隧道巖爆與TSP法彈性參數(shù)關(guān)系的探討

王 凱,牟元存,李 星

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 引 言

隨著我國隧道建造水平的不斷提高，鐵路隧道已向深埋長大隧道的方向發(fā)展。在深埋長大隧道的施工過程中不可避免會遇到各種地質(zhì)問題，巖爆就是其中之一，它不僅對施工人員及設(shè)施設(shè)備的安全造成嚴(yán)重威脅，同時往往導(dǎo)致工期延誤和工程費用的增加。TSP(Tunnel Seismic Prediction)法作為目前廣泛使用的一種彈性波超前地質(zhì)預(yù)報方法，該方法通過計算圍巖的地震波速度、泊松比、彈性模量等參數(shù)，分析掌子面前方的地質(zhì)情況，多年來在預(yù)測預(yù)報斷層破碎帶、巖溶、軟弱地層等方面取得了豐碩的成果，但是在預(yù)測巖爆方面，還存在很大困難，國內(nèi)外也鮮有相關(guān)文獻。眾所周知，巖爆現(xiàn)象同巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、地質(zhì)構(gòu)造、隧道埋深等因素存在關(guān)系[1,2]，而上述因素必定對圍巖波速、彈性模量等巖石彈性參數(shù)產(chǎn)生影響[3]。那么，巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的彈性參數(shù)是否存在關(guān)系，TSP法在巖爆的預(yù)測過程中能否發(fā)揮作用？針對此問題，本文以川藏鐵路拉林段某隧道為依托，在統(tǒng)計眾多TSP預(yù)報數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析TSP法得到的彈性參數(shù)同隧道巖爆的關(guān)系。

2 地質(zhì)概況

隧道位于沃卡地塹東側(cè)，巖性以閃長巖、花崗巖為主，圍巖完整性較好，以Ⅱ～Ⅲ級圍巖為主，夾少量Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道范圍內(nèi)發(fā)育一條斷層，破碎帶寬度10～20 m，具剪張性質(zhì)。受區(qū)域構(gòu)造影響，構(gòu)造裂隙發(fā)育，多呈“X”型，局部可見填充物。地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水，但含量較小。隧址區(qū)地面標(biāo)高3 260～5 500 m，高差約2 300 m，為典型的高山峽谷地貌，最大埋深約2 100 m，巖性以極硬巖為主，地應(yīng)力較高，且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，存在巖爆等工程地質(zhì)問題。

3 巖爆段落的TSP物性參數(shù)特征

本次分析研究以數(shù)據(jù)統(tǒng)計為基礎(chǔ)，共統(tǒng)計了某隧道的38次TSP預(yù)報數(shù)據(jù)，長度約3.5 km。統(tǒng)計數(shù)據(jù)從原始資料的采集到處理，全程采用了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。原始地震記錄具有較高信噪比，干擾信號未影響初至讀取和波形對比，反射波同相軸清晰，不工作道比例低于20 %，且不連續(xù)出現(xiàn)；資料處理過程中參數(shù)選取合理，處理成果道間一致性強。資料滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，可靠性高。將TSP數(shù)據(jù)進行分析之后，發(fā)現(xiàn)縱波速度、體積模量等彈性參數(shù)同巖爆存在相關(guān)性。

3.1 縱波速度

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，實測縱波速度的分布范圍為3 800 m/s

圖1 縱波速度與巖爆關(guān)系示意圖Fig.1 Correlation between rockburst and longitudinal wave velocity

根據(jù)施工現(xiàn)場統(tǒng)計情況，本次分析段落內(nèi)共有25個巖爆段落，共計1 431 m，各段落地震波速度沿隧道掘進方向的變化情況如表1所示：

表1 巖爆段落縱波速度變化趨勢Table 1 Variation tendency of longitudinal wave velocity in rockburst area

3.2 體積模量

統(tǒng)計數(shù)據(jù)中體積模量的分布范圍為10 GPa<κ<120 GPa。采用同樣的分析方法對體積模量進行分析，可得到與波速類似的規(guī)律：巖爆段落的體積模量通常大于40 GPa，最大可達100 GPa，而體積模量低于40 GPa的段落，巖爆現(xiàn)象減少，在發(fā)生巖爆的段落，體積模量往往呈現(xiàn)上升趨勢，如圖2所示。

圖2 體積模量與巖爆關(guān)系示意圖Fig.2 Correlation between rockburst and volume modulus

對巖爆段落體積模量沿掘進方向的變化趨勢統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 巖爆段落體積模量變化趨勢Table 2 Variation tendency of volume modulus in rockburst area

前人對地震波速、彈性模量與地應(yīng)力的關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明：地震波速和彈性模量與應(yīng)力的大小存在依存關(guān)系。巖石是礦物和地質(zhì)構(gòu)造的綜合體，其地震波速度和彈性模量等物性參數(shù)受巖石骨架、裂隙等因素的影響。然而，應(yīng)力的大小控制圍巖中裂隙的開合，應(yīng)力增大時，裂隙在應(yīng)力作用下會趨于閉合，孔隙度降低，巖石強度增大，巖石特性將體現(xiàn)出巖石骨架的特性，波速與彈性模量增大；反之，應(yīng)力減小時，裂隙張開，孔隙度增大，波速和彈性模量減小[4,5]。隧道施工過程中，由于開挖卸荷，掌子面附近一定范圍內(nèi)的應(yīng)力得到釋放[6]，導(dǎo)致掌子面前方的應(yīng)力沿開挖方向逐漸上升，從而使得波速和彈性模量均呈增大趨勢。本次巖爆段落的統(tǒng)計資料中，地震波速和體積模量等數(shù)據(jù)特征基本符合以上規(guī)律，因此，在巖爆的預(yù)測預(yù)報過程中，可將TSP法得到的地震波速和體積模量作為參考。

4 彈性參數(shù)相互之間的關(guān)系

TSP數(shù)據(jù)處理過程中，體積模量、泊松比等參數(shù)的計算以波速為基礎(chǔ)。為了分析巖爆段落體積模量、泊松比隨地震波波速的變化情況，進一步對波速和體積模量、泊松比的相互關(guān)系進行了分析。

體積模量[7]與圍巖波速之間存在如下關(guān)系

(1)

查閱文獻可知，火成巖的密度[8]與圍巖波速之間關(guān)系滿足如下經(jīng)驗公式

(2)

式中，κ為體積模量(Pa)；ρ為巖石密度(kg/m3)；VP為縱波速度(m/s)；VS為橫波速度(m/s)。根據(jù)以上關(guān)系，可得出理想狀況下，即當(dāng)VP=1.73VS時，花崗巖、閃長巖的體積模量和圍巖波速之間的關(guān)系。

圖3 非巖爆段落體積模量與縱波速度關(guān)系Fig.3 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in non-rockburst area

圖4 巖爆段落體積模量與縱波速度關(guān)系Fig.4 Correlation between volume modulus and longitudinal wave velocity in rockburst area

圖5和圖6表明，巖爆段和非巖爆段圍巖的泊松比總體分布于0.1～0.4之間，不同之處在于非巖爆段落的總體趨勢趨于一個穩(wěn)定的值(約為0.25)，但是巖爆段落，其值隨縱波速度的增大而逐漸增大。

圖5 非巖爆段泊松比與縱波速度的關(guān)系Fig.5 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in non-rockburst area

圖6 巖爆段泊松比與縱波速度的關(guān)系Fig.6 Correlation between poisson’s rate and longitudinal wave velocity in rockburst area

體積模量、泊松比和縱波速度的關(guān)系特征可解釋為：在應(yīng)力作用下，巖石裂隙趨于閉合，導(dǎo)致縱波速度明顯增大，但橫波速度僅與巖石骨架有關(guān)，故上升幅度較縱波小[9]，因此，縱橫波速比增大。泊松比與縱橫波速比呈正相關(guān)關(guān)系，故泊松比隨縱波速度的增大而增大。體積模量與泊松比同樣呈正相關(guān)關(guān)系，理論計算時，考慮縱橫波速比恒定為1.73，但計算實測體積模量時，縱橫波速比往往大于1.73，使得體積模量的實測值將大于理論計算值。

5 結(jié) 論

1)地震波速、彈性模量等彈性參數(shù)與應(yīng)力大小存在相關(guān)性，對于存在巖爆現(xiàn)象的高應(yīng)力段落，縱波速度通常大于5 000 m/s，體積模量往往大于40 GPa。

2)巖爆段落內(nèi)，掌子面附近一定范圍內(nèi)的波速和彈性模量均呈增大趨勢，泊松比變化趨勢不明顯，但依然表現(xiàn)出隨波速緩慢上升趨勢。

3)地應(yīng)力增大使巖石裂隙逐漸閉合，縱波速度大幅上升，但是橫波速度僅與巖石骨架有關(guān)，故其上升幅度小于縱波波速，由此得到體積模量的理論計算小于實測值。而非巖爆段落TSP法得到的彈性模量值，與理論計算值較為吻合。

4)巖爆與TSP法彈性參數(shù)關(guān)系的探討對巖爆的預(yù)測預(yù)報具有借鑒意義。

通過統(tǒng)計分析，認(rèn)為高地應(yīng)力段落的巖爆現(xiàn)象同TSP法得到的波速、體積模量、泊松比等參數(shù)存在相關(guān)性，但是參數(shù)的變化與巖爆現(xiàn)象之間是否存在量化關(guān)系，以及巖爆的等級同參數(shù)的變化幅度之間是否有關(guān)等問題，并未得到明確結(jié)果，尚需進一步分析研究。