閩西南某隧道高地應力特征及隧道巖爆預測研究

張建忠

(中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100043)

0 引言

高地應力地區進行地下洞室開挖極易產生破壞性巖爆［1－3］。如何更好地進行巖爆預測是國內外研究人員一直關心的問題。國內外科學家提出了很多巖爆判據，包括陶振宇判據［4］、Barton 判據［5］、Russense 判據［6］、Hoek 判據［7］以及能量法、剛度法、巖性法及臨界深度法［8］等。多數判據以洞室圍巖的應力為參考指標，地應力大小成為預測巖爆的重要參數［9－10］。由于原地應力測試費用高昂，利用有限的地應力數據預測整個工程區的應力狀態便成為巖爆預測的關鍵問題，數值模擬方法成為主要的研究方法［11－12］。為了更加方便地進行地應力場和巖爆預測，本文按照工程區地應力實測、圍巖應力狀態和巖爆預測方法展開，并用預測結果與工程實例進行對比分析，具體流程見圖1。

1 地應力預測與評價理論

巖爆的發生與工程區地應力狀態有直接的關系，高地應力區域極易發生巖爆。國內外對高地應力的含義迄今還未達成統一的認識。王成虎等［13－15］在對國內外地應力評價方法進行總結和分析的基礎上，提出了巖體強度應力比高地應力評價指標，見表1。高地應力評價需要確定原位巖體強度和地應力大小。原位巖體的強度很難直接測得，可以利用Heok－Brown巖體強度理論進行估算。地應力的大小以實測應力為基礎，結合修正后的Sheorey模型進行估算。

圖1 地應力評價和巖爆預測體系流程圖Fig.1 Flowchart of ground stress evaluation and rock burst prediction

表1 巖體強度應力比高地應力評價指標［15］Table 1 Index for evaluation of ground stress by strength-to-stress method

1.1 Hoek－Brown巖體強度估算理論

1980年，E.Hoek和 E.T.Brown在分析 Griffith理論和修正的 Griffith理論的基礎上，提出了狹義的Hoek－Brown(H －B)準則［16］。此后，H －B 準則經過多次修正［17－19］，由于其充分考慮了巖體的工程地質方面的特征，被世界各國學者廣泛接受。眾多文獻已經對該準則進行了分析和討論，本文中不再贅述。E.Heok等［20］于 2002 年推出 RocLab軟件，可以計算巖體力學參數，包括巖體抗剪斷峰值強度、變形模量、單軸抗壓強度、整體抗壓強度和單軸抗拉強度等，為H－B準則的推廣使用奠定了良好的基礎。RocLab軟件的計算流程如圖2所示。

圖2 RocLab軟件計算流程圖Fig.2 Flowchart of calculation by RocLab software

GSI是H－B準則的一個重要參數，該參數考慮了巖體結構和結構面等地質因素對巖體力學參數的影響，大量的文獻曾對GSI的取值進行過研究［21－22］。

1.2 地應力預測理論—Sheorey模型

Sheorey模型［23］中將地球假設為一個球形殼體，將地殼、地幔和地核分別當作不同物態的物質分層考慮，考慮不同深度地殼和地幔的巖體彈性模量、泊松比、地溫梯度、巖體熱膨脹系數以及巖體密度隨地殼深度增加而增加等問題。地殼水平應力隨深部的變化可以表達為

式中:σh為地殼中的水平應力;β為巖石線性熱膨脹系數;ν為泊松比;E為巖石彈性模量;G為地殼中地溫梯度。

根據眾多文獻對巖石線性膨脹系數的研究可知，淺層地殼水平應力均值與垂直應力的比值k隨深部的變化可以表達為

式中:Eh為特定深度上巖石的平均水平彈性模量，GPa;Z為距地表深度，m。

因此，對于同一構造區域，如果巖性不同，深度不同，可以利用式(2)和有限的原地應力實測數據進行原地應力狀態的預測。

式中:E1，E2為基準點和預測點巖石的平均水平彈性模量，GPa;Z1，Z2為基準點和預測點距地表的深度，m;k1，k2為基準點和預測點的水平應力均值與垂直應力的比值。

根據王艷華等［24］的統計結果，中國大陸地殼淺部k值的范圍為

而絕大多數實測應力數據顯示，中國大陸地殼淺部k值的最優范圍為［24］

式中Z為距地表深度，km。

通過對式(2)分析可知，當深度較淺(Z＜100 m)時，由Sheorey模型預測的k值偏大。圖3表明，當巖石的平均水平彈性模量大于35 GPa時，Sheorey模型預測的k值大于實測k值的最優范圍。P.R.Sheorey也指出本式僅適用于138.87 m～33.73 km的地殼深度范圍，故需要對公式進行修正。

由式(2)可知，當Eh變小時，就可以較好地擬合現場實測數據，Sheorey在研究過程中并沒有明確巖石彈性模量、巖體彈性模量與巖體變形模量三者之間的區別。按照Sheorey模型的基本原理和對原地應力場的認識，王成虎等［25－26］認為式(2)中的 Eh應使用“原位巖體”的變形模量。因此，根據實測地應力資料確定實測點k1，通過H－B準則和現場地質調查獲得基準點和預測點的巖體變形模量E1和E2，進一步確定預測點的k2，從而獲得預測點應力值。

圖3 地殼淺部Sheorey模型和實測k值Fig.3 Sheorey model for ground stress in shallow crust and measured“k”value

2 工程概況

2.1 基本地質條件

隧道位于閩西南剝蝕中低山區，地形起伏較大，自然坡度20°～50°，相對高差100～750 m。隧道為雙線隧道，軸線方向為N24°W，樁號DK215+970～DK229+750，全長15 780 m，其中本次研究區樁號為DK224+855～DK229+750，最大埋深695 m。現場調查和鉆探資料表明，工程區以Ⅲ和Ⅳ級圍巖為主，主要巖性為粉砂巖和花崗巖。根據現場點荷載試驗和室內巖石力學實驗的結果可知，巖石強度較高，單軸抗壓強度為140～160 MPa。工程區發育2條斷層，1處節理密集帶和4條巖性接觸帶，如圖4所示。

2.2 地應力特征

工程區在大地構造上屬于閩西南拗陷帶，北東—北東東向及北北東向斷裂最為發育，基本控制著本區構造格局。世界應力圖項目關于該區域應力狀態的數據顯示最大水平主應力方向為NE—NEE向［27］。在隧道中(圖4中星號所示，埋深460 m)布置了2個鉆孔進行水壓致裂原地應力測試，測試結果表明最大主應力的優勢方位為 N71°—86.7°E。

圖4 隧道沿線剖面圖Fig.4 Profile of tunnel

2個鉆孔揭示的實測應力值相對較高，最大水平主應力值范圍為22.89～23.47 MPa，最小水平主應力范圍為10.78～11.70 MPa。在測試過程中，2個鉆孔布置距離很近，所揭露的巖性也相同，因此2個鉆孔所反映的應力狀態也類似。具體實測結果見表2。

總體上看，工程區實測地應力方向以NEE向為主，地應力水平較高，三向主應力之間的大小關系表現為:SH＞SV＞Sh，該地應力狀態符合地質構造背景及局部地形地貌所反映的區域地應力場特征。

3 巖爆預測結果與實際巖爆對比分析

3.1 鉆孔周邊巖體強度估算

對鉆孔周邊的巖體進行詳細地質調查，確定其GSI值。進一步結合室內巖石力學實驗結果，利用RocLab軟件對鉆孔周邊的巖體強度以及變形模量進行估算，結果如表3所示。

3.2 隧道沿線巖體強度估算及地應力計算

在取得鉆孔周邊巖體強度的基礎上，首先根據工程區圍巖基本巖體質量，利用RocLab軟件對整個工程區隧道圍巖強度進行估算，得到原位巖體變形模量Erm。以鉆孔實測地應力為基準值，并且利用式(3)對整個工程區地應力水平進行計算，結果見表4。由表4可知，DK225+803～DK228+018為高地應力區域，DK228+018～DK229+750為中等地應力區域，局部地段為低地應力區域。

3.3 隧道沿線巖爆預測

國內外學者提出了很多巖爆判據和巖爆分級標準，本次研究主要利用地應力指標進行巖爆預測，因此參考地應力以及應力強度比方面的判據。根據王成虎等［9］對巖爆和脆性破壞時應力特征的研究，將隧道圍巖切向最大應力與巖石單軸抗壓強度比作為巖爆判據，預測巖爆發生的可能性，預測結果見表4。

表2 ZK1和ZK2鉆孔水壓致裂測量結果Table 2 Stresses measured in test boreholes ZK1 and ZK2

表3 基于Hoek－Brown準則的鉆孔巖體強度估算結果Table 3 Rock strength estimated on basis of Hoek－Brown criterion

續表

從巖爆預測結果來看，隧道 DK224+885～DK228+018均存在巖爆發生的高應力條件，巖爆發生的程度為輕微至中等，特別當埋深超過500 m后，發生中等程度巖爆的可能性非常大。而DK228+018～DK229+750基本不會發生巖爆災害，但是不能排除局部地段發生巖爆災害的可能性。

3.4 隧道施工過程中巖爆分析

前面對工程區地應力狀態進行了分析，對可能發生的巖爆進行了預測。本節結合隧道施工過程中發生的巖爆情況，對前面的預測進行分析和討論。表5為進入正洞段施工以來，部分比較典型的發生巖爆情況統計。

表5 施工過程中典型巖爆情況統計Table 5 Typical rock bursts occurring during excavation

從表5中可知，實際發生巖爆的區域均位于預測的中等巖爆區域，地應力水平為25～33 MPa，屬于高應力區。工程區應力狀態主要受局部地質構造、巖體強度和地形地貌的影響［28］。地形地貌對地應力的影響有一定范圍，一般越接近地表或谷坡，影響越大，對深埋隧道圍巖應力狀態無明顯影響［29－32］。在靜應力場中，斷層構造對地應力大小和方向的影響是局部的。在同一個構造單元體內，被斷層或其他大結構面切割的各個大塊巖體中的地應力方向、大小均較一致［32］。研究資料表明在同一工程區內，由于巖體強度的不同，測得的地應力往往不同，地應力值隨巖石楊氏模量增大而增大［33－37］。巖體強度與地應力既是獨立又是統一的，強度較高的巖體才能夠積累高應力，積蓄高應變能，從而導致巖爆的發生。從表4中可知，巖體強度對應力水平的影響比較顯著，強度大的區域，地應力水平較高，說明以上的預測是合理的。

區域的應力方向為NE—NEE向，與梅花山隧道的軸線方向近于垂直，由于最大水平主應力的作用，在隧道洞身斷面的拱頂形成了壓應力集中，在斷面的拱肩部位形成了剪應力集中，這些應力集中導致洞壁圍巖發生脆性破壞，進而形成巖爆;與此同時，后續的開挖作業會影響先前開挖成型的洞段，導致應力集中作用更為明顯，會加重圍巖的破壞。

4 結論與討論

本文基于實測地應力結果，利用修正后的Sheorey模型預測了隧道沿線的地應力狀態。按照高地應力評價指標對應力狀態進行評價，并且根據隧道圍巖切向最大應力與巖石單軸抗壓強度比的巖爆預測方法對隧道沿線可能發生的巖爆進行了預測，發現與已發生的巖爆一致性較好，證明了本文所闡述的工程區地應力和巖爆預測方法的可靠性和可行性。

區域應力資料和實測應力資料都表明，工程區最大主應力的優勢方向為NEE向，與隧道軸線接近垂直，對隧道施工不利。實測地應力數據表明，鉆孔及其周邊區域屬于高地應力區，最大水平主應力22.89～23.47 MPa，最小水平主應力 10.78 ～ 11.70 MPa。基于修正后的Sheorey模型的地應力預測結果表明，工程區地應力相對較高，其中DK225+803～DK228+018，埋深為400～700 m，最大水平主應力為16.48～32.98 MPa，最小水平主應力為 8.25 ～16.49 MPa，屬于高地應力區域，占隧道總里程的45%。

利用隧道圍巖切向最大應力與巖石單軸抗壓強度比的巖爆預測結果表明，高地應力區有發生輕微至中等巖爆的可能性，尤其是埋深超過500 m的區域，發生中等程度巖爆的可能性非常大。

本研究重點考慮了高應力作用，這種考慮方便開展巖爆災害預測，但是對全面認識巖爆問題會有所影響。后續研究中需充分利用多方面的資料進行全面的綜合分析，只有這樣才能得出更加符合實際的結論。

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