烏茲別克斯坦卡姆奇克隧道巖爆段的圍巖特點

王天舒，劉成禹，李紅軍

(1.中鐵隧道局集團有限公司， 河南 洛陽 471009；2.福州大學(xué)， 福建 福州 350116)

巖爆是在硬脆巖體內(nèi)，由于洞室埋深大或地殼運動使巖體中的應(yīng)變能大量聚集，形成很高的初始應(yīng)力，施工過程中，聚集在巖體中的應(yīng)變能突然釋放，巖體發(fā)生猛烈的脆性失穩(wěn)和彈射現(xiàn)象[1-3]。它直接威脅施工人員和設(shè)備的安全，影響施工進度，已成為世界性的地下工程難題之一[4-5]。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，深部巖石工程越來越多，埋深越來越大。隨著埋深的增加，巖體賦存的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜，地應(yīng)力更高，巖爆將更加突出、嚴(yán)重[6]。因此，對巖爆的發(fā)生規(guī)律及控制技術(shù)進行深入研究具有重要的理論和實際意義。

巖爆多發(fā)生在硬脆性巖體中[7-9]。美國巖石力學(xué)專家White等[10]對發(fā)生于Lucky Friday礦的巖爆研究表明，巖體中不連續(xù)面滑移導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力變化極有可能誘發(fā)巖爆。馮夏庭等[11]對錦屏二級水電站巖爆發(fā)生段的巖體結(jié)構(gòu)及工程地質(zhì)條件歸納總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，圍巖中結(jié)構(gòu)面的存在對巖爆形態(tài)、強度以及發(fā)生概率都有極大影響。譚以安[12]對天生橋水電站巖爆發(fā)生段的調(diào)查研究表明，巖爆多發(fā)生在Ⅱ級圍巖段，圍巖完整或過于破碎時幾乎不發(fā)生巖爆；巖爆強度與巖體主節(jié)理面和地應(yīng)力最大主應(yīng)力的夾角有關(guān)，夾角越小巖爆越強烈。周輝等[13]在錦屏二級水電站深埋隧洞施工中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面對巖爆具有重要控制作用，并在此基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)面型巖爆可分為滑移型、剪切破裂型和張拉板裂型。謝勇謀等[14]研究表明圍巖的宏、微觀結(jié)構(gòu)與巖爆是否發(fā)生以及巖爆強度有密切聯(lián)系。李忠等[15]對重慶陸家?guī)X隧道巖爆段工程地質(zhì)條件的統(tǒng)計分析表明，巖爆發(fā)生最多的巖體，結(jié)構(gòu)面密度適中，結(jié)構(gòu)面太多或太少均不易發(fā)生巖爆。

上述研究表明：巖爆發(fā)生段巖體除巖塊具有硬脆的力學(xué)特性外，巖爆發(fā)生概率及強度還與巖體中的結(jié)構(gòu)面有密切聯(lián)系。然而，目前關(guān)于巖爆發(fā)生段的巖體結(jié)構(gòu)面特點，特別是巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與隧道走向或與地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向間關(guān)系的研究并不多，來源于具體工程的統(tǒng)計分析成果更少。為此，本文通過烏茲別克斯坦卡姆奇克道巖爆發(fā)生段巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的統(tǒng)計分析，得出巖爆發(fā)生及其強度與巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的關(guān)系，所得結(jié)論對深化巖爆發(fā)生機理的認(rèn)識及巖爆預(yù)測及防治有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

由中鐵隧道集團有限公司承建的烏茲別克斯坦Angren—Pop鐵路卡姆奇克隧道，由長19.200 km的主隧道和長19.268 km的安全隧道組成，是安—琶鐵路的控制性工程，有“中亞第一長隧”之稱。隧道走向S64°E，主隧道和安全隧道中心水平間距29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超過700 m的地段總長達7 km。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要在海西造山運動時形成，其后，受阿爾卑斯山造山運動進一步影響。受地質(zhì)構(gòu)造運動的影響，隧址區(qū)發(fā)育與隧道軸線基本平行或呈小角度相交的西北走向大斷裂帶。隧道工程地質(zhì)勘查表明：隧址區(qū)地應(yīng)力的最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向與隧道軸線接近垂直；地應(yīng)力最大主應(yīng)力與豎向地應(yīng)力的平均比值為1.2；隧道總長近10 km的區(qū)段存在高地力或極高地應(yīng)力。從2014年2月2#斜井出現(xiàn)巖爆開始，隧道各工作面相繼發(fā)生不同程度的巖爆，對施工安全及進度造成了嚴(yán)重影響。

2 巖爆表現(xiàn)形式及主要特點

卡姆奇克隧道的巖爆主要發(fā)生在拱頂，基本在爆破掘進后立即發(fā)生。根據(jù)巖爆規(guī)模，將其分為輕微、中等、強烈3個等級，如圖1—圖3所示。各級巖爆的主要特點見表1。

圖1 輕微巖爆照片 圖2 中等巖爆照片 圖3 強烈?guī)r爆

3 巖爆段巖塊的力學(xué)特性

卡姆奇克隧道發(fā)生巖爆的區(qū)段圍巖主要為花崗閃長巖和正長斑巖。為掌握巖爆巖塊的力學(xué)特性，在巖爆較嚴(yán)重的2#、3#斜井選取發(fā)生巖爆的花崗閃長巖和正長斑巖試塊，現(xiàn)場取芯后制成12個直徑5 cm、高10 cm的標(biāo)準(zhǔn)試樣帶回國內(nèi)進行單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變試驗。部分巖樣的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 花崗閃長巖巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5花崗斑巖巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗結(jié)果表明：

(1) 巖塊的單軸抗壓強度為135 MPa～210 MPa，屬硬巖；巖塊破壞前應(yīng)力-應(yīng)變近似呈直線關(guān)系(如圖4、圖5所示)。說明巖樣破壞前基本上是彈性變形。

(2) 巖樣開始出現(xiàn)破壞(應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)上下波動)時的應(yīng)變?yōu)?‰～5‰，巖塊出現(xiàn)整體破壞(應(yīng)力-應(yīng)變曲線急劇向下)時的應(yīng)變?yōu)?.5‰～7.0‰。無論是巖樣開始出現(xiàn)破壞時的應(yīng)變，還是出現(xiàn)整體破壞時的應(yīng)變均較小，遠(yuǎn)比判別巖塊脆性破壞的標(biāo)準(zhǔn)(<1%)小，說明巖塊屬典型的脆性巖層。

圖4、圖5中，由豎直虛線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和橫軸圍成的A、B區(qū)域均具有A區(qū)域的面積大于B區(qū)域的特點。其中，A區(qū)域的面積為巖樣達到強度極限前積累于巖石內(nèi)部的應(yīng)變能[16]，B區(qū)域的面積為巖樣達到強度極限后消耗于巖石破壞過程中的應(yīng)變能[16]。圖中A區(qū)域的面積比B區(qū)域的大，說明巖樣的應(yīng)變能消耗比n(巖石單向壓縮時，達到強度極限前積累于巖石內(nèi)的應(yīng)變能與強度極限后消耗于巖石破壞過程中的應(yīng)變能之比)大于1。前人的研究成果表明：當(dāng)巖樣的應(yīng)變能消耗比n>1時，在高應(yīng)力條件下會發(fā)生巖爆[16-17]。

上述實驗結(jié)果表明：卡姆奇克隧道發(fā)生巖爆的巖層屬典型的硬脆性巖層，具有發(fā)生巖爆的物質(zhì)條件。

4 巖爆段圍巖的結(jié)構(gòu)面特點

本文收集了2014年12月底前卡姆奇克隧道發(fā)生的132處巖爆的資料，將巖爆處圍巖結(jié)構(gòu)面走向與隧道縱向的夾角、傾角等作為本文統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)資料。

132處巖爆的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：巖爆處巖性80%以上為花崗閃長巖或花崗斑巖，其余為花崗閃長巖為主局部夾安山巖、凝灰?guī)r；巖爆段巖體的節(jié)理面呈密閉、干燥狀態(tài)。132處巖爆段圍巖有的發(fā)育一組節(jié)理、有的發(fā)育兩組節(jié)理。

4.1 一組節(jié)理情況

132處巖爆中27處圍巖僅發(fā)育一組節(jié)理。這27處巖爆的情況見表2。

表2 圍巖發(fā)育一組節(jié)理時巖爆情況

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：圍巖發(fā)育一組節(jié)理時，巖爆發(fā)生段節(jié)理走向與隧道縱向或橫向的夾角均小于40°；其中，節(jié)理走向與隧道縱向夾角小于40°的有19處，與隧道橫截面方向夾角小于40°的有8處。與隧道縱向、橫向的夾角統(tǒng)計情況見表3、表4。

表3 節(jié)理走向與隧道縱向的夾角統(tǒng)計表

表4 節(jié)理走向與隧道橫向的夾角統(tǒng)計表

由表3、表4可看出：圍巖發(fā)育一組節(jié)理時，巖爆發(fā)生處節(jié)理走向與隧道縱向或橫向的夾角小于30°的占85.2%。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：圍巖發(fā)育一組節(jié)理時，巖爆發(fā)生處節(jié)理傾角均大于50°，具體情況見表5。

表5 節(jié)理傾角統(tǒng)計表

由表5可看出：圍巖發(fā)育一組節(jié)理時，巖爆發(fā)生處節(jié)理傾角大于70°的占77.8%，大于80°的占55.6%。

4.2 兩組節(jié)理情況

132處巖爆中105處圍巖發(fā)育2組節(jié)理，具體情況見表6。

表6 圍巖發(fā)育二組節(jié)理時巖爆情況

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，發(fā)生巖爆的區(qū)段，一組節(jié)理接近水平(傾角均小于15°)，另一組節(jié)理走向與隧道縱向或橫向的夾角均小于40°，如圖6所示。

圖6一組水平節(jié)理，另一組走向與隧道軸線接近平行

4.2.1 輕微巖爆

圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，52處輕微巖爆發(fā)生處，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向夾角的統(tǒng)計結(jié)果見表7、表8。

表7 輕微巖爆處節(jié)理走向與隧道縱向的夾角統(tǒng)計表

表8 輕微巖爆處節(jié)理走向與隧道橫向的夾角統(tǒng)計表

由表7、表8可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，輕微巖爆發(fā)生段中，除接近水平的一組節(jié)理外，另一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角小于30°的占71.2%，小于20°的占53.8%。

走向與隧道縱向或橫向的夾角小于40°的這組節(jié)理，其傾角的統(tǒng)計情況見表9。

表9 輕微巖爆處節(jié)理傾角統(tǒng)計表

由表9可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，輕微巖爆發(fā)生段，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理，其傾角大于70°的占73.1%，傾角大于80°的占48.1%。

4.2.2 中等巖爆

圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，39處中等巖爆發(fā)生處，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向夾角的統(tǒng)計結(jié)果見表10、表11。

表10 中等巖爆處節(jié)理走向與隧道縱向的夾角統(tǒng)計表

表11 中等巖爆處節(jié)理走向與隧道橫向的夾角統(tǒng)計表

由表10、表11可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，中等巖爆發(fā)生段中，除接近水平的一組節(jié)理外，另一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角小于30°的占77.2%，小于20°的占61.5%。

走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的這組節(jié)理，其傾角的統(tǒng)計情況見表12。

表12 中等巖爆處節(jié)理傾角統(tǒng)計表

由表12可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，中等巖爆發(fā)生段中，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理，其傾角大于70°的占87.1%，傾角大于80°的占61.5%。

4.2.3 強烈?guī)r爆

圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，14處強烈?guī)r爆發(fā)生處中，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角統(tǒng)計結(jié)果見表13、表14。

表13 強烈?guī)r爆處節(jié)理走向與隧道縱向的夾角統(tǒng)計表

表14 強烈?guī)r爆處節(jié)理走向與隧道橫向的夾角統(tǒng)計表

由表13、表14可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，強烈?guī)r爆發(fā)生段中，除接近水平的一組節(jié)理外，另一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角小于30°的占92.9%，小于20°的占78.6%。

走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的這組節(jié)理，其傾角的統(tǒng)計情況見表15。

表15 節(jié)理傾角統(tǒng)計表

由表15可看出：圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，強烈?guī)r爆發(fā)生段中，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理，其傾角均大于70°，且傾角大于80°的占85.7%。

4.2.4 巖爆強度與節(jié)理產(chǎn)狀的關(guān)系

將圍巖發(fā)育兩組節(jié)理、不同巖爆強度下，走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的那一組節(jié)理與隧道的夾角及其傾角的上述統(tǒng)計結(jié)果列于表16。

表16 走向與隧道縱向或橫向夾角小于40°的節(jié)理特點

由表16可看出：在本項目所述的地應(yīng)力最大主應(yīng)力為水平方向且與隧道縱向接近垂直、圍巖發(fā)育兩組節(jié)理，其中一組接近水平的條件下，另一組節(jié)理與隧道縱向或橫向的夾角越小、傾角越大，巖爆越強烈。

5 結(jié) 論

(1) 卡姆奇克隧道發(fā)生巖爆的圍巖主要為花崗閃長巖和正長斑巖，室內(nèi)試驗表明，這兩種巖層具有強度高，巖樣破壞前基本上是彈性變形，破壞前變形小，應(yīng)變能消耗比大于1的特點，屬于典型的硬脆性圍巖。

(2) 卡姆奇克隧道的巖爆主要發(fā)生在拱頂。圍巖發(fā)育一組節(jié)理時，以輕微巖爆為主。巖爆發(fā)生處，絕大部分(占85.2%)節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角小于30°，且傾角大部分(占77.8%)大于70°。

(3) 圍巖發(fā)育兩組節(jié)理時，巖爆發(fā)生處一組節(jié)理接近水平(緩傾)，另一組節(jié)理的走向與隧道縱向或橫向的夾角大多(70%以上)小于30°，傾角大多(70%以上)大于70°；該組陡傾節(jié)理走向與隧道縱向或橫向的夾角越小、傾角越大，巖爆越強烈。