隧洞巖爆風險評估應用研究

完顏亞飛

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

隧洞巖爆風險評估應用研究

完顏亞飛

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

結合巖爆發生的條件及影響因素，從巖性、地質構造、隧洞埋深等方面，對巖爆發生的風險程度進行了綜合評估，并在準確的風險評估基礎上，采取合理的施工措施有效防治巖爆的發生，進而保障施工人員生命安全，減少設備財產損失。

隧洞埋深，巖爆，地應力，地質構造

0 引言

隧洞開挖破壞了巖體天然應力的相對平衡狀態，巖爆是地下工程中危害最大的一種地質災害，直接威脅著地下施工人員的生命安全，影響施工進度。目前巖爆的研究也不太多，有許多問題還處在探索階段。本文參考國內外相關文獻、規范資料，結合巖爆產生的條件、影響因素，從方便工程實際應用角度考慮，對巖爆風險評估予以分析研究。

1 巖性分析評估

巖性條件是巖爆可能發生的內在條件，堅硬、完整的巖體儲存應變能的能力高，發生巖爆的傾向性也高，通常發生巖爆的巖體為風化較淺的高彈性儲能的硬脆性巖體，巖石的脆性越大，巖爆的傾向性越高。可能發生巖爆的常見巖石見表1。

表1 可能發生巖爆的常見巖石

2 地質構造評估

實踐表明，巖爆大都發生在褶皺構造中。如我國南盤江天生橋電站引水隧洞，巖爆發生在背斜地段，唐山煤礦2151掌子面巖爆發生在向斜軸部。

巖爆與斷層、節理發育也有密切的關系。調查表明，當掌子面與斷裂或節理走向平行時，將觸發巖爆。巖體中節理密度和張開度對巖爆也有明顯的影響。掌子面巖體中大量巖脈穿插時，也易發生巖爆。

3 RQD值評估

眾所周知，RQD是一種簡單方便的評估巖體斷裂等級的方式，所以這個數值高就意味著斷裂較少，數值低就說明斷裂嚴重。根據這個想法，可以確定巖爆風險隨著RQD增加而增加，也就是說直接成比例。此風險在表2中量化。

表2 巖爆評估表

表2不是預測和評估巖爆風險的準則。但是，對于確認和排除巖爆風險，或者排除其他基于彈性能量或者應力狀態的標準標明危險的區域。

4 隧洞埋深評估

大量資料表明，隨著洞室埋深增加，巖爆次數增多，強度也增大，其中根據GB 50287—2006水力發電工程地質勘察規范，臨界埋深可根據下式計算：

Hcr=0.318Rb(1-μ)/(3-4μ)γ。

其中，Hcr為臨界埋深，即發生巖爆的最小埋深，m；Rb為巖石飽和單軸抗壓強度,MPa;μ為泊松比；γ為巖石重力密度,10 kN/m3。

5 應力條件評估

5.1 GB 50287—2006水力發電工程地質勘察規范

高地應力使巖體聚集較高的應變能，在相關條件充分時，將導致巖爆的發生。GB 50287—2006水力發電工程地質勘察規范結合巖石強度應力比，對巖爆烈度進行了規定判別分級，適用于完整～較完整的中硬、堅硬巖體，且無地下水活動的地段，具體見表3。

表3 巖爆判別分級表

表3中Rb為巖石飽和單軸抗壓強度,MPa；σm為最大主應力,MPa。若無實測地應力成果，可根據規范利用理論計算和經驗對初始地應力場做出評估。

5.2 GB 50218—94工程巖體分級標準

標準指出，工程實踐證實，高初始應力區在地下工程掘進過程中多有巖爆或巖芯餅化發生。一定的初始應力值對不同巖性的巖體，影響其穩定性的程度是不一樣的。為此，用巖石單軸飽和抗壓強度(Rc)與最大主應力(σ1)的比值，作為評價巖爆和巖芯餅化發生的條件，進而評價初始應力對工程巖體穩定性影響的指標。實測資料表明一般當Rc/σ1=3～6時就會發生巖爆和巖芯餅化，小于3可能發生嚴重巖爆。實際上，洞室周邊應力集中系數最小為2，這樣高的初始應力值(σ1)引起洞周邊應力集中，從而使得部分洞壁巖體接近或超過強度極限。

5.3 演化的Hoek巖爆判別法

王蘭生(1998)等根據川藏公路二郎山隧道施工中記錄的200多次巖爆資料，提出了改進的Hoek巖爆判別法，計算了Ts值，公式如下：

其中，σθ為周圍巖石的剪切應力；σc為巖石無側限抗壓強度。

Hoek在此標準第一方程(1980)中已經指出，可以考慮由上方巖體重量造成的應力獲得σθ值，公式如下：

σθ=γ×Z。

其中，γ為巖石容重；Z為埋深。進而以Ts為基礎量化進行巖爆風險評估，具體評估分級見表4。

表4 巖爆風險評估表

6 水文地質條件影響

巖爆的發生與圍巖的水文地質條件也有關，相同的巖性及構造的圍巖，干燥的圍巖比裂隙水發育的圍巖更容易發生巖爆。分析認為基巖裂隙水使巖石的地應力較易釋放，其儲存與釋放能量的能力比圍巖處于干燥環境下低。

7 施工影響

高地應力地區隧洞施工過程中，如果開挖方法不當，會惡化圍巖的物理力學性能和應力條件，從而誘發或加劇巖爆的發生。根據國內外隧洞巖爆防治的經驗，高地應力地區采用鉆爆法施工時，應控制光面爆破效果，保證洞室輪廓圓順，避免造成局部應力集中；應盡可能全斷面開挖，短進尺多循環，必要時采用超前鉆孔應力解除法；應向掌子面進行噴水或打孔注水以軟化巖石、弱化應力集中；應及時進行噴錨支護等。

8 結語

隧洞巖爆的發生是多種因素共同作用的結果，高地應力是巖爆發生的能量來源，高地應力的主要影響因素為隧洞埋深、構造運動、地形地貌、地殼剝蝕程度等。巖爆發生的風險程度應進行綜合評估，在準確的風險評估基礎上，采取合理的施工措施將有效防治巖爆的發生，進而保障施工人員生命安全，減少設備財產損失。

[1] 劉佑榮.巖體力學[M].武漢：中國地質大學出版社,1999.

[2] GB 50287—2006,水力發電工程地質勘察規范[S].

[3] GB 50218—94,工程巖體分級標準[S].

[4] 王蘭生.二郎山公路隧道巖爆及巖爆烈度分級[J].公路,1998(4)：22-26.

On application of risk assessment for rockburst in tunnels

Wanyan Yafei

(KunmingEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Kunming650033,China)

Combining with the influential factors and conditions for the rockburst, the paper has the comprehensive evaluation for the risks of the rockburst from the lithology, geological components, and tunnel burial depth, and adopts the reasonable construction to prevent the rockburst effectively based on the correct risk assessment, so as to ensure the life safety of the construction personnel and reduce the losses in the equipment property.

tunnel burial depth, rockburst, crustal stress, geological component

1009-6825(2017)22-0080-02

2017-05-23

完顏亞飛(1984- )，男，工程師

P694

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