中條山深埋隧洞地應(yīng)力及巖爆防治措施

韓銳敏

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況及地質(zhì)條件

中條山引水隧洞橫跨中條山中南段，隧洞長(zhǎng)約48 km，洞經(jīng)約5 m，設(shè)計(jì)為無(wú)壓自流隧洞，洞底高程485 m左右。

工程區(qū)東部與中部在大地構(gòu)造上處于豫皖斷塊之中條山塊隆。干線隧洞橫跨近東西向的中條山山埋，沿線地面高程500～1 500 m，為剝蝕構(gòu)造高中山區(qū)，山頂高程1 300～1 500 m，為本區(qū)南、北向的地形分水嶺。其中樁號(hào)35+200—39+000段地面高程在1 220～1 330 m，隧洞埋深 770～840 m，為整個(gè)洞線埋深最大段。

該段隧洞樁號(hào)33+000—37+000段主要經(jīng)過(guò)涑水群衛(wèi)家?guī)X組（Asw）混合巖化黑云斜長(zhǎng)片麻巖夾多層斜長(zhǎng)角閃巖、磁鐵石英巖、大理巖，巖性較硬，多屬堅(jiān)硬巖。巖層及片麻理產(chǎn)狀為 N6°～35°WNE∠40°～56°。樁號(hào)37+000—47+150段隧洞主要經(jīng)過(guò)涑水群小嶺組（Asx）黑云斜長(zhǎng)片麻巖、淺粒巖、混合花崗巖、斜長(zhǎng)角閃巖夾白云片巖、磁鐵石英巖等，巖性較硬，多屬堅(jiān)硬巖。巖層及片麻理產(chǎn)狀為 N10°～30°WNE∠33°～37°。本段巖性復(fù)雜，經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的區(qū)域變質(zhì)及混合巖化作用，巖層、片麻理走向與洞軸線夾角25°～30°。在樁號(hào)33+900—33+950段發(fā)育F23正斷層，延伸長(zhǎng)度約1.3 km，地表可見(jiàn)斷層破碎帶寬2～5 m，斷層產(chǎn)狀N10°～35°E/SE∠72°。與洞線夾角約 60°～85°。

據(jù)地表地質(zhì)測(cè)繪，該段至少有3條后期角閃石巖類侵入巖（φ22）、輝綠（長(zhǎng)）巖（βμ22）等傾入巖脈、巖墻，其中樁號(hào)39+780—40+120段孫峪村處2號(hào)角閃石侵入巖，巖墻長(zhǎng)2.5～7 km，出露寬度一般150～200 m，走向NEE，與洞線夾角約55°。

本段隧洞圍巖以黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云斜長(zhǎng)角閃巖夾黑云母片麻巖為主飽和單軸強(qiáng)度一般在70 MPa左右。中下部孔內(nèi)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值為0～100%，平均值為76%，巖體質(zhì)量較好。據(jù)孔內(nèi)聲波測(cè)試中下部巖體縱波速Vp值為2 857～5 263 m/s，平均值為4 248 m/s，巖體完整性系數(shù)Kv為0.64，巖體較完整。隧洞位于地下水位以下30～500 m，地下水主要賦存于隧洞段表層風(fēng)化帶，地下水類型主要為變質(zhì)巖類裂隙水，下部微風(fēng)化及新鮮基巖為相對(duì)隔水層。隧洞圍巖主要位于新鮮巖層內(nèi)，透水性總體較弱。圍巖類別總體為Ⅲ類。

本區(qū)從太古代直至中生代的構(gòu)造形跡，共同構(gòu)成了垣曲—三門(mén)新華夏系褶斷帶。從構(gòu)造形跡來(lái)看，其軸向均平行于中條山主脈的衍射方向，燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)主要受中條山隆起側(cè)向擠壓影響?？傮w上本區(qū)晚新生代以來(lái)中條山塊隆強(qiáng)烈抬升，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地應(yīng)力高度集中。

2 隧洞圍巖地應(yīng)力與巖爆

巖爆是在一定的地應(yīng)力環(huán)境中發(fā)生的，高地應(yīng)力易產(chǎn)生強(qiáng)巖爆，而高地應(yīng)力的形成關(guān)鍵是要有較高的初始地應(yīng)力及開(kāi)挖產(chǎn)生的應(yīng)力重分布。影響地下洞室?guī)r體初始地應(yīng)力的最大因素是區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力。若工程區(qū)位于以構(gòu)造應(yīng)力為主的強(qiáng)烈上升區(qū)（產(chǎn)生巖爆物臨界深度）或洞室埋深大于500 m以上的以自重應(yīng)力為主的地區(qū)，或洞室地處高山峽谷區(qū)、屬邊坡應(yīng)力集中的傍山洞室，并具備圍巖巖質(zhì)硬脆、完整性（較）好、無(wú)地下水等基本條件，則可能產(chǎn)生巖爆。

目前對(duì)可能產(chǎn)生巖爆的高應(yīng)力和極高應(yīng)力的界定尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用的判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

以初始地應(yīng)力值劃分，一般認(rèn)為最大主應(yīng)力值達(dá)到20～30 MPa時(shí)即可認(rèn)為巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)。

以巖石單軸抗壓強(qiáng)度（Rb）與最大主應(yīng)力σm的比值判別：當(dāng)4

本工程通過(guò)鉆孔水壓致裂法進(jìn)行了隧洞圍巖地應(yīng)力測(cè)試，本區(qū)段最大水平主應(yīng)力（SH）值為13.54～20.05 MPa，最小水平主應(yīng)力（Sh）值為 7.00～9.52 MPa。估算出的各測(cè)段的垂直應(yīng)力（Sv）值為4.29～9.91 MPa。測(cè)試結(jié)果顯示，工程區(qū)范圍內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力為主，其中SH>Sh>Sv。最大主應(yīng)力方向?yàn)?N27°～32°E。與洞軸線夾角 85°左右。

根據(jù)孔內(nèi)實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性回歸計(jì)算，得出最大、最小主應(yīng)力線性回歸關(guān)系表達(dá)式為：SH=（h+239.5）/39，Sh=（h-98.8）/37.26。根據(jù)線性回歸關(guān)系表達(dá)式推算不同隧洞埋深段的地應(yīng)力值及巖爆判別結(jié)果見(jiàn)表1。

由計(jì)算判別結(jié)果可知，樁號(hào)33+00—42+500段洞頂圍巖厚度在330～840 m，推算該段隧洞巖體處于極高應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生中等巖爆。樁號(hào)42+500—47+150段洞頂圍巖厚度在140～330 m，推算該段隧洞巖體處于高應(yīng)力狀態(tài)，可能產(chǎn)生輕微巖爆。其中樁號(hào)36+500—40+100段隧洞埋深在500～840 m，推算最大水平主應(yīng)力SH值大于20 MPa，特別是在樁號(hào)35+200—39+000段隧洞埋深770～840 m，推算最大水平主應(yīng)力SH值為25.37～27.68 MPa，隧洞圍巖有較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大主應(yīng)力與洞軸線夾角約85°，巖爆發(fā)生的可能性較大。設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意對(duì)本段隧洞圍巖巖爆防治。

表1 推算結(jié)果及巖爆分級(jí)成果表

3 結(jié)語(yǔ)

巖爆的防治可分為預(yù)防和治理，在工程選址時(shí)，首先應(yīng)盡量避開(kāi)巖爆可能發(fā)生的地段。本工程根據(jù)首段和末段建筑物布置的需要，無(wú)法避開(kāi)中條山構(gòu)造活動(dòng)高地應(yīng)力區(qū)，且洞軸線方向調(diào)整余地不大。建議本段隧洞在施工過(guò)程中采取應(yīng)力釋放鉆孔、超前導(dǎo)洞、圍巖加固等防治措施。