閩西南某隧道高地應(yīng)力特征及隧道巖爆預(yù)測(cè)研究

張建忠

(中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100043)

0 引言

高地應(yīng)力地區(qū)進(jìn)行地下洞室開挖極易產(chǎn)生破壞性巖爆［1－3］。如何更好地進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)是國(guó)內(nèi)外研究人員一直關(guān)心的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家提出了很多巖爆判據(jù)，包括陶振宇判據(jù)［4］、Barton 判據(jù)［5］、Russense 判據(jù)［6］、Hoek 判據(jù)［7］以及能量法、剛度法、巖性法及臨界深度法［8］等。多數(shù)判據(jù)以洞室圍巖的應(yīng)力為參考指標(biāo)，地應(yīng)力大小成為預(yù)測(cè)巖爆的重要參數(shù)［9－10］。由于原地應(yīng)力測(cè)試費(fèi)用高昂，利用有限的地應(yīng)力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)整個(gè)工程區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)便成為巖爆預(yù)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題，數(shù)值模擬方法成為主要的研究方法［11－12］。為了更加方便地進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)和巖爆預(yù)測(cè)，本文按照工程區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)、圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖爆預(yù)測(cè)方法展開，并用預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析，具體流程見(jiàn)圖1。

1 地應(yīng)力預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)理論

巖爆的發(fā)生與工程區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)有直接的關(guān)系，高地應(yīng)力區(qū)域極易發(fā)生巖爆。國(guó)內(nèi)外對(duì)高地應(yīng)力的含義迄今還未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。王成虎等［13－15］在對(duì)國(guó)內(nèi)外地應(yīng)力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上，提出了巖體強(qiáng)度應(yīng)力比高地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表1。高地應(yīng)力評(píng)價(jià)需要確定原位巖體強(qiáng)度和地應(yīng)力大小。原位巖體的強(qiáng)度很難直接測(cè)得，可以利用Heok－Brown巖體強(qiáng)度理論進(jìn)行估算。地應(yīng)力的大小以實(shí)測(cè)應(yīng)力為基礎(chǔ)，結(jié)合修正后的Sheorey模型進(jìn)行估算。

圖1 地應(yīng)力評(píng)價(jià)和巖爆預(yù)測(cè)體系流程圖Fig.1 Flowchart of ground stress evaluation and rock burst prediction

表1 巖體強(qiáng)度應(yīng)力比高地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)［15］Table 1 Index for evaluation of ground stress by strength-to-stress method

1.1 Hoek－Brown巖體強(qiáng)度估算理論

1980年，E.Hoek和 E.T.Brown在分析 Griffith理論和修正的 Griffith理論的基礎(chǔ)上，提出了狹義的Hoek－Brown(H －B)準(zhǔn)則［16］。此后，H －B 準(zhǔn)則經(jīng)過(guò)多次修正［17－19］，由于其充分考慮了巖體的工程地質(zhì)方面的特征，被世界各國(guó)學(xué)者廣泛接受。眾多文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)該準(zhǔn)則進(jìn)行了分析和討論，本文中不再贅述。E.Heok等［20］于 2002 年推出 RocLab軟件，可以計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)，包括巖體抗剪斷峰值強(qiáng)度、變形模量、單軸抗壓強(qiáng)度、整體抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度等，為H－B準(zhǔn)則的推廣使用奠定了良好的基礎(chǔ)。RocLab軟件的計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 RocLab軟件計(jì)算流程圖Fig.2 Flowchart of calculation by RocLab software

GSI是H－B準(zhǔn)則的一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)考慮了巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)因素對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)的影響，大量的文獻(xiàn)曾對(duì)GSI的取值進(jìn)行過(guò)研究［21－22］。

1.2 地應(yīng)力預(yù)測(cè)理論—Sheorey模型

Sheorey模型［23］中將地球假設(shè)為一個(gè)球形殼體，將地殼、地幔和地核分別當(dāng)作不同物態(tài)的物質(zhì)分層考慮，考慮不同深度地殼和地幔的巖體彈性模量、泊松比、地溫梯度、巖體熱膨脹系數(shù)以及巖體密度隨地殼深度增加而增加等問(wèn)題。地殼水平應(yīng)力隨深部的變化可以表達(dá)為

式中:σh為地殼中的水平應(yīng)力;β為巖石線性熱膨脹系數(shù);ν為泊松比;E為巖石彈性模量;G為地殼中地溫梯度。

根據(jù)眾多文獻(xiàn)對(duì)巖石線性膨脹系數(shù)的研究可知，淺層地殼水平應(yīng)力均值與垂直應(yīng)力的比值k隨深部的變化可以表達(dá)為

式中:Eh為特定深度上巖石的平均水平彈性模量，GPa;Z為距地表深度，m。

因此，對(duì)于同一構(gòu)造區(qū)域，如果巖性不同，深度不同，可以利用式(2)和有限的原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行原地應(yīng)力狀態(tài)的預(yù)測(cè)。

式中:E1，E2為基準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)巖石的平均水平彈性模量，GPa;Z1，Z2為基準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)距地表的深度，m;k1，k2為基準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)的水平應(yīng)力均值與垂直應(yīng)力的比值。

根據(jù)王艷華等［24］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，中國(guó)大陸地殼淺部k值的范圍為

而絕大多數(shù)實(shí)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大陸地殼淺部k值的最優(yōu)范圍為［24］

式中Z為距地表深度，km。

通過(guò)對(duì)式(2)分析可知，當(dāng)深度較淺(Z＜100 m)時(shí)，由Sheorey模型預(yù)測(cè)的k值偏大。圖3表明，當(dāng)巖石的平均水平彈性模量大于35 GPa時(shí)，Sheorey模型預(yù)測(cè)的k值大于實(shí)測(cè)k值的最優(yōu)范圍。P.R.Sheorey也指出本式僅適用于138.87 m～33.73 km的地殼深度范圍，故需要對(duì)公式進(jìn)行修正。

由式(2)可知，當(dāng)Eh變小時(shí)，就可以較好地?cái)M合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，Sheorey在研究過(guò)程中并沒(méi)有明確巖石彈性模量、巖體彈性模量與巖體變形模量三者之間的區(qū)別。按照Sheorey模型的基本原理和對(duì)原地應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，王成虎等［25－26］認(rèn)為式(2)中的 Eh應(yīng)使用“原位巖體”的變形模量。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料確定實(shí)測(cè)點(diǎn)k1，通過(guò)H－B準(zhǔn)則和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查獲得基準(zhǔn)點(diǎn)和預(yù)測(cè)點(diǎn)的巖體變形模量E1和E2，進(jìn)一步確定預(yù)測(cè)點(diǎn)的k2，從而獲得預(yù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

圖3 地殼淺部Sheorey模型和實(shí)測(cè)k值Fig.3 Sheorey model for ground stress in shallow crust and measured“k”value

2 工程概況

2.1 基本地質(zhì)條件

隧道位于閩西南剝蝕中低山區(qū)，地形起伏較大，自然坡度20°～50°，相對(duì)高差100～750 m。隧道為雙線隧道，軸線方向?yàn)镹24°W，樁號(hào)DK215+970～DK229+750，全長(zhǎng)15 780 m，其中本次研究區(qū)樁號(hào)為DK224+855～DK229+750，最大埋深695 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探資料表明，工程區(qū)以Ⅲ和Ⅳ級(jí)圍巖為主，主要巖性為粉砂巖和花崗巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載試驗(yàn)和室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，巖石強(qiáng)度較高，單軸抗壓強(qiáng)度為140～160 MPa。工程區(qū)發(fā)育2條斷層，1處節(jié)理密集帶和4條巖性接觸帶，如圖4所示。

2.2 地應(yīng)力特征

工程區(qū)在大地構(gòu)造上屬于閩西南拗陷帶，北東—北東東向及北北東向斷裂最為發(fā)育，基本控制著本區(qū)構(gòu)造格局。世界應(yīng)力圖項(xiàng)目關(guān)于該區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)據(jù)顯示最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E—NEE向［27］。在隧道中(圖4中星號(hào)所示，埋深460 m)布置了2個(gè)鉆孔進(jìn)行水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明最大主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方位為 N71°—86.7°E。

圖4 隧道沿線剖面圖Fig.4 Profile of tunnel

2個(gè)鉆孔揭示的實(shí)測(cè)應(yīng)力值相對(duì)較高，最大水平主應(yīng)力值范圍為22.89～23.47 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為10.78～11.70 MPa。在測(cè)試過(guò)程中，2個(gè)鉆孔布置距離很近，所揭露的巖性也相同，因此2個(gè)鉆孔所反映的應(yīng)力狀態(tài)也類似。具體實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

總體上看，工程區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力方向以NEE向?yàn)橹?，地?yīng)力水平較高，三向主應(yīng)力之間的大小關(guān)系表現(xiàn)為:SH＞SV＞Sh，該地應(yīng)力狀態(tài)符合地質(zhì)構(gòu)造背景及局部地形地貌所反映的區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)特征。

3 巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際巖爆對(duì)比分析

3.1 鉆孔周邊巖體強(qiáng)度估算

對(duì)鉆孔周邊的巖體進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，確定其GSI值。進(jìn)一步結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用RocLab軟件對(duì)鉆孔周邊的巖體強(qiáng)度以及變形模量進(jìn)行估算，結(jié)果如表3所示。

3.2 隧道沿線巖體強(qiáng)度估算及地應(yīng)力計(jì)算

在取得鉆孔周邊巖體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，首先根據(jù)工程區(qū)圍巖基本巖體質(zhì)量，利用RocLab軟件對(duì)整個(gè)工程區(qū)隧道圍巖強(qiáng)度進(jìn)行估算，得到原位巖體變形模量Erm。以鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力為基準(zhǔn)值，并且利用式(3)對(duì)整個(gè)工程區(qū)地應(yīng)力水平進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，DK225+803～DK228+018為高地應(yīng)力區(qū)域，DK228+018～DK229+750為中等地應(yīng)力區(qū)域，局部地段為低地應(yīng)力區(qū)域。

3.3 隧道沿線巖爆預(yù)測(cè)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多巖爆判據(jù)和巖爆分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本次研究主要利用地應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)，因此參考地應(yīng)力以及應(yīng)力強(qiáng)度比方面的判據(jù)。根據(jù)王成虎等［9］對(duì)巖爆和脆性破壞時(shí)應(yīng)力特征的研究，將隧道圍巖切向最大應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比作為巖爆判據(jù)，預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的可能性，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 ZK1和ZK2鉆孔水壓致裂測(cè)量結(jié)果Table 2 Stresses measured in test boreholes ZK1 and ZK2

表3 基于Hoek－Brown準(zhǔn)則的鉆孔巖體強(qiáng)度估算結(jié)果Table 3 Rock strength estimated on basis of Hoek－Brown criterion

續(xù)表

從巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，隧道 DK224+885～DK228+018均存在巖爆發(fā)生的高應(yīng)力條件，巖爆發(fā)生的程度為輕微至中等，特別當(dāng)埋深超過(guò)500 m后，發(fā)生中等程度巖爆的可能性非常大。而DK228+018～DK229+750基本不會(huì)發(fā)生巖爆災(zāi)害，但是不能排除局部地段發(fā)生巖爆災(zāi)害的可能性。

3.4 隧道施工過(guò)程中巖爆分析

前面對(duì)工程區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，對(duì)可能發(fā)生的巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)。本節(jié)結(jié)合隧道施工過(guò)程中發(fā)生的巖爆情況，對(duì)前面的預(yù)測(cè)進(jìn)行分析和討論。表5為進(jìn)入正洞段施工以來(lái)，部分比較典型的發(fā)生巖爆情況統(tǒng)計(jì)。

表5 施工過(guò)程中典型巖爆情況統(tǒng)計(jì)Table 5 Typical rock bursts occurring during excavation

從表5中可知，實(shí)際發(fā)生巖爆的區(qū)域均位于預(yù)測(cè)的中等巖爆區(qū)域，地應(yīng)力水平為25～33 MPa，屬于高應(yīng)力區(qū)。工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)主要受局部地質(zhì)構(gòu)造、巖體強(qiáng)度和地形地貌的影響［28］。地形地貌對(duì)地應(yīng)力的影響有一定范圍，一般越接近地表或谷坡，影響越大，對(duì)深埋隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)無(wú)明顯影響［29－32］。在靜應(yīng)力場(chǎng)中，斷層構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力大小和方向的影響是局部的。在同一個(gè)構(gòu)造單元體內(nèi)，被斷層或其他大結(jié)構(gòu)面切割的各個(gè)大塊巖體中的地應(yīng)力方向、大小均較一致［32］。研究資料表明在同一工程區(qū)內(nèi)，由于巖體強(qiáng)度的不同，測(cè)得的地應(yīng)力往往不同，地應(yīng)力值隨巖石楊氏模量增大而增大［33－37］。巖體強(qiáng)度與地應(yīng)力既是獨(dú)立又是統(tǒng)一的，強(qiáng)度較高的巖體才能夠積累高應(yīng)力，積蓄高應(yīng)變能，從而導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。從表4中可知，巖體強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力水平的影響比較顯著，強(qiáng)度大的區(qū)域，地應(yīng)力水平較高，說(shuō)明以上的預(yù)測(cè)是合理的。

區(qū)域的應(yīng)力方向?yàn)镹E—NEE向，與梅花山隧道的軸線方向近于垂直，由于最大水平主應(yīng)力的作用，在隧道洞身斷面的拱頂形成了壓應(yīng)力集中，在斷面的拱肩部位形成了剪應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中導(dǎo)致洞壁圍巖發(fā)生脆性破壞，進(jìn)而形成巖爆;與此同時(shí)，后續(xù)的開挖作業(yè)會(huì)影響先前開挖成型的洞段，導(dǎo)致應(yīng)力集中作用更為明顯，會(huì)加重圍巖的破壞。

4 結(jié)論與討論

本文基于實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果，利用修正后的Sheorey模型預(yù)測(cè)了隧道沿線的地應(yīng)力狀態(tài)。按照高地應(yīng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且根據(jù)隧道圍巖切向最大應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比的巖爆預(yù)測(cè)方法對(duì)隧道沿線可能發(fā)生的巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)與已發(fā)生的巖爆一致性較好，證明了本文所闡述的工程區(qū)地應(yīng)力和巖爆預(yù)測(cè)方法的可靠性和可行性。

區(qū)域應(yīng)力資料和實(shí)測(cè)應(yīng)力資料都表明，工程區(qū)最大主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE向，與隧道軸線接近垂直，對(duì)隧道施工不利。實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，鉆孔及其周邊區(qū)域?qū)儆诟叩貞?yīng)力區(qū)，最大水平主應(yīng)力22.89～23.47 MPa，最小水平主應(yīng)力 10.78 ～ 11.70 MPa?；谛拚蟮腟heorey模型的地應(yīng)力預(yù)測(cè)結(jié)果表明，工程區(qū)地應(yīng)力相對(duì)較高，其中DK225+803～DK228+018，埋深為400～700 m，最大水平主應(yīng)力為16.48～32.98 MPa，最小水平主應(yīng)力為 8.25 ～16.49 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)域，占隧道總里程的45%。

利用隧道圍巖切向最大應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比的巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果表明，高地應(yīng)力區(qū)有發(fā)生輕微至中等巖爆的可能性，尤其是埋深超過(guò)500 m的區(qū)域，發(fā)生中等程度巖爆的可能性非常大。

本研究重點(diǎn)考慮了高應(yīng)力作用，這種考慮方便開展巖爆災(zāi)害預(yù)測(cè)，但是對(duì)全面認(rèn)識(shí)巖爆問(wèn)題會(huì)有所影響。后續(xù)研究中需充分利用多方面的資料進(jìn)行全面的綜合分析，只有這樣才能得出更加符合實(shí)際的結(jié)論。

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