利用地應力測試評價隧道圍巖的巖爆條件

衛建昌 崔宏文

1 工程概況

隨著我國西部大開發進程的加快，在地形地貌及地質背景復雜、陸路交通網密度低于全國平均水平的西部地區，在鐵路、公路、水電等領域將會修建更多的隧道工程，大埋深隧道將是 21世紀我國隧道工程發展的總趨勢，在隧道勘察中，必須對開挖可能遭遇的巖爆等地質災害做出預測及合理的防治措施。大巴山隧道為萬源(陜川界)—達州(徐家壩)高速公路關鍵性控制工程，起點位于陜西省鎮巴縣巴山鄉路家河，終點位于四川省萬源市梨樹鄉大竹林村南約 100m。里程樁號:ZK 0+000～ZK6+125.00，隧道左線全長 6 125m，洞凈寬 12.25m，洞凈高 7.00m，軸線方位角40°。隧道埋深大于 400m的段落約 2.7 km，洞室穿越的巖性為硅質白云巖、白云質灰巖和泥質砂巖，穿越 5條疊瓦式斷層和7個褶皺，隧道處于高地應力區，開挖時存在發生巖爆的可能性。

2 地應力測試與分析

為了評價該隧道穿越區段的地應力情況，在隧道勘察時，布置地應力測試孔 2個，分別在 CZK 3，ZK4鉆孔中進行。

表1 鉆孔水壓致裂原地應力測量結果

2.1 主應力值的測試

CZK3孔巖芯主要為硅質白云巖，鉆孔位于F4盧家坪—蓮花池逆斷層和源灘—蓮花池主背斜附近，ZK 4孔于隧洞出口段的張家坪—簸箕灣向斜核部附近。主應力值測試是根據鉆探巖芯選取，共選取了 10個測段，并在其中 5個測點進行了地應力方向的測量。由重張壓力和閉合壓力計算各測段處的最大水平主應力和最小水平主應力值。測量與計算結果見表 1。

2.2 主應力方向的測試

按照水壓致裂應力測量的基本原理，水壓致裂所產生的破裂面的走向就是最大水平主應力(SH)的方向。為確定該孔的主應力方向，根據壓裂測試曲線形態，CZK 3選定了 402.74m～403.54m，509.22m～510.02m和 538.26m～539.06m三個測段、ZK4選擇376.29m～376.89m和 479.12m～479.72m兩個測段進行了印模測量，破裂形態均為直立裂縫，計算求得破裂面的方向分別為NE71°，NE62°，NE64°，NE 35°和 NE47°。 測試結果反映了隧址附近最大水平主應力(SH)的優勢方向為 NEE。

2.3 地應力測試結果分析

測試深度范圍內的最大水平主應力值為 4.7MPa～19.60MPa，最小水平主應力值為 3.7MPa～9.60MPa。由 509.22m～510.02m，538.26m～539.26m測段的測值可以看出，洞身附近現今最大水平主應力量值為 19.09 MPa～19.60 MPa，最小水平主應力值為11.39MPa～11.60MPa。主應力與深度的關系呈現為:應力隨深度增加而增大。三項主應力的關系:按照水壓致裂應力測量的基本理論，垂直主應力可以按其上覆巖層的重力進行估算。根據巖石的平均容重，取 2.60 g/cm3，則測試鉆孔深度域內的應力關系為:SH＞Sv＞Sh。

3 地應力測量結果在工程中的應用

由兩個鉆孔的測試數據結果可知，隧址區最大水平主應力方向為 NE35°～NE71°，優勢方向為 NE56°。隧道軸線方向為NE40°。最大水平主應力方向與隧道軸線方向之間的夾角較小，對擬建隧道穩定性的影響不大。結合實測的地應力結果，對隧道施工中可能的巖爆問題進行初步的分析和討論。

3.1 利用切向應力準則

隧道處于高地應力環境中，結構完整的硬、脆性圍巖，開挖后，切應力(σθ)達到或接近圍巖的單軸抗壓強度，在其他因素的誘發下，圍巖以巖爆形式失穩。根據切向應力準則，將圍巖的切向應力(σθ)與巖石的抗壓強度(Rc)之比作為判斷巖爆的等級劃分原則:

σθ/Rc＜0.3，無巖爆活動;σθ/Rc介于 0.3～ 0.5間，輕微巖爆;σθ/Rc介于 0.5～ 0.7間，中等巖爆;σθ/Rc＞0.7，強烈巖爆。

利用上述方法得出ZK4孔洞身附近隧道橫截面的正應力和垂直應力分別為:16.57MPa和 14.56MPa。計算結果見表 2。

表2 切向準則應力的計算參數和計算結果

從表 2中的計算結果可以看出，在相應的埋深條件下，隧道在通過 CZK 3孔和ZK 4孔附近時，由于硐室的開挖，硐壁周邊將產生應力集中，存在發生輕微～中等巖爆的可能性。

3.2 谷—陶巖爆判據分級

根據谷明城、陶振宇在前人(Barton，Russens，Turchninov)研究的基礎上，結合國內眾多深埋隧道的施工經驗，如二郎山隧道、秦嶺鐵路隧道等，提出判斷發生巖爆等級的劃分原則(見表 3)。

表3 巖爆等級的劃分原則

表4 谷—陶巖爆分析的計算參數和計算結果

從表 4中的計算結果可以看出，在相應的埋深條件下，隧道在通過CZK 3孔和ZK 4孔附近時，存在發生中等級巖爆的可能性。綜上所述，隧道在開挖時，由于巖體中存在較高的地應力，存在發生巖爆的可能性。

4 巖爆臨界埋深計算

隧道洞身穿越大量砂巖、石灰巖、白云巖及硅質白云巖等硬質巖地層，具備了發生巖爆的巖性條件。根據硅質白云巖飽和單軸抗壓強度平均值Rc=91.8MPa時，計算臨界埋深:

其中，Rc為巖石單軸抗壓強度;r為圍巖重度;u為泊松比。

計算的臨界深度為 406.5m，而隧道越嶺段埋深一般為 400m～600m，最大埋深近 740m，均超過可能發生巖爆的臨界埋深，具備發生巖爆的埋深條件。綜合評判該隧道存在發生輕微 ～中等巖爆的可能性，施工中應采取相應的預防和處置措施。

5 結語

根據CZK 3孔和ZK 4孔的地應力測試結果，對隧道的地應力評價結論如下:

1)地應力測值隨著孔深的變化呈現逐漸增大的規律性。2)三項主應力的關系:洞身附近三項主應力的關系即 SH＞Sv＞Sh。3)洞身附近的地應力狀態以區域應力作用為主。最大水平主應力優勢方向為NE56°。與隧道走向的夾角較小，有利于洞室的穩定。 4)根據數據分析，隧道在 ZK 1+250～ZK1+430，ZK 1+850～ZK1+940，ZK 2+020～ ZK 2+325，ZK3+095 ～ ZK 3+330，ZK 3+790～ZK4+370段，埋深較大(大于 400m)，有發生輕微 ～中等巖爆的可能。

經過長期工程實踐總結，巖爆最有可能發生的部位:1)不同巖石分界處;2)壓性斷裂帶附近，尤其是隧道通過埋深較大而巖石強度較高且比較完整的洞段。初步探索出一些操作性較強的巖爆控制手段如:1)改善圍巖物理性質，即爆破后向掌子面及附近噴灑高壓水;2)合理施工方法，采用“短進尺、弱巖爆”，嚴格控制炮眼利用率，可以降低巖爆發生頻率。

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