崗木拉山隧道巖爆影響因素相關(guān)性研究

閆蘇濤

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路向西部延伸，遇到的高埋深、高地應(yīng)力隧道越來(lái)越多，伴隨著巖爆的問(wèn)題也越來(lái)越突出。為保證巖爆隧道安全快速施工，巖爆準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和有效的防治尤為重要，而其前提是正確地辨識(shí)巖爆影響因素［1］。巖爆影響因素極為復(fù)雜［2］，現(xiàn)階段普遍認(rèn)為巖爆發(fā)生主要與地應(yīng)力和巖石強(qiáng)度有關(guān)［3］，巖爆預(yù)測(cè)大多采用這兩個(gè)因素，但實(shí)際上巖爆的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果［4］，不僅有自然因素，還有人為因素，僅對(duì)影響巖爆發(fā)生的部分因素進(jìn)行分析，具有片面性和局限性，巖爆預(yù)測(cè)和防治就存在盲目性。隧道施工中能否確定巖爆影響因素及這些因素對(duì)巖爆的作用程度，對(duì)巖爆預(yù)測(cè)和防治具有重要意義。

2 工程概況

拉林鐵路崗木拉山隧道位于西藏自治區(qū)米林縣境內(nèi)，隧道起訖里程DK346＋340～DK358＋000，全長(zhǎng)11 660 m，隧道最大埋深1 800 m。隧道地處雅魯藏布江桑加峽谷地貌，兩岸均為極高山，地形起伏較大。隧道圍巖主要為早白堊系英云閃長(zhǎng)巖及閃長(zhǎng)巖、新遠(yuǎn)古-中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖。含水層以第四系孔隙水及基巖裂隙水為主，含水層富水性強(qiáng)，地下水涌水集中在隧道進(jìn)口受斷層影響段落，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

3 巖爆影響因素相關(guān)性分析

3.1 埋深與巖爆相關(guān)性

國(guó)內(nèi)外隧洞巖爆多發(fā)生在埋深較大的區(qū)域［5］，普遍認(rèn)為埋深大的段落巖體自重應(yīng)力較大，所以容易產(chǎn)生巖爆。然而很多巖爆工程案例中，即使構(gòu)造應(yīng)力很大，巖爆發(fā)生的原始動(dòng)力已經(jīng)不依賴自重應(yīng)力提供，這種狀態(tài)下隧道依舊很少在埋深淺的段落發(fā)生，也就是無(wú)論是否存在構(gòu)造應(yīng)力，巖爆都與埋深有關(guān)系，崗木拉山隧道也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。崗木拉山隧道兩端埋深較淺，向中間方向埋深逐漸增大，最大埋深1 800 m。由于青藏高原由亞歐板塊與印度洋板塊碰撞擠壓形成，存在很大的構(gòu)造應(yīng)力，很多專家認(rèn)為開挖之初在兩端埋深較淺的地段就可能會(huì)產(chǎn)生巖爆。然而實(shí)際是隨著隧道的掘進(jìn)，進(jìn)口在埋深300 m左右、出口在埋深500 m左右時(shí)才發(fā)生巖爆，而且隨著埋深的增加，巖爆有增大的趨勢(shì)，分析其原因是埋深如果不夠大，構(gòu)造應(yīng)力無(wú)法儲(chǔ)存，容易消散。

3.2 巖體與巖爆相關(guān)性

巖體包括兩部分，巖塊及巖塊之間的結(jié)構(gòu)面。

3.2.1 巖塊與巖爆相關(guān)性

巖爆多發(fā)生在強(qiáng)度大、硬脆、完整性較好的圍巖中［6］，因?yàn)檫@類圍巖在高地應(yīng)力作用下能儲(chǔ)存較大的應(yīng)變能。開挖卸荷之后，在集中應(yīng)力作用下，巖塊受到的壓力越來(lái)越大，向臨空面的變形越來(lái)越多，巖塊所儲(chǔ)存的應(yīng)變能越來(lái)越大，最后達(dá)到極限平衡狀態(tài)，而突然破壞向臨空面彈射［7］，這是最傳統(tǒng)的對(duì)巖爆的認(rèn)識(shí)。巖爆的表現(xiàn)形式是多樣的，不僅僅有塊體彈射，還有片狀剝落、塊狀松脫等。崗木拉山隧道多表現(xiàn)為塊狀松脫，在圍巖壁上形成楔形或者梯形的爆坑，而松脫的塊體底面往往有原生的結(jié)構(gòu)面，有的甚至在側(cè)面也存在結(jié)構(gòu)面，說(shuō)明此隧道巖爆的發(fā)生并不是地應(yīng)力壓壞了完整的巖塊，而是先破壞了結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較巖塊本身強(qiáng)度減小很多，導(dǎo)致圍巖的破壞強(qiáng)度降低了很多。傳統(tǒng)的以地應(yīng)力和巖塊抗壓強(qiáng)度來(lái)預(yù)判巖爆的方法不再適用，巖塊本身強(qiáng)度對(duì)巖爆的影響已經(jīng)不大了。

3.2.2 結(jié)構(gòu)面與巖爆相關(guān)性

巖體中如果存在很多結(jié)構(gòu)面，則地應(yīng)力尤其構(gòu)造應(yīng)力會(huì)減小，因?yàn)榱严稙榈貞?yīng)力提供了釋放的空間，也可以認(rèn)為有裂隙說(shuō)明地應(yīng)力已經(jīng)釋放過(guò)了。由于結(jié)構(gòu)面的影響，崗木拉山隧道巖爆如果采用傳統(tǒng)的強(qiáng)度應(yīng)力比的方法進(jìn)行判別，則大多為無(wú)巖爆或者輕微巖爆，支護(hù)設(shè)計(jì)往往是和巖爆等級(jí)對(duì)應(yīng)的，無(wú)巖爆或者輕微巖爆往往采用素噴或者錨噴支護(hù)。但在施工過(guò)程中經(jīng)常有大的塊體從拱部或者邊墻沿著結(jié)構(gòu)面塌落，這也是現(xiàn)場(chǎng)巖爆主要表現(xiàn)形式。當(dāng)有較大的塊體在自重應(yīng)力和地應(yīng)力共同作用下松脫時(shí)，素噴或者錨噴不足以支撐，給隧道安全施工帶來(lái)威脅，隧道內(nèi)很多判定為無(wú)巖爆或者輕微巖爆的地段甚至有鋼拱架被壓彎。不設(shè)置鋼拱架工人無(wú)法進(jìn)場(chǎng)施工，安全無(wú)法得到保證，所以巖爆預(yù)測(cè)和防治必須要考慮結(jié)構(gòu)面的影響。

結(jié)構(gòu)面與巖爆發(fā)生位置也有關(guān)系，在頂部或者拱腰存在結(jié)構(gòu)面時(shí)（見圖1），開挖后不穩(wěn)定塊體形成臨空面，在自重應(yīng)力和地應(yīng)力作用下很容易松脫掉落。崗木拉山隧道巖爆多發(fā)生在右上角，并且是沿著結(jié)構(gòu)面松脫也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖1 洞體與結(jié)構(gòu)面關(guān)系示意

3.3 平導(dǎo)與巖爆相關(guān)性

崗木拉山隧道正洞左側(cè)30 m設(shè)置了一個(gè)寬度為6.5 m的平導(dǎo)。隧道開挖初期，很多人認(rèn)為由于平導(dǎo)先行，平導(dǎo)的開挖能釋放正洞周邊的應(yīng)力，使正洞巖爆減弱。為了判斷平導(dǎo)對(duì)正洞巖爆的影響程度，建立了數(shù)值模型，通過(guò)不開挖平導(dǎo)和開挖平導(dǎo)兩種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

本次數(shù)值模擬選取DK348＋700～DK348＋720段落進(jìn)行分析，此段落埋深在760 m左右，模型埋深設(shè)置為60 m，其余700 m通過(guò)等效荷載模擬。為減少邊界效應(yīng)，設(shè)置兩側(cè)巖土體寬度為4倍洞徑［8］，見圖2。此段落地層主要以閃長(zhǎng)巖為主，結(jié)合勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

圖3 隧道周邊主應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果見圖3。在不開挖平導(dǎo)的工況下，正洞周邊主應(yīng)力分別為左拱腰33.3MPa、左拱腳32.5MPa、左邊墻45.8 MPa、右拱腰33.5 MPa、右拱腳 32.6 MPa、右邊墻45.9 MPa。在開挖平導(dǎo)的工況下，正洞周邊主應(yīng)力分別為左拱腰33.6 MPa、左拱腳32.7 MPa、左邊墻46.5 MPa、右拱腰 33.9 MPa、右拱腳 32.8 MPa、右邊墻46.1 MPa。由此可見，開挖平導(dǎo)和不開挖平導(dǎo)兩種工況下正洞周邊圍巖應(yīng)力相差很小，基本可歸為計(jì)算誤差，平導(dǎo)對(duì)正洞周邊圍巖壓力無(wú)明顯影響，平導(dǎo)釋放的圍巖應(yīng)力主要在其周邊塑性圈范圍內(nèi)，在塑性區(qū)外影響很小，所以平導(dǎo)對(duì)正洞巖爆基本無(wú)影響。

3.4 時(shí)間與巖爆相關(guān)性

巖爆發(fā)生有明顯的時(shí)間效應(yīng)，在開挖后4 h內(nèi)是巖爆發(fā)生較頻繁的時(shí)段，這一段時(shí)間內(nèi)圍巖噼啪聲、撕裂聲明顯，主要發(fā)生在掌子面及與掌子面距離一倍洞徑內(nèi)，其范圍之外逐漸減小，在開挖后尚未進(jìn)行初期支護(hù)裸露的圍巖發(fā)生最為頻繁。4～8 h時(shí)間段內(nèi)巖爆發(fā)生頻率減緩，但發(fā)生的強(qiáng)度并未減小，也經(jīng)常會(huì)有較大的塊體松脫和掉落。已經(jīng)進(jìn)行了初期支護(hù)的段落，隨著時(shí)間的推移，仍有可能發(fā)生二次巖爆破壞初支，現(xiàn)場(chǎng)很多段落在初支完成幾天甚至十幾天后發(fā)生了巖爆。所以從時(shí)間上來(lái)說(shuō)沒(méi)有完全不發(fā)生巖爆的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，只能加強(qiáng)支護(hù)防止二次巖爆破壞隧道初支，從而避免對(duì)人員機(jī)械造成傷害。

3.5 開挖方式與巖爆相關(guān)性

現(xiàn)階段隧道開挖方式對(duì)巖爆影響認(rèn)識(shí)尚存在分歧［9-10］，有人認(rèn)為巖爆隧道應(yīng)分臺(tái)階開挖，因?yàn)榉峙_(tái)階開挖圍巖一次應(yīng)力釋放不至于太多，能減少巖爆發(fā)生；有人認(rèn)為巖爆隧道應(yīng)全斷面開挖，斷面一次成型，以減少圍巖的二次擾動(dòng)，從而減少巖爆發(fā)生。為了驗(yàn)證不同開挖方式對(duì)巖爆的影響，分別采用全斷面開挖和分臺(tái)階開挖兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，參數(shù)同表1。

計(jì)算結(jié)果如圖4所示。隧道上部開挖之后，在拱腳處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，達(dá)到52.6 MPa；隧道下部開挖后，整個(gè)輪廓圍巖應(yīng)力和全斷面開挖情況下基本一致，說(shuō)明分部開挖并不能減少周圍圍巖應(yīng)力，雖然分部開挖每一部都能減少地層總的應(yīng)力釋放量，但是由于每一部的裸露面都較小，按面積分配下來(lái)圍巖應(yīng)力并不會(huì)減小。拱腳處角度一般比墻角處小，就導(dǎo)致上臺(tái)階開挖后在拱腳處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，所以巖爆如果主要表現(xiàn)為彈射，則全斷面開挖法比分部開挖法有優(yōu)勢(shì)；如果巖爆主要表現(xiàn)為松脫和剝落，則全斷面開挖和分部開挖沒(méi)什么區(qū)別，但是如果松脫和剝落位置在邊墻，且面積很大跨越上臺(tái)階和下臺(tái)階，則先開挖上臺(tái)階能優(yōu)先固定住不穩(wěn)定塊體，這種情況下分臺(tái)階開挖比全斷面開挖更有優(yōu)勢(shì)。

圖4 隧道分部開挖周邊主應(yīng)力云圖

4 巖爆發(fā)生機(jī)制及支護(hù)措施

4.1 巖爆發(fā)生機(jī)制

通過(guò)對(duì)已發(fā)生巖爆段落觀測(cè)，崗木拉山隧道巖爆很少有彈射，主要表現(xiàn)為沿著結(jié)構(gòu)面松脫、剝落。隧洞開挖后，洞壁圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，由于在拱腰部位發(fā)育傾斜的結(jié)構(gòu)面，在集中壓力作用下，不穩(wěn)定塊體首先沿著結(jié)構(gòu)面張裂，同時(shí)向臨空方向變形［11］，周邊應(yīng)力進(jìn)一步集中，并且狀態(tài)發(fā)生變化，裂隙開始沿著一定角度向臨空面延伸，結(jié)構(gòu)面的張裂轉(zhuǎn)變?yōu)閹r石的剪切，隨后不穩(wěn)定塊體與母巖的連接越來(lái)越少，應(yīng)力越來(lái)越集中［12］，最后達(dá)到極限平衡狀態(tài)而破壞。所以崗木拉山隧道巖爆的發(fā)生主要經(jīng)過(guò)了結(jié)構(gòu)面張裂、巖塊剪切、失穩(wěn)破壞三個(gè)階段。

4.2 建議支護(hù)措施

從巖爆相關(guān)性分析中可知巖爆和結(jié)構(gòu)面關(guān)系很密切，這和傳統(tǒng)巖爆的認(rèn)識(shí)不一樣，支護(hù)措施也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)地改進(jìn)。巖爆段落的支護(hù)不能按照巖爆級(jí)別對(duì)應(yīng)關(guān)系形成慣性思維，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行調(diào)整。隧道很多段落雖然判別為輕微巖爆，但是由于拱頂和拱腰發(fā)育有結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面在地應(yīng)力作用下很容易發(fā)展貫通形成不穩(wěn)定塊體，在自重應(yīng)力和地應(yīng)力作用下發(fā)生塌落，從而對(duì)施工安全造成威脅。所以在結(jié)構(gòu)面不利有可能產(chǎn)生大塊落石的高地應(yīng)力地段，不管判別為什么級(jí)別的巖爆，都必須設(shè)置鋼拱架，以確保塊體不會(huì)掉落傷人。施工中要根據(jù)結(jié)構(gòu)面狀態(tài)提前判別大掉塊位置，同時(shí)還要設(shè)置臨時(shí)保護(hù)措施，以防在支護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生塊體塌落。由于巖爆發(fā)生主要為塊體沿著結(jié)構(gòu)面塌落，所以傳統(tǒng)的巖壁灑水、高壓注水等措施不再適用，這些措施會(huì)軟化結(jié)構(gòu)面，從而加劇巖爆的發(fā)生，這和傳統(tǒng)巖爆防治措施不一樣。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）崗木拉山隧道巖爆特征和傳統(tǒng)巖爆不一樣，受結(jié)構(gòu)面影響顯著，發(fā)生概率和發(fā)生位置都受結(jié)構(gòu)面影響，而受巖石強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。巖爆的發(fā)生主要經(jīng)過(guò)了結(jié)構(gòu)面張裂、巖塊剪切、失穩(wěn)破壞三個(gè)階段。

（2）存在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)時(shí)巖爆和埋深仍有關(guān)系；平導(dǎo)沒(méi)有改變正洞周邊的圍巖應(yīng)力，所以對(duì)正洞巖爆基本無(wú)影響；全斷面開挖和臺(tái)階法開挖哪個(gè)更有優(yōu)勢(shì)取決于巖爆表現(xiàn)形式，巖爆如果主要表現(xiàn)為彈射，則全斷面開挖法有優(yōu)勢(shì)，如果主要表現(xiàn)為松脫和剝落，且不穩(wěn)定塊體很大，則分臺(tái)階開挖更有優(yōu)勢(shì)。

（3）巖爆的防治措施不應(yīng)該僅僅與巖爆級(jí)別對(duì)應(yīng)，而應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況有針對(duì)性實(shí)施。由于巖爆發(fā)生主要為塊體沿著結(jié)構(gòu)面松脫，當(dāng)判定有大體積塊體塌落時(shí)，為確保施工絕對(duì)安全，應(yīng)首選鋼拱架支護(hù)，而傳統(tǒng)的巖壁灑水、高壓注水等軟化結(jié)構(gòu)面的措施不再適用。