深埋隧洞巖爆成因機理分析與防治研究

陳 云，阮懷寧，朱珍德

（河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098）

深埋隧洞巖爆成因機理分析與防治研究

陳 云，阮懷寧，朱珍德

（河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098）

巖爆是圍巖處在高應(yīng)力場條件下產(chǎn)生巖片飛射拋撒以及洞壁出現(xiàn)片狀剝落的現(xiàn)象。巖爆是地下工程的一種特殊現(xiàn)象，但是國內(nèi)外對巖爆的研究還尚需深入了解。通過對錦屏二級水電站深埋隧洞的研究，了解高地應(yīng)力條件下隧道在施工開挖過程中的巖爆機理、巖爆治理措施，通過FLAC［3D］軟件模擬出隧洞的主應(yīng)力，進而通過數(shù)值分析判斷是否發(fā)生巖爆。

高地應(yīng)力；巖爆；防治措施；隧洞

巖爆是高地應(yīng)力區(qū)的地下工程在開挖過程中或開挖完成后，圍巖因開挖產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象發(fā)生了脆性破壞，從而導(dǎo)致了儲存在巖體中的應(yīng)變能突然釋放出來，引起巖片飛射拋撒，以及洞壁出現(xiàn)片狀剝落的動力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。由于它的突發(fā)性，直接威脅了施工人員和施工現(xiàn)場設(shè)備的安全，進而影響了工程的進度，嚴重時甚至還有可能誘發(fā)地震，因而巖爆已經(jīng)成為了世界性的地下工程難題之一，引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。但是，由于高地應(yīng)力區(qū)巖體情況的復(fù)雜性，工程地質(zhì)條件的多樣性，給巖爆的研究帶來了許多的困難，從而使進展較為緩慢，制約著高地應(yīng)力區(qū)等地下工程的建設(shè)，因此對巖爆的防治研究就顯得尤為重要。

1 巖爆成因機理分析

1.1 工程概況［1］

錦屏二級水電站位于青藏高原向四川盆地過渡的地貌斜坡地帶。錦屏隧洞群從西向東分別穿過了三迭系下統(tǒng)綠泥石片巖和變質(zhì)中細砂巖，三迭系上統(tǒng)砂板巖和雜谷腦組大理巖，白山組大理巖，鹽塘組大理巖等地層。錦屏二級水電站4條引水隧洞和2條輔助洞及1條施工排水隧洞組成7條平行的大型深埋隧洞群，隧洞群總長118 km，自南向北依次為輔助洞A洞、B洞，施工排水洞，1?！?＃引水隧洞。輔助洞最大埋深2 375 m，引水隧洞最大埋深為2 525m，引水隧洞工程是整個電站的核心。

1.2 機理分析

對于錦屏二級水電站引水隧洞的研究，高地應(yīng)力是開挖引起巖爆發(fā)生的主要原因。由于隧洞的埋深比較大，因而山體產(chǎn)生了較大的自重應(yīng)力。影響巖爆發(fā)生的原因有很多，一般主要由以下幾種情況：

（1）巖性條件

巖石的質(zhì)地越堅硬、抗壓強度越大，蓄積在巖石中的彈性應(yīng)變能可能就越大。錦屏引水隧洞的巖石大多新鮮完整、質(zhì)地堅硬，同時結(jié)構(gòu)密度好和強度高，因而具有了較好的彈性和脆性。高脆性巖石易產(chǎn)生微裂隙，常發(fā)生脆性斷裂破壞。錦屏二級水電站埋深約1 800 m處發(fā)生的一次巖爆，巖性為大理巖。在隧洞開挖后，洞壁附近圍巖內(nèi)徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增大，處于二向受力狀態(tài)，隨著切向力的逐漸增大，圍巖不斷積聚彈性應(yīng)變能，當(dāng)應(yīng)變能積聚到一定程度時，受到輕微的擾動而產(chǎn)生了動力失穩(wěn)，積聚的應(yīng)變能就會瞬間釋放出來，從而產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。

（2）地應(yīng)力條件

構(gòu)造應(yīng)力與埋深產(chǎn)生的自重應(yīng)力是影響巖爆發(fā)生的主要因素。隧洞開挖后，應(yīng)力受到開挖擾動的影響隨之重新分布，從而達到新的平衡。重新分布后形成的應(yīng)力稱為二次應(yīng)力，在二次應(yīng)力分布是，局部區(qū)域可能產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，圍巖應(yīng)力有時會達到巖塊的單軸抗壓強度，甚至?xí)^它幾倍。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖承受的極限強度，圍巖就會發(fā)生破壞，產(chǎn)生巖爆［2］。錦屏二級水電站引水隧洞埋深在800 m～1 200m時，地應(yīng)力場由局部地應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪睉?yīng)力為主的自重應(yīng)力場；隨著埋深的增加地應(yīng)力也呈現(xiàn)非直線關(guān)系；σ1／σ3地應(yīng)力的比值也隨著埋深的增加而逐漸的減少。

（3）外力條件

引水隧洞鉆爆開挖斷面形狀不規(guī)易發(fā)生巖爆，通過分析可以發(fā)現(xiàn)圓形洞室周邊部位不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而非圓形洞室周邊部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在拐角點處應(yīng)力集中的程度相當(dāng)高，產(chǎn)生的應(yīng)力值往往達到或超過發(fā)生巖爆的臨界應(yīng)力值，因而會發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

2 巖爆的表現(xiàn)特征

巖爆的表現(xiàn)形式可以總體上分為兩種［3］，一是開挖面一定深度范圍內(nèi)破裂發(fā)展引起的突幫破壞，也稱應(yīng)變型巖爆。二是在開挖面以內(nèi)一定深度的巖體中，在高應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生了能量釋放，通過動力波的方式傳遞到開挖面附近，導(dǎo)致巖體的破壞，這就是沖擊型巖爆。

對錦屏輔助洞的現(xiàn)場觀察，應(yīng)變型巖爆和沖擊型巖爆都已經(jīng)發(fā)生，其中以應(yīng)變型巖爆比較普遍。洞段進入繞行洞以后的洞段中可以普遍地觀察到頂拱附近的片狀剝落（片幫）現(xiàn)象，成為應(yīng)變型巖爆的典型代表。

輔助洞可能的沖擊型巖爆類型出現(xiàn)在東端鹽塘組和西端白山組地層中，對應(yīng)的埋深都在2 000 m以下，表現(xiàn)為局部地段（20 m～60 m長度范圍）內(nèi)的巖爆非常地不同于其他部位的應(yīng)變型破壞，可以產(chǎn)生很強和大范圍的爆裂破壞。

一般地，應(yīng)變型巖爆并不對圍巖穩(wěn)定和施工安全造成顯著影響，常規(guī)的支護手段也可以有效地控制這種巖爆造成的危害。工程中真正關(guān)心的是沖擊型巖爆，其危害主要體現(xiàn)在對施工安全的威脅上。對沖擊型巖爆的發(fā)生需要具備一定條件，因此每相似深埋工程中的沖擊型巖爆可能會很不一樣，需要針對具體工程進行鑒別和建立認識，甚至某種程度上的短期預(yù)測。對于一般性的沖擊性巖爆，目前已有的工程實踐經(jīng)驗可以幫助控制其造成的危害。一般地，一旦巖爆發(fā)生以后，過度積累的能量也就隨之釋放，再發(fā)生巖爆的可能性大大降低。

沖擊型巖爆發(fā)生時通常可以接收或甚至感覺到震動的發(fā)生，即埋深地下工程中的微震現(xiàn)象。微震對工程造成的影響和地震對地表建筑物造成的影響非常類似，如果圍巖條件較好且加固措施得當(dāng)，微震可能并不造成直接的工程安全問題，即潛在的沖擊型巖爆得到了有效控制，即實現(xiàn)了巖爆控制。但是，如果微震震級超過里氏2級時，由于對應(yīng)的沖擊荷載過大，常規(guī)的加固手段很難實現(xiàn)對巖爆的控制。

圖1表示某深埋隧道開挖過程中出現(xiàn)的高應(yīng)力微震現(xiàn)象，其中的圓球表示里氏震級超過1級、點表示震級小于1.0的監(jiān)測結(jié)果。該隧道掘進方向與最大主應(yīng)力方向垂直，開挖過程遇到過多次劇烈的巖爆現(xiàn)象，其中出現(xiàn)的最大一次震級達到2.7級的微震在隧洞頂拱誘發(fā)了嚴重的巖爆破壞。

3 巖爆的防治措施

對于錦屏二級水電站，控制巖爆的措施有多個方面，如開挖順序、開挖方式、錨固、掛網(wǎng)、和噴護等。

（1）合理的開挖順序［4］可以通過控制和改變圍巖中應(yīng)力變化路徑的方式來減輕甚至消除高應(yīng)力破壞，目前這種工程措施在深埋礦山工程實踐中應(yīng)用非常廣泛。

圖1 某深埋花崗巖體隧道開挖過程中監(jiān)測到的微震現(xiàn)象（埋深2 330m，斷面尺寸5m×5m）

（2）開挖方式（鉆爆、TBM、預(yù)裂爆破）。在圍巖高應(yīng)力破壞不是很突出的情況下選擇顯得尤為重要，這是因為高應(yīng)力條件下圍巖的變形和支護要求基本都是圍繞著圍巖屈服圈進行的，控制爆破、特別是TBM施工在控制圍巖屈服松弛圈程度和深度方面具有明顯的優(yōu)勢。

（3）在高應(yīng)力脆性破壞趨勢條件下的錨固、掛網(wǎng)、噴漿［5］加固措施是深埋高應(yīng)力條件下地下工程開挖時常常采用的措施。高應(yīng)力條件下巖體越完整堅硬，其儲存應(yīng)力的能力越強，一旦發(fā)生高應(yīng)力破壞，產(chǎn)生很大影響和劇烈程度，因此不能用常規(guī)條件下的巖體質(zhì)量來衡量加固的需要。在高應(yīng)力條件下，緊跟掌子面的支護是非常必要的，只有這樣才可能創(chuàng)造一個安全的施工環(huán)境。

緊跟掌子面的加固主要采用兩種方式，一是掛網(wǎng)和錨固組成的快速臨時支護系統(tǒng)；二是噴層加錨固組成的快速支護系統(tǒng)。錦屏引水洞采用了中空注漿錨桿，與通常使用的普通螺紋鋼錨桿類似，屬于剛性錨桿，錨桿的特點是強度高、剛性大，支護力強，缺點是承受變形能力和吸收能量的能力不足。在使用這類錨桿時應(yīng)充分考慮到其不足之處，避免使用不當(dāng)導(dǎo)致錨固體破壞。

（4）通過對掌子面和洞壁噴撒水，在一定情況下可以達到降低表層圍巖強度的效果［6］。采用超前鉆孔向煤等非堅硬巖體高壓均勻注水，這樣可以濕潤、減緩和消除非堅硬巖體的沖擊能力。對局部應(yīng)力集中帶進行高壓注水，就可以達到減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象。高壓注水可以軟化降低巖體的強度，同時能夠降低巖體儲存應(yīng)變能的能力，減少巖爆的發(fā)生。

（5）采用層次分析法——模糊數(shù)學(xué)綜合評價法和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合預(yù)測法，對隧道未開挖段進行了巖爆概率預(yù)測，對具有巖爆傾向性的巖石進行巖爆傾向性指標測定和計算，以便于可以針對性的對巖體工程巖爆傾向性預(yù)測和布置網(wǎng)點進行巖爆監(jiān)測和預(yù)報，進而采取一定的措施以防治巖爆的發(fā)生。

4 圍巖應(yīng)力分析

巖性條件和初始應(yīng)力條件是巖爆形成的必要條件。采用 FLAC3D軟件［7］模擬深埋工程的主應(yīng)力。在FLAC3D模擬中需要的力學(xué)參數(shù)有粘聚力c，內(nèi)摩擦角φ，體積模量K，剪切模量G。模型尺寸沿引水隧洞水平方向垂直于隧洞軸線為120 m，鉛垂隧洞軸線方向取100m，隧洞軸線方向取100m。所建初始模型共分26 400個單元和28 520個節(jié)點。通過數(shù)值計算得到最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的應(yīng)力分布。

計算結(jié)果表明：在隧道開挖斷面的圍巖全部處于受壓應(yīng)力狀態(tài)。隨著隧道埋深的不同，在隧道開挖斷面的不同部位有不同的應(yīng)力集中，隨著埋深的增加發(fā)生巖爆的可能性增大。埋深為500 m隧洞的最大主應(yīng)力（σ1）為5 MPa，最小主應(yīng)力（σ3）為1.5 MPa（見圖2）。埋深為1 000 m隧洞的最大主應(yīng)力（σ1）為10 MPa，最小主應(yīng)力（σ3）為2 MPa（見圖3）。根據(jù)3σ1－σ3得出最大切向應(yīng)力，巖爆的形成就是這個最大切向應(yīng)力的作用，即當(dāng)切向應(yīng)力達到巖體的極限強度時，巖體就會發(fā)生巖爆或其他形式的失穩(wěn)破壞。通過分析計算的最大切向應(yīng)力與極限強度進行比較，預(yù)測巖爆的發(fā)生，對可能發(fā)生巖爆的地方提前采取有效地防治措施，從而降低巖爆的發(fā)生。

5 結(jié) 語

對于深埋隧洞，巖爆一直是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。根據(jù)錦屏二級水電站巖爆成因機理的分析，了解到?jīng)_擊型巖爆在施工中對人員、機器設(shè)備等產(chǎn)生很大的威脅，因此對沖擊型巖爆要特別注意。文中通過巖爆機理的分析和表現(xiàn)特征，對巖爆有了更加具體的認識。在巖爆防治措施中錨固、掛網(wǎng)、噴漿加固措施在當(dāng)今工程中普遍使用，對于巖爆的防治起到了一定的作用，使用效果較好。文中通過采用FLAC3D軟件模擬出深埋隧洞的主應(yīng)力，進而對其分析出產(chǎn)生巖爆的原因。對于巖爆的研究雖然取得了較好的成果，但是要做到及時的防治還存在著很大的困難，因此，對于巖爆的防治研究，學(xué)者應(yīng)加以關(guān)注和重視，以便對其更深入、更系統(tǒng)的研究和探索。

圖2 埋深500m處隧洞主應(yīng)力分布圖

圖3 埋深1 000m處隧洞主應(yīng)力分布圖

［1］ 吳世勇，王 鴿，王 堅.錦屏二級水電站深埋長隧洞巖爆治理對策研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)報），2009，39（s2）：57-63.

［2］ 謝國權(quán)，曾新華.某特長隧道極強巖爆成因機理分析與防治［J］.人民長江，2007，38（8）：127-129.

［3］ 汪 琦，唐義彬，李 忠.浙江蒼嶺隧道巖爆工程地質(zhì)特征分析與防治措施研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2006，14（2）：276-280.

［4］ 林金洪.地下硐室?guī)r爆的預(yù)測及處理研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2012，10（3）：159-163.

［5］ 張 鵬，曾新華，李現(xiàn)臣，等.錦屏二級水電站引水隧洞工程強巖爆綜合防治措施研究［J］.水利水電技術(shù)，2011，42（3）：61-65.

［6］ 武選正，李名川，伍宇騰.錦屏水電樞紐輔助洞工程巖爆現(xiàn)象分析及防治措施［J］.山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)報），2008，38（3）：28-33.

［7］ 呂 慶，孫紅月，尚岳全，等.深埋特長公路隧道巖爆預(yù)測綜合研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（16）：2982-2988.

Formation Mechanism Analysis and Prevention Research of Rockburst in Deep Tunnels

CHEN Yun，RUAN Huai-ning，ZHU Zhen-de
（Geotechnical Engineering Research Institute，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The rockburst is the throwing and peeling damage phenomenon for surrounding rock under high ground stress.It is a kind of special phenomenon in underground engineerings，which needs to be deeply studied at home and abroad.Here，through the study on the deep-laying tunnel in JinpingⅡ Hydropower Station，the rockburstmechanism and its prevention and controlmeasures in the excavation process of the tunnel under high ground stress are understood，and through the FLAC software，the principal stress of the tunnel is simulated，still further，through the numerical analysis，it is judged whether the rockburstwould occur.

high ground stress；rockburst；prevention measures；tunnel

TU45

A

1672—1144（2014）01—0209—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.044

2013-10-01

2013-12-30

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）項目（2011CB013504）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41272329）

陳 云（1988—），女，河南南陽人，碩士研究生，研究方向為巖石力學(xué)工程。