谷竹高速公路大坪山隧道地應力特征及巖爆預測

尤哲敏，陳建平，李 濤，徐 方

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

深埋特長隧道穿越中—高地應力區，而高地應力意味著深埋隧道在硬巖段的開挖過程中，將會出現不同程度的巖爆災害［1］，影響施工安全和開挖進度，因此日益成為地下工程研究的熱點和重點。

巖爆是在高應力條件下，由于地下工程掘進造成圍巖應力重分布，從而引起硬脆性巖體在短時間內產生的儲備彈性應變能突然快速釋放，并發生巖塊剝落、彈射甚至拋擲［2］。

對巖爆的預測目前國內外還沒有成熟的理論與方法［3-4］。大多是針對具體工程采用單一或多種判據，判據的適用性還有待商榷［5-7］。

大坪山隧道是湖北省谷竹高速公路的一條分離式特長深埋隧道，尚未開挖段存在中—強烈巖爆的可能，因此，對于大坪山隧道硬巖段的巖爆預測亟需研究。本文采用三維有限元回歸分析法，對大坪山隧道硬巖段開挖過程中巖爆發生的可能性進行預測。

1 工程概況

大坪山隧道位于襄陽市谷城縣紫金鎮與寺坪鎮境內，左右洞長分別為8 263 m和8 242 m，隧道軸線呈NE—SW向展布。

隧址區屬構造剝蝕侵蝕低山—低中山區，地形起伏較大，最大埋深約900 m。該區出露的地層主要為志留系頁巖、奧陶系生物碎屑灰巖夾少量炭質頁巖、粉砂質頁巖;下寒武統泥質條帶灰巖、炭質灰巖局部含頁巖夾層;上震旦統—下寒武統白云巖夾灰巖。大地構造上位于揚子準地臺北緣的青峰臺褶束，走向近EW向。青峰斷裂帶與隧道軸線小角度相交，其形成的數條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶見圖1，使隧道圍巖局部變得較破碎，地下水發育，整體穩定性差。

圖1 大坪山隧道軸線地質剖面示意

2 工程區地應力場反演分析

初始地應力的分布是巖爆發生與否的關鍵性影響因素，地應力的準確評價直接影響到巖爆預測的可靠性［8］。

地應力回歸分析法是利用數值分析和多元回歸分析，將計算區域的地應力場視為自重應力場和水平x，y向擠壓和xy面剪切等構造應力場的線性疊加，通過分別模擬4個子應力場，組合成計算地應力場［9］。通過三維應力場反演和實測資料擬合，得出隧址區的初始地應力場特征［10］，為隧道各斷面的巖爆預測提供依據。

2.1 初始地應力場的現場實測結果分析

工程區采用水壓致裂法進行了2個鉆孔的地應力測量，地應力分布具有如下特點［11］:①最大水平主應力σH＞最小水平主應力σh＞上覆巖體的自重應力σV，σV=γH;其中γ為上覆巖體的重度，H為上覆巖體的埋深;②水平主應力隨深度的增加呈線性增大;③最大主應力方向為NE15°～18°，表明測孔附近地應力以NE向擠壓為主;④各測孔側壓系數均＞1，表明工程區地應力以構造應力為主。

2.2 初始地應力場的三維有限元反演分析

根據大坪山區域地形地貌特點及巖層力學特性，選取長×寬=8 375 m×3 000 m，底部高程為 －1 000 m，以隧址區為主的計算區域，主要巖體的物理力學參數見表1。采用線彈性本構模型，對四個子應力場分別施加位移邊界條件進行求解［12］。

表1 巖體力學參數

將鉆孔實測應力和回歸計算值進行對比，如圖2所示。可知:在測試深度范圍內，兩者大部分較接近;鉆孔附近地應力場以構造應力場為主。表明所采用的計算模型是可行的，適合隧址區的整體地應力場反演。

圖2 鉆孔ZK11地應力實測值與計算值對比

2.3 大坪山隧址區的地應力場特征

圖3給出了大坪山隧道軸線縱剖面的最大水平主應力和最小水平主應力等值線分布圖。可知:σH，σh隨深度呈現近似線性增長的趨勢;應力的分布與地形地貌關系密切，在淺部，受地形地貌影響較大，地形變化較大時，其應力等值線相對較密;隨著埋深增大，其影響逐漸變弱。這與實際地應力場規律一致，說明大坪山隧道縱剖面處計算的地應力場是合理的。此外，應力等值線受地質構造的影響也較大［13］，在斷層及其影響帶中，應力等值線出現突變現象。

圖3 大坪山隧道軸線縱剖面應力分布(單位:MPa)

根據分析結果，隧道軸線縱剖面處屬于中等應力水平，應注意有發生中等巖爆的可能。

3 巖爆判據及預測

對于大坪山特長深埋隧道的巖爆預測研究，選擇了4種國內外代表性的判據，即 Russenes判據、Turchaninov判據、Rb/σ1判據及陶振宇判據，如表2所示(選取原則:最大限度利用巖石的物理力學參數及有限元分析結果)。分別對隧道各個洞段依次分析，在多種判據判斷的基礎上，綜合評價了各個洞段發生巖爆的可能性和強度［14］。隧洞截面應力采用式(1)～式(3)計算。

表2 巖爆判據

式中，σmax為橫截面最大初始應力，α為最大水平主應力與隧洞走向的夾角。

預測時各洞段的最大主應力σ1和拱壁切向應力σθ采用前面有限元分析的數據，對四種判據預測結果綜合評價得出沿線巖爆發生的可能性及強度，并將已開挖段巖爆發生情況與預測結果進行對比，見表3～表7。

表3 Russenes判據巖爆預測結果

表4 Turchaninov判據巖爆預測結果

表5 Rb/σ1判據巖爆預測結果

表6 陶振宇判據巖爆預測結果

表7 大坪山隧道各斷面巖爆綜合預測結果及與實際情況對比

根據室內巖石物理力學試驗結果，取灰巖和白云巖天然巖樣的單軸抗壓強度Rc=100.5 MPa，飽和單軸抗壓強度Rb=63.0 MPa(僅考慮硬巖段的灰巖和白云巖)。

由巖爆綜合預測結果可知，大坪山隧道的硬巖段巖爆發生情況:除了3 301 m長度范圍內不發生巖爆外，弱巖爆區長2 900 m，中等巖爆區長600 m，強烈巖爆區長3 00 m(埋深900 m處完整堅硬白云巖段)，隧道開挖過程中應特別注意中等—強烈巖爆發生區段，及時做好支護。

大坪山隧道出口段左右洞尚處于頁巖段，所以不考慮發生巖爆。進口段施工進入巖爆區段后未發生巖爆，這與沿線出現多條斷層破碎帶、隧道埋深不大、地下水相對較發育等有關。但隨著掘進的深入，隧道出口段將逐漸進入硬巖段，進口段埋深也隨之增大，洞內出現巖爆的可能性增大。因此，在隧道開挖施工過程中應加強監測、開展超前預報工作，并結合工程建設采取巖爆防治措施，避免災害發生。

4 結語

1)通過三維有限元回歸分析，對大坪山深埋特長隧道兩個鉆孔的實測應力進行分析，計算值與實測值對比結果表明所選模型是可行的，可用來進行隧址區的整體地應力場的反演。

2)采用4種國內外常用的巖爆判據對隧道各斷面進行巖爆預測，綜合評價各斷面發生巖爆的可能性及強度，預測有600 m長為中等巖爆區，300 m長為強烈巖爆區。但以上預測是根據設計資料進行的，還需要結合施工階段巖爆的發生情況進行現場檢驗。

本文巖爆預測僅采用了理論法中的4種判據，未涉及能量法及現場實測法，且對巖爆發生的影響因素未做分析，還需結合現場監測和測試，分析影響巖爆的因素，以更準確判斷巖爆發生的可能性。

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