高原地區(qū)高地應(yīng)力隧道巖爆預(yù)判方法

王永福

(中鐵二十一局集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

高原地區(qū)高地應(yīng)力隧道巖爆預(yù)判方法

王永福

(中鐵二十一局集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

盆因拉隧道是新建拉薩至日喀則鐵路的關(guān)鍵性控制工程，在盆因拉隧道的施工時巖爆頻發(fā)。對隧道巖爆地質(zhì)段的巖性進行了現(xiàn)場測試及室內(nèi)試驗，依據(jù)試驗結(jié)果，分別采用巖石彈性應(yīng)變指數(shù)、最大儲存彈性應(yīng)變指標(biāo)、強度脆性系數(shù)等指標(biāo)對巖爆傾向進行了預(yù)測，可對工程施工予以指導(dǎo)。

高原 深埋長大隧道 地應(yīng)力 動力失穩(wěn) 巖爆預(yù)判

由中鐵二十一局承建的拉薩至日喀則鐵路TJ5標(biāo)盆因拉隧道全長10 410 m，最大埋深1 080 m。該隧道洞身巖體存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，處于高地應(yīng)力區(qū)，被列為重大危險源。由于巖爆發(fā)生時間、位置具有不確定性，如何有效地預(yù)判巖爆成為盆因拉隧道快速、安全施工的關(guān)鍵。中鐵二十一局拉日鐵路指揮部進行了高原地區(qū)高地應(yīng)力隧道巖爆地段施工技術(shù)攻關(guān)，使整個施工過程均處于受控狀態(tài)，并提高了巖爆區(qū)域隧道的施工作業(yè)效率。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪研究，盆因拉隧道及斜井通過區(qū)出露的地層為燕山期閃長巖，局部地表覆蓋0～3 m的粗、細角礫土。其中燕山期閃長巖以青灰色、淺灰色為主，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀或碎塊狀構(gòu)造。其礦物主要成分為角閃石、石英、長石、黑云母等，巖體致密、堅硬，局部夾石英巖脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整。強風(fēng)化層厚1～5 m，Ⅳ級軟石，Ⅳ ～Ⅴ級圍巖，σ0=500 kPa。弱風(fēng)化層，Ⅵ級堅石，Ⅱ～Ⅲ級圍巖為主，局部為Ⅳ級圍巖，σ0=800 kPa。

1.2 工程地質(zhì)構(gòu)造

線路走行于岡底斯 念青唐古拉板塊(南緣)、喜馬拉雅板塊(北緣)和兩者之間的雅魯藏布江縫合帶，呈近東西向展布。印度板塊在新生代早期(漸新世—中新世)完成了雅魯藏布江縫合帶的拼合后，仍在向北運動，使得本區(qū)仍存在整體抬升、斜掀和差異性的上升運動，因此所在地區(qū)新構(gòu)造運動較活躍。

1.3 區(qū)域地應(yīng)力特征

盆因拉隧道位于雅魯藏布江峽谷區(qū)，地應(yīng)力有明顯的重分布現(xiàn)象，從谷坡至山體內(nèi)部，可分為應(yīng)力釋放帶、應(yīng)力集中帶、應(yīng)力穩(wěn)定帶。該隧道在雅江河谷呈近東西向展布。由于線路走向與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線近于平行，最大主應(yīng)力、斜坡應(yīng)力集中帶，傍山偏壓，深埋等特點對隧道工程的設(shè)置及圍巖的穩(wěn)定不利。

2 地應(yīng)力測試及分析

2.1 鉆孔圍巖應(yīng)力狀態(tài)

采用水壓致裂法進行地應(yīng)力測試時，對巖體作了下列假定:圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體;圍巖為多孔介質(zhì)，注入的流體按達西定律在巖體孔隙中流動。另外，當(dāng)鉆孔為鉛直方向時(如本次測試孔)，假定鉛直向應(yīng)力(主應(yīng)力之一)大小等于上覆巖層的自重壓力，則水壓致裂法地應(yīng)力測試的力學(xué)原理可以簡化為彈性平面問題［1-2］。

2.2 測試步驟

在進行水壓致裂測試之前，必須對鉆孔進行檢查，包括巖芯獲得率RQD、透水率ω、鉆孔傾斜度等。然后根據(jù)工程的需要選擇合適的壓裂段。同時在現(xiàn)場對壓力傳感器進行標(biāo)定，對每根加壓鉆桿進行密封檢驗。水壓致裂法測試步驟如下:

1)坐封。通過鉆桿將2個可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段加壓使其膨脹、坐封于孔壁上，形成承壓段空間。

2)注水加壓。通過鉆桿推動轉(zhuǎn)換閥后，液壓泵對壓裂段注水加壓(此時封隔器壓力保持不變)，鉆孔孔壁承受逐漸增強的液壓作用。

3)巖壁破裂。在足夠大的液壓作用下，孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，該破裂將在垂直于截面上最小主應(yīng)力平面內(nèi)延伸。當(dāng)泵壓上升到臨界破裂壓力后，由于巖石破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降。

4)關(guān)泵。關(guān)閉壓力泵，隨著壓裂液滲入到巖層，泵壓緩慢下降。當(dāng)壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時的壓力，稱為瞬時關(guān)閉壓力。

5)卸壓。打開壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄為0。

6)重張。按以上2～5步驟連續(xù)進行多次加壓循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過程。

7)解封。壓裂完畢后，通過鉆桿拉動轉(zhuǎn)換閥，使封隔器內(nèi)液體通過鉆桿排除，此時封隔器收縮恢復(fù)原狀，即封隔器解封。

8)破裂縫方向記錄。采用定向印模器，通過擴張印模筒外層的生橡膠和能自動定向的定向器記錄破裂縫的長度和方向。

2.3 測試結(jié)果及分析

地應(yīng)力測試工作在盆因拉隧道2#橫洞的地應(yīng)力鉆孔內(nèi)進行，采用水壓致裂法。測試部位布置于鉆孔巖芯較完整部位?，F(xiàn)場測試在2012年10月完成，共成功獲得3個測段壓裂資料、1個測段印模資料。

地應(yīng)力鉆孔布置在盆因拉隧道2#橫洞 H5+50處，孔深30 m，測試時水位在孔口?？變?nèi)巖芯為閃長巖，全孔巖芯整體較完整，局部略破碎。鉆孔部位山頂高程約4 340 m，孔口高程約3 790 m，測孔部位埋深約550 m。實測結(jié)果如表1。

表1 盆因拉隧道2#橫洞水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

由表1可知，已取得的3個測點可以代表該處巖體應(yīng)力狀態(tài)。最大水平主應(yīng)力為24.7～27.4 MPa，平均為25.6 MPa;最小水平主應(yīng)力為14.6～15.4 MPa，平均為14.9 MPa;鉛直應(yīng)力σz平均為15.5 MPa。

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果和隧道設(shè)計資料分析，盆因拉隧道該處埋深為530 m，附近的最大應(yīng)力分布特征一般以 σH≥σz＞σh為主，部分為 σz≥σH＞ σh，σH與σz值相差＞15 MPa，因此判斷該隧道埋深超過530 m以上的巖體均處于高地應(yīng)力狀態(tài)［3-4］。

3 巖石物理力學(xué)性能測定

3.1 巖芯制備

本次試驗全部巖樣用HQM-1型巖芯切磨機加工成標(biāo)準長度的圓柱體，兩端切磨平整且與圓柱體軸線垂直，兩端面的不平行度＜0.015 mm。使用 SG-3型恒溫箱，采用90℃以下溫度烘24 h，然后將樣品取出放入干燥皿(底部放有吸濕硅膠)中自然冷卻。將烘干巖芯沿長軸方向0°和90°的2個位置，用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量巖芯長度，取其平均值作為巖芯的有效長度。在巖芯周向上，用同樣的方法和儀器測量其直徑，取其平均值作為巖芯的有效直徑。

3.2 巖石單軸壓縮試驗

單軸抗壓試驗按照規(guī)范分別對盆因拉隧道2#橫洞、正洞DK138+020，DK138+300處巖樣進行了干燥和飽和條件下的測試，測試數(shù)據(jù)有彈性模量、泊松比、縱橫波波速、應(yīng)力值等，結(jié)果見表2。

3.3 單軸循環(huán)加卸載試驗

本次巖石單軸循環(huán)加卸載試驗通過軸向壓力控制，試驗加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強度80%左右的時候卸載，試驗結(jié)果見表3。

4 巖爆傾向性分析

4.1 巖石彈性應(yīng)變能指數(shù)

巖石試樣彈性應(yīng)變能計算如圖1所示。從理論上講，在試驗中應(yīng)從巖石的峰值強度點開始卸載，以求算彈性應(yīng)變能指數(shù) Wet，但由于試驗時難以控制到峰值點，所以巖石單軸循環(huán)加卸載試驗根據(jù)單軸抗壓強度確定卸載荷載。一般先將樣品加載到單軸抗壓強度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強度的5%，根據(jù)加卸載曲線計算卸載時釋放的彈性變形能量與耗散的能量之比，計算彈性應(yīng)變能指數(shù)。

根據(jù)巖石單軸壓縮試驗加卸載曲線可以得到Wet

表2 拉日鐵路盆因拉隧道單軸試驗測試

表3 巖石單軸循環(huán)加卸載試驗結(jié)果

圖1 巖石試樣彈性應(yīng)變能計算示意

計算公式如下

式中:Ee為峰值荷載前的彈性變形儲能(變形后儲存的最大彈性應(yīng)變能);Ep為由塑性變形和內(nèi)部微破裂而消耗的能量(損耗的應(yīng)變能);f(ε)，f1(ε)分別為加載、卸載曲線;εt，εe，εp分別為總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。

國內(nèi)外現(xiàn)場試驗與研究結(jié)果表明，Wet值越大，巖石破壞的強度越大，釋放的能量也就越多，因此可以很好地反映巖爆的可能性及烈度。用Wet判別巖石巖爆傾向性的標(biāo)準為:Wet≥5.0，強烈?guī)r爆傾向;3.5≤Wet＜5.0，中等巖爆傾向;2.0≤Wet＜3.5，弱巖爆傾向;Wet＜2.0，無巖爆傾向［5-6］。

本次巖石單軸循環(huán)加卸載試驗通過軸向壓力控制，試驗加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強度80%左右的時候卸載。試驗結(jié)果如表4，從中可以看到，巖體在壓縮過程中儲存的能量主要為彈性能 Ee，卸載后儲存在巖石中的應(yīng)變能仍然較高。由表4可以得出盆因拉隧道2#橫洞及正洞有中等—強烈?guī)r爆傾向。

表4 巖石彈性應(yīng)變能計算結(jié)果

4.2 最大儲存彈性應(yīng)變能指標(biāo)

巖石儲存的最大彈性應(yīng)變能Es可由巖石單軸抗壓強度Rb與巖石的彈性模量E計算，公式為

按最大儲存彈性應(yīng)變能指標(biāo)Es判別巖爆傾向性強烈程度的標(biāo)準如下［7］:Es＜0.20 MJ/m3，無巖爆傾向;0.20≤Es＜0.50 MJ/m3，微弱巖爆傾向;0.50≤Es＜0.75 MJ/m3，中等巖爆傾向;Es≥0.75 MJ/m3，強烈?guī)r爆傾向。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 巖石試樣最大儲存彈性應(yīng)變能計算結(jié)果

4.3 強度脆性系數(shù)法

巖石的單軸抗壓強度Rb與抗拉強度Rt之比稱為強度脆性系數(shù)B，它反映了巖石的脆性程度。計算公式為

國內(nèi)外已有研究表明［7-8］:B≥40.0，無巖爆傾向;26.7≤B ＜40.0，弱巖爆傾向;14.5≤B ＜26.7，中等巖爆傾向;B＜14.5，強烈?guī)r爆傾向。

根據(jù)試驗測得的結(jié)果，依據(jù)巖石脆性指標(biāo)，進行盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石脆性系數(shù)B的計算，結(jié)果見表6。由表6可知，無論干燥還是飽和狀態(tài)下，盆因拉隧道2#橫洞和正洞均有強烈?guī)r爆傾向。

表6 巖石試樣強度脆性系數(shù)B計算結(jié)果

4.4 變形脆性系數(shù)法

巖石的峰值強度前的總變形與峰值強度前的永久變形或塑性變形之比稱為變形脆性系數(shù)，變形脆性系數(shù)Ku的計算公式為

式中:U為巖石峰值強度前的總變形;U1為巖石峰值強度前的永久變形或塑性變形。

國內(nèi)外已有研究表明［7-10］:Ku≤2.0，無巖爆傾向;2.0≤Ku＜6.0，弱巖爆傾向;6.0≤Ku＜9.0，中等巖爆傾向;Ku≥9.0，強烈?guī)r爆傾向。

試驗時，一般先將樣品加載到單軸抗壓強度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強度的5%，根據(jù)試驗測得的巖石峰值強度前的總變形與峰值強度前的永久變形或塑性變形。對盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石變形脆性系數(shù)Ku進行計算，計算結(jié)果見表7。

表7 巖石試樣變形脆性系數(shù)Ku計算結(jié)果

5 巖爆預(yù)判

Barton將巖石的單軸抗壓強度Rb與最大地應(yīng)力σH的比值作為預(yù)測巖爆的判據(jù)，并認為 Rb/σH≥5時無巖爆發(fā)生2.5≤Rb/σH＜5.0時有輕微—中等巖爆發(fā)生，Rb/σH＜2.5時有嚴重巖爆發(fā)生。

采用Barton判據(jù)對隧道圍巖巖爆進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明:盆因拉隧道將發(fā)生輕微～中等巖爆。預(yù)測結(jié)果如表 8 所示［11］。

表8 Barton判據(jù)(Rb/σH)預(yù)測結(jié)果

6 結(jié)論

針對拉日鐵路盆因拉隧道的地質(zhì)特征，在施工中對可能出現(xiàn)巖爆的地段提前預(yù)判，采用理論與現(xiàn)場實測相結(jié)合的手段，判定掌子面前方一定范圍內(nèi)巖爆發(fā)生的可能性。主要結(jié)論如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場孔內(nèi)水壓致裂試驗，最大主壓應(yīng)力實測值(埋深為550 m)為24.7～27.4 MPa。

2)盆因拉隧道圍巖以花崗巖、閃長巖為主，巖石存在不同程度蝕變，巖石為硬脆性。

3)根據(jù)巖石的彈性應(yīng)變能指數(shù)進行巖爆的傾向性分析，巖石存在中等～強烈?guī)r爆傾向;依據(jù)最大儲存彈性應(yīng)變能判斷，巖石有微弱巖爆傾向;依據(jù)巖石強度脆性系數(shù)判斷，巖石有強烈?guī)r爆傾向;根據(jù)巖石變形脆性系數(shù)Ku判斷，巖石有中～強烈?guī)r爆傾向。Barton判據(jù)預(yù)測結(jié)果與傾向性分析結(jié)果一致，為現(xiàn)場采取防護措施提供了依據(jù)。

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Prognosis method of rockburst in tunnel with high geostress in plateau areas

WANG Yongfu

(China Railway 21th Bureau Group Corporation，Xianyang Shaanxi 712000，China)

The PenYinLa Tunnel is a key project of the new Lhasa-Shigatse Railway．The Rockburst occurred frequently during the construction．The lithology analysis was conducted with a field test and a lab test．Based on the test results，three parameters were used to predict the rockburst:the index of rock elastic strain，the index of the maximum storage of elastic strain and the brittleness coefficient．This prediction can be applied to the engineering construction．

Plateau;Deeply-buried long tunnel;Crustal stress;Dynamic instability;Rockburst prediction

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．06

1003-1995(2014)10-0022-05

2014-06-15;

2014-08-20

王永福(1986— )，男，河南洛陽人，助理工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)