多呈不規(guī)則的棱塊狀,也有呈中間厚邊緣薄的橢圓狀。斷裂帶兩側(cè)或軟弱結(jié)構(gòu)面附近往往形成局部應(yīng)力集中區(qū),故兩側(cè)硬巖中巖爆現(xiàn)象發(fā)生,而斷層帶部位一般不發(fā)生巖爆。巖爆區(qū)段一般較為干燥,有地下水出露的地方無巖爆產(chǎn)生。二灘水電站洞室開挖中的巖爆可以認(rèn)為,巖爆的潛能是開挖時由應(yīng)力重分布所產(chǎn)生,而被大臺階爆破和地震所觸發(fā)。徐林生對國內(nèi)外巖爆研究現(xiàn)狀綜述表層零星間斷爆裂松動、剝落。萬姜林描述太平騷水電站引水隧洞的巖爆：從爆落的巖石尺寸和形狀看有塊、板、片和碎屑狀幾種, 巖塊和巖板尺寸較大一般可達(dá)幾十厘米至, 有一至兩組平行破裂面, 其余一組破裂面呈刀刃狀巖片一般尺寸較小, 呈中間厚、周邊薄, 斷口參差不齊。從巖爆坑的斷面形狀看, 有直角形、階梯形和鍋狀。楊天俊描述拉西瓦水電站地下硐室?guī)r爆現(xiàn)象：板狀剝皮、片狀剝落,斷層帶附近巖體存在板狀劈裂現(xiàn)象。
這里簡單介紹一下靠近三大洞室的進(jìn)廠交通洞發(fā)生巖爆的情況。2008年1月21號晚8點左右，進(jìn)場交通洞在樁號0+095～0+070m段圍巖發(fā)生較大的爆裂聲音，類似放炮，并在已噴錨支護部位出現(xiàn)張開裂縫、錯位及伴隨混凝土掉塊發(fā)生�，F(xiàn)場地質(zhì)人員對該段進(jìn)行現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)：開裂縫沿樁號0+095m右拱肩部位向上游延伸至樁號0+070m拱腳部位，裂縫張開寬度0.5～3cm左右，開裂方向基本沿洞軸線和順軸線結(jié)構(gòu)面方向（軸線近EW、順軸線結(jié)構(gòu)面N80°～85°E/SE∠80°～85°）。同時向現(xiàn)場人員了解周圍洞室開挖放炮情況，發(fā)現(xiàn)該段圍巖開裂聲音并不與周圍洞室開挖放炮同步發(fā)生，因此推斷周圍洞室開挖爆破影響較小，推測可能是地應(yīng)力造成的巖爆現(xiàn)象。
2號引水隧洞下平段靠近主廠房上游邊墻一側(cè)，頂拱左側(cè)即靠河谷側(cè)發(fā)生輕微巖爆，表現(xiàn)為薄片狀巖體沿新鮮破壞面崩落，這是典型的高應(yīng)力控制的圍巖破壞現(xiàn)象。與河流方向近平行的洞室，在靠河谷一側(cè)發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致的劈裂、崩落等輕微巖爆現(xiàn)象在尾水洞擴散段、3號引水隧洞下平段、進(jìn)廠交通洞以及過壩交通洞等完整性較好的塊狀結(jié)構(gòu)巖體中也有出現(xiàn)，多屬于輕微-中等巖爆。
總的說來，過壩交通洞、進(jìn)場交通洞、尾水洞、尾調(diào)室、主變室、廠房上1支洞、右岸導(dǎo)流洞都曾發(fā)生輕微巖爆現(xiàn)象，地下洞室中發(fā)生輕微-中等巖爆現(xiàn)象基本上都在玄武巖體中，集塊熔巖表現(xiàn)不明顯，分析主要是與集塊熔巖整體性較好有關(guān)。對巖爆的預(yù)防，在開挖過程中可采用“短進(jìn)尺、多循環(huán)”的掘進(jìn)方法，并利用光面爆破技術(shù)，盡量降低應(yīng)力集中的發(fā)生，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)。開挖后對開挖面多進(jìn)行噴水，降低圍巖應(yīng)力；在已開挖的洞壁進(jìn)行支護加固，其中包括隨機錨桿的支護以及系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴混凝土支護；對已形成的危巖體進(jìn)行清除后再進(jìn)行支護的措施，確保的施工安全和洞壁的穩(wěn)定；對于嚴(yán)重部位應(yīng)采取超前打孔釋放應(yīng)力。另外應(yīng)加強施工中的安全監(jiān)測工作，通過圍巖收斂監(jiān)測、錨桿應(yīng)力計及多點變位計監(jiān)測等原型觀測的手段，來預(yù)測巖爆發(fā)生的可能性，從而指導(dǎo)開挖和支護施工，確保安全。
