雅魯藏布江峽谷段盆因拉隧道巖爆預(yù)測(cè)

王喜華，趙志明，尹建勛，黃 秦

（1．西南石油大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610500；2．西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；3．中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730015）

0 引 言

巖爆，也稱沖擊地壓，是埋藏深度較大以及在地應(yīng)力較高狀況下的地下工程在開(kāi)挖過(guò)程中或者在開(kāi)挖之后，儲(chǔ)存于圍巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放并且產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋射現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，也是一種經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害［1－6］，尤其是在堅(jiān)硬的脆性巖層中，其發(fā)生的幾率更大。因此，巖爆往往直接造成開(kāi)挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備的損壞、施工人員的傷亡，并影響施工進(jìn)度，已成為巖石工程和巖石力學(xué)領(lǐng)域中的難題之一。

雅魯藏布江峽谷段在建的盆因拉隧道2＃橫洞在施工初期多次發(fā)生巖爆。為了保證施工安全，采用水壓致裂法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，采用Russenes判據(jù)對(duì)不同埋深處發(fā)生巖爆的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后對(duì)隧道巖爆臨界埋深進(jìn)行分析，為后續(xù)隧道的開(kāi)挖提供理論依據(jù)。

1 工程概況

盆因拉隧道進(jìn)口位于澤朗曲右岸沖洪積臺(tái)地，出口位于雅魯藏布江左岸至宗嘎村后的山坡處。隧道最大埋深1 080m，全長(zhǎng)10 410m。盆因拉隧道共設(shè)1個(gè)斜井，3個(gè)橫洞，其中2＃橫洞全長(zhǎng)1 335m，與隧道正洞夾角82°，最大埋深為965m，洞徑為7m（圖1）。2＃橫洞按無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)計(jì)，采用雙車道內(nèi)輪廓，其凈空尺寸為7m（寬）×6m（高）。隧道圍巖主要為燕山期黑云母花崗巖和閃長(zhǎng)巖，以青灰色、淺灰色為主，局部呈灰綠色或灰黑色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀或碎塊狀構(gòu)造，礦物主要成分為角閃石、石英、長(zhǎng)石、黑云母等，巖石普遍具有蝕變特征，巖體致密、堅(jiān)硬，局部夾石英巖脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整，以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主。盆因拉隧道局部構(gòu)造巖為斷層角礫，斷層破碎帶主要由碎裂巖、斷層角礫組成，局部夾少量斷層泥礫。

圖1 盆因拉隧道位置（單位：m）Fig．1 Location of Penyinla Tunnel（Unit：m）

2 地應(yīng)力測(cè)試

2．1 水壓致裂法測(cè)試原理

水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力的原理［7－8］是利用一對(duì)可以膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段鉆孔，然后泵入液體對(duì)該段鉆孔進(jìn)行施壓，再根據(jù)壓裂過(guò)程曲線的壓力特征值計(jì)算地應(yīng)力。

2．2 測(cè)試孔概況

為了研究盆因拉隧道和橫洞在施工開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生巖爆的原因，并為后續(xù)隧道和橫洞開(kāi)挖提供巖爆防護(hù)措施以及提供隧道巖爆治理的技術(shù)參數(shù)，地應(yīng)力測(cè)試工作在盆因拉隧道2＃橫洞地應(yīng)力鉆孔內(nèi)進(jìn)行。鉆孔部位山頂?shù)母叱碳s4 340m，孔口高程約3 790m，測(cè)孔部位埋深約550m，孔深30m，鉆孔內(nèi)巖芯為閃長(zhǎng)巖，全孔巖芯較完整，局部略顯破碎。

2．3 測(cè)試結(jié)果分析

2．3．1 應(yīng)力量值與地應(yīng)力方位

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中σH為最大水平主應(yīng)力，σh為最小水平主應(yīng)力，σz為測(cè)點(diǎn)上覆巖石的自重應(yīng)力，λ為最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)（σH／σz）。測(cè)試時(shí)的水位在孔口，孔口上覆巖體深度按550m計(jì)算，巖石重度取27．0kN·m－3?，F(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試共成功獲得3個(gè)測(cè)試段壓裂資料和相應(yīng)的圍巖壓裂印模資料。從圖2可以看出，測(cè)試曲線形態(tài)符合水壓致裂法測(cè)試的一般規(guī)律，各壓力特征值比較明顯。

表1 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Tab．1 Results of Ground Stress Measured by Hydra－fracturing Method

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果得出，σH為24．7～27．4MPa，平均為25．6MPa；σh為14．6～15．4MPa，平均為14．9MPa；σz平均為15．5MPa。測(cè)試部位最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻睎|向35°，按照峽谷區(qū)地應(yīng)力重分布的一般規(guī)律，巖體內(nèi)重分布應(yīng)力的最大主應(yīng)力為近南北向或北北東向，二者所得出的結(jié)論接近（表1中去除了3倍隧道直徑應(yīng)力釋放區(qū)的數(shù)據(jù)），即以北北東向的擠壓為主。

圖2 水壓致裂法壓力記錄曲線Fig．2 Recording Curves of Pressure by Hydra－fracturing Method

2．3．2 側(cè)壓系數(shù)

測(cè)試點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向的側(cè)壓系數(shù)為1．6～1．8，平均為1．7。與地應(yīng)力分布一般規(guī)律相比較，測(cè)試孔部位水平主應(yīng)力偏大；結(jié)合測(cè)試孔所在部位地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造情況，隧址區(qū)地應(yīng)力受地質(zhì)構(gòu)造和河谷地形造成的應(yīng)力集中影響。

2．3．3 地應(yīng)力量值與深度的關(guān)系

地應(yīng)力量值的大小往往直接影響地下工程的穩(wěn)定性；因此，為了探討地應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系，便于為盆因拉隧道和橫洞后續(xù)的施工作參考，將測(cè)試范圍內(nèi)σH、σh與σz進(jìn)行比較。地應(yīng)力量值擬合公式為

式中：H為巖石埋深；γ為巖石重度，取值為27kN·m－3。

3 隧道內(nèi)地應(yīng)力評(píng)估

通過(guò)地應(yīng)力實(shí)地測(cè)試及結(jié)果分析，對(duì)2＃橫洞測(cè)孔部位圍巖地應(yīng)力狀況有了一定認(rèn)識(shí)。盆因拉隧道和2＃橫洞全長(zhǎng)將近12km，最大埋深處約1 080m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)試深度；因此，采用埋深與地應(yīng)力的擬合關(guān)系分析和推測(cè)盆因拉隧道和2＃橫洞圍巖地應(yīng)力情況。

測(cè)試孔部位隧道埋深約550m，圍巖為完整閃長(zhǎng)巖，測(cè)試部位σH為25．6MPa，σh為14．9MPa，σz為15．5MPa。取閃長(zhǎng)巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb為80MPa，則Rb／σmax＝3．9＜4，其中σmax為隧道橫斷面內(nèi)的最大初始應(yīng)力，2＃橫洞隧道軸線為北西向10°，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向35°，最大水平主應(yīng)力和2＃橫洞隧道軸線夾角為45°。依據(jù)文獻(xiàn)［9］，巖體應(yīng)力量級(jí)為極高應(yīng)力水平。

4 2＃橫洞巖爆預(yù)測(cè)

在巖爆的預(yù)測(cè)研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定了許多巖爆的判據(jù)準(zhǔn)則。筆者應(yīng)用Russeness判據(jù)［4］對(duì)2＃橫洞在不同埋深處是否發(fā)生巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)應(yīng)用侯發(fā)亮臨界埋深判據(jù)［10］預(yù)測(cè)發(fā)生巖爆的最小埋深，為后續(xù)隧道開(kāi)挖提供理論依據(jù)。

4．1 Russeness判據(jù)

挪威學(xué)者Russeness應(yīng)用有限元和Kirsch方程計(jì)算洞壁最大切向應(yīng)力σθmax，用σθmax／Rb值來(lái)預(yù)測(cè)巖爆和判定巖爆等級(jí)。其判別標(biāo)準(zhǔn)［11－12］為

4．1．1 隧道開(kāi)挖洞壁切向應(yīng)力計(jì)算

采用數(shù)值模擬方法計(jì)算隧道開(kāi)挖洞壁切向應(yīng)力值σθ，數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，將σH施加在水平方向，并在模型上部加載上覆巖體σz；σz主要根據(jù)隧道埋深確定，模型底部垂向位移約束。

4．1．2 Russeness判據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)Russeness判據(jù)對(duì)盆因拉深埋隧道進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬模型Fig．3 Numerical Simulation Model in Tunnel Excavation

表2 不同埋深Russeness判據(jù)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果Tab．2 Predicion Results of Rockbursts with Different Depths by Russeness Criterion

4．2 侯發(fā)亮臨界埋深判據(jù)

侯發(fā)亮等在1989年首先提出了侯發(fā)亮臨界埋深判據(jù)，認(rèn)為巖爆雖多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的區(qū)域，但如果洞室埋深較大，即使沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力，但由于上覆巖體效應(yīng)的存在，洞室也可能發(fā)生巖爆［10］。根據(jù)彈性力學(xué)求解，推導(dǎo)出僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生的臨界深度［12－17］Hcr計(jì)算公式

式中：μ為巖石泊松比。

根據(jù)式（3）以及盆因拉隧道巖石物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算得出盆因拉隧道發(fā)生巖爆的理論臨界深度為325m，而實(shí)際上2＃橫洞發(fā)生巖爆的最小埋深是300m（表3）。因此，應(yīng)密切觀察施工過(guò)程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。

表3 侯發(fā)亮臨界埋深判據(jù)計(jì)算結(jié)果Tab．3 Results of HOU Fa－liang Critical Depth Criterion

4．3 2＃橫洞巖爆預(yù)測(cè)

對(duì)于2＃橫洞中閃長(zhǎng)巖地段，隧道埋深小于200m一般不會(huì)產(chǎn)生巖爆，局部可能會(huì)產(chǎn)生弱巖爆；埋深在200～400m之間往往是發(fā)生巖爆的臨界深度，一般會(huì)出現(xiàn)弱—中等巖爆；埋深在400～800m范圍時(shí)，一般會(huì)以中—強(qiáng)巖爆為主。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）雅魯藏布江峽谷段盆因拉隧道洞身段屬于極高地應(yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力為24．7～27．4MPa，最小水平主應(yīng)力為14．6～15．4MPa。

（2）最大水平主應(yīng)力方位總體為近北東向35°，測(cè)壓系數(shù)平均值為1．7，測(cè)試區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)主要受峽谷區(qū)地應(yīng)力重分布及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響。

（3）地應(yīng)力量值與深度擬合得到具有一定實(shí)踐價(jià)值的擬合公式，可用來(lái)估算圍巖應(yīng)力場(chǎng)，但應(yīng)注意考慮區(qū)域差異性造成的影響。

（4）根據(jù)Russeness判據(jù)預(yù)測(cè)分析，該區(qū)埋深在200m以下發(fā)生巖爆的可能性較小，局部會(huì)有弱巖爆發(fā)生；200～400m埋深為巖爆發(fā)生的臨界深度范圍，主要發(fā)生弱—中等巖爆；埋深大于400m會(huì)有強(qiáng)烈的巖爆發(fā)生。

（5）根據(jù)侯發(fā)亮臨界埋深判據(jù)得到的臨界深度為325m，而實(shí)際發(fā)生巖爆的最小深度為300m，相對(duì)于理論值偏小，因此更應(yīng)時(shí)刻注意巖爆危害。

（6）盆因拉隧道2＃橫洞處于極高地應(yīng)力區(qū)，橫洞圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生巖爆的可能性比較大，同時(shí)影響巖爆發(fā)生的因素眾多。巖爆發(fā)生具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，施工中應(yīng)提高警惕，對(duì)于巖體完整、干燥地段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，采取必要、合適的工程措施以降低巖爆危害。

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