開繞一號公路隧道巖爆強度評判

趙 勇 進

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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開繞一號公路隧道巖爆強度評判

趙 勇 進

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

開繞一號公路隧道在施工過程中部分隧道段巖爆突出、頻繁，對施工造成了一定影響。闡述了采用3種判定巖爆強度的方法，從定性及定量的角度進行綜合分析判定的過程，結果表明：該公路隧道巖爆強度已達到中等巖爆級別，超過了勘察設計階段預測的弱巖爆級別。該巖爆強度判定結果為該工程施工預防巖爆提供了依據。

公路隧道；巖爆；地應力；強度評判；猴子巖水電站

1 概 述

開繞一號公路隧道位于大渡河猴子巖水電站庫區(qū)，為庫區(qū)S211線淹沒復建 工 程，隧 道 全 長3 238m，隧道建筑界限為9m×3.5m，隧道位于斜坡中上部。隧道圍巖巖性為志留系通化組(St)大理巖、變質灰?guī)r和奧陶系巧家組(Od)千枚巖，巖體主要為塊狀結構和薄層結構。Ⅳ類圍巖段長824m，占隧道總長度的25.4%，Ⅲ級 圍 巖 段 長2 414m，占隧道總長度的74.6%。

設計單位施工建議提示：開繞一號公路隧道在埋深較大時可能發(fā)生弱巖爆。自2013年6月22日(樁號K12+920)起，開繞一號隧道出口端開挖面頻繁發(fā)生巖爆，且其距設計圖紙中可能發(fā)生弱巖爆的樁號K12+745相差175m。巖爆發(fā)生時聲響巨大，有明顯的巖爆悶響聲，掌子面有飛石彈射出來，飛行距離約5～20m。進口端從樁號K11+085起，巖爆現(xiàn)象突出，掌子面有較強的爆裂彈射現(xiàn)象且持續(xù)時間較長，已明顯超過招標圖紙所示的巖爆范圍(K11+185～K12+745)。巖爆等級根據巖爆的破壞性及現(xiàn)場描述可能已達到中等巖爆級別，超過了原設計時預測的弱巖爆級別。基于以上情況，筆者受施工方委托，結合現(xiàn)場調查統(tǒng)計，對開繞一號隧道巖爆強度級別從定性及定量的角度出發(fā)給予了專業(yè)評判。

2 巖爆的表現(xiàn)特征

在高地應力區(qū)，巖體中蓄積著較高的彈性應變能，在洞室開挖過程中，由于應力重新分布，在洞壁附近產生應力集中，當集中的應力超過巖體破碎強度時，巖體中的應變能就會突然釋放出來，使巖體發(fā)生猛烈的脆性失穩(wěn)破壞，破壞后的巖塊彈射出來，這一巖體破壞形式即為巖爆。

(1)巖爆的發(fā)生有強有弱。據開繞一號公路隧道巖爆的調查及統(tǒng)計，在巖爆發(fā)生時伴有清脆的“啪、啪”聲響并伴有撕裂聲，圍巖表層有爆裂脫落剝離現(xiàn)象，為較弱巖爆，是圍巖內彈性應變能外泄引發(fā)的彈射巖塊發(fā)出的聲音，所產生的小塊狀爆體具有一定的沖擊力，小爆體形狀以薄片狀居多。巖爆發(fā)生時發(fā)出沉悶的聲響，所彈射的巖塊具有較強的彈射力，產生的爆塊較大，為較強巖爆，爆塊外薄內厚。而在K12+920段開挖掌子面發(fā)生的巖爆，所產生的爆塊最大塊徑為0.4m×0.3m×0.15m，巖爆發(fā)生時聲響巨大，掌子面飛石彈射的最大距離約為20m。

(2)巖爆多發(fā)生在爆破作業(yè)后2～3h時間段，但也有滯后(6～12h)；巖爆一般在爆破后2h左右表現(xiàn)的比較激烈，以后則趨于緩和。巖爆發(fā)生的地點多數在新開挖的工作面及其附近，一般在距離掌子面12m范圍內為巖爆高發(fā)區(qū)，但也有延后至50m處的特例。

(3)巖爆的發(fā)生在一定程度上受洞室埋深(指垂直埋深，下同)控制。表1中的統(tǒng)計結果表明：發(fā)生巖爆的洞段埋深大多大于300m，洞室埋深較大，地應力高，為巖爆的發(fā)生創(chuàng)造了地應力條件。

(4)發(fā)生巖爆區(qū)域的巖體大多新鮮、完整，不滲水，巖體類別為Ⅲ級。表2中的統(tǒng)計資料表明：在中厚層或中厚層～厚層狀巖體中，巖爆表現(xiàn)的尤為突出；而在薄～極薄狀巖體中則不易發(fā)生巖爆，但偶有較弱巖爆發(fā)生。

表1 洞室埋深與發(fā)生巖爆關系表

3 巖爆強度的評判

若要判定巖爆強度，首先應對巖爆進行分級。分級的目的是為了更好地預測預防巖爆的發(fā)生，為施工建設提供服務。目前國內外普遍采用的分級判定方法有：Russense巖爆判定法；強度應力比判定法；依據巖爆發(fā)生的劇烈程度判定法。其中，Russense及強度應力比判定法為定量判定方法，而依據巖爆發(fā)生的劇烈程度判定法為定性方法，筆者簡述如下：

(1)Russense巖爆判定法。

Russense巖爆判定法是根據洞室的最大切向應力σθ與巖石點荷載強度Is的關系建立巖爆烈度關系圖。將點荷載Is換算成巖石的單軸抗壓強度Rc，并根據巖爆烈度關系圖判別是否有巖爆發(fā)生。其判別關系如下：

σθ/Rc<0.2 (無巖爆)

0.2≤σθ/Rc<0.3 (弱巖爆)

0.3≤σθ/Rc<0.55 (中等巖爆)

σθ/Rc≥0.55 (強巖爆)

判別式中，σθ/Rc為巖爆系數，可作為判斷巖爆級別的定量指標。

根據彈性力學理論，圍巖的最大切向應力可以通過以下方法進行推導：

基本假設：

①巖體均質，各向同性，連續(xù)體。

②僅考慮由自重應力形成天然應力場。

③忽略洞室高度的應力場變化。

④為平面應力問題。

表2 洞室開挖掌子面處巖爆發(fā)生統(tǒng)計表

圖1 圓形洞室天然應力場示意圖

對于圓形洞室(圖1)，開挖前的天然應力PV為：

PV=γH， Ph= K0PV。

當洞室開挖后，洞壁切向應力σθ、徑向應力σr以及剪應力τrθ按下列公式計算：

式中 PV為鉛直方向的壓應力(MPa)；Ph為水平方向的壓應力(MPa)；γ為巖石容重；H為洞室埋深(自洞室中心算起)；r0為洞室半徑(m)；r為自洞室中心起算的徑向距離(m)；θ為自水平軸算起的極坐標中的角度。

考慮到洞室處于等壓狀態(tài)，即K0=1，PV=Ph時，洞壁切向應力σθ為：

當r=r0時，洞壁最大切向應力σθ=2PV=2γH。

依據以上巖爆系數計算方法，取大理巖巖石容重γ=24 kN/m3，Rc采用室內試驗結果值，對隧道部分洞段圍巖巖爆系數進行計算的結果見表3。結果顯示：開繞一號公路隧道出現(xiàn)的巖爆級別已達到中等巖爆。

表3 部分洞段圍巖巖爆系數計算結果表

(2)強度應力比判定法。

在國內外工程中，通常用巖石濕抗壓強度(Rc)與最大主應力(σ1)的比值(簡稱強度應力比)作為評價巖爆發(fā)生強弱的定量指標。

陶振宇教授在總結多個工程經驗的基礎上，修改了挪威曾采用的巴頓法，提出了新的判別巖爆的方法，其判別關系如下：

Rc/σ1>14.5 (無巖爆)

5.5≤Rc/σ1≤14.5 (弱巖爆)

2.5≤Rc/σ1<5.5 (中等巖爆)

Rc/σ1<2.5 (強巖爆)

猴子巖水電站庫區(qū)S211線淹沒復建工程在勘察設計階段未進行現(xiàn)場地應力測試。由于該工程距猴子巖水電站廠房距離約7 km，區(qū)域地質及巖層巖性基本相似，故可以采用工程類比方法、參考猴子巖水電站廠房實測地應力資料(表4)進行巖爆強度的判定。

采用實測最大主應力來判定巖爆強度級別，結果見表5，從表5中可以看出，在埋深不超過600 m時，發(fā)生的巖爆級別為中等巖爆；埋深接近或超過600 m時，發(fā)生的巖爆級別已達到強巖爆。根據巖爆發(fā)生的實際情況及特點進行綜合判斷，目前該公路隧道沒有發(fā)生強巖爆，巖爆僅為弱巖爆及中等巖爆。

表4 猴子巖水電站廠房巖體地應力測試結果表

表5 用實測的最大主應力量值判定巖爆強度表

備注：測點巖性為變質灰?guī)r，濕抗壓強度采用室內試驗平均值。

(3)根據巖爆發(fā)生的劇烈程度判定法。

目前國內外大多以巖爆發(fā)生的劇烈程度將巖爆劃分為(弱)輕微、中等、強烈、劇烈4級(表6)。

依據該公路隧道的工程特點，筆者最終決定采用“二郎山公路隧道高應力與圍巖穩(wěn)定性課題組”分級標準。據該工程隧道開挖掌子面巖爆特點(表7)、巖爆發(fā)生時的聲響類型、巖塊彈射特點、巖體破壞形式以及對施工影響程度等因素判定該隧道巖爆強度級別為弱巖爆和中等巖爆。

通過采用以上3種方法進行綜合判定得知：開繞一號公路隧道巖爆級別已達到中等巖爆。

表6 國內外巖爆烈度分級依據表

表7 部分洞段圍巖巖爆特點描述表

4 結 語

(1)采用Russense巖爆判定法進行評定的結果顯示，目前該隧道發(fā)生的巖爆最高級別為中等巖爆。但該判定方法具有一定的局限性，其僅考慮了巖體自重應力，未考慮構造應力的存在，因此，采用該方法判定取得的結果往往偏于保守。

(2)采用強度應力比方法判定巖爆強度，其結果顯示：在埋深不超過600 m時，發(fā)生的巖爆級別為中等巖爆；埋深接近或超過600 m時，發(fā)生的巖爆級別已達到強巖爆。根據巖爆發(fā)生的實際情況及特點進行綜合判斷，目前該公路隧道沒有發(fā)生強巖爆，巖爆僅為弱巖爆及中等巖爆。

(3)根據巖爆發(fā)生的劇烈程度，依據巖爆發(fā)生時的聲響類型、巖塊彈射特點、巖體破壞形式及對施工的影響程度等因素，最終判定該隧道巖爆強度級別為弱巖爆和中等巖爆。

(4)采用以上三種方法進行綜合判定，開繞一號公路隧道巖爆級別為中等巖爆。

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(責任編輯：李燕輝)

2016-06-06

TV554；TV223.1;[TV

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1001-2184(2016)06-0074-05

趙勇進(1970-)，男，陜西富平人，高級工程師，學士，從事巖石力學試驗研究工作.