滇中引水工程香爐山深埋長隧洞高地應力與硬巖巖爆分析研究

王家祥,周 云,李銀泉,史存鵬

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

巖爆是指地下洞室圍巖中應變集中釋放，造成洞壁巖塊(片)爆裂、彈射的現象[1]，是深埋隧洞開挖后常見的一種地質災害，嚴重威脅施工人員和設備安全，影響施工進度。

滇中引水工程香爐山隧洞長62.6km，圓形斷面凈洞徑一般8.4m，隧洞埋深大于600m洞段累計長42.2km，占比67%，埋深大于1000m洞段累計長21.4km，占比34%，最大埋深1450m，屬典型深埋長隧洞，且為滇中引水工程控制性工程，隧洞擬采用鉆爆法+TBM組合掘進施工。開展香爐山隧洞高應力與硬巖巖爆問題的深入勘察和分析研究，對指導隧洞工程設計和施工，規避安全風險，具有重要工程意義。

1 隧洞區地質概況

香爐山隧洞穿越滇西北金沙江與瀾滄江兩大流域分水嶺地段的橫斷山脈高-中山地貌區，山頂高程一般為2500～3500m。

隧洞跨松潘-甘孜褶皺系與揚子準地臺兩個一級大地構造單元，區域性深大斷裂發育，新構造運動活躍，區域構造穩定性總體為差，地震基本烈度均為8度。

隧洞區出露泥盆系、二疊系、三疊系、第三系及第四系地層，局部地段發育侵入巖脈。隧洞穿越變質巖(片巖類夾淺變質灰巖為主)、巖漿巖(玄武巖、安山巖為主)、沉積巖(碳酸鹽巖和砂泥巖)及第四系累計長度分別為12.696km、24.208km、25.312km、0.380km，占比分別為20.28%、38.67%、40.44%、0.61%。

隧洞區褶皺、斷裂構造發育，起主要控制作用的斷褶構造主要為北北東-北東向、近東西向和少量近南北向三組，與洞線多呈中等-大角度相交。穿越主要褶皺和斷裂各有12條，其中龍蟠-喬后斷裂(F10)、麗江-劍川斷裂(F11)、鶴慶-洱源斷裂(F12)為全新世活動斷裂。

隧洞區地表碳酸鹽巖分布較廣，沿線地表可溶巖分布長度29.703km，占比47.45%，隧洞穿越可溶巖累計長度17.866km，占比28.54%。碳酸鹽巖區地表、地下巖溶形態齊全，主要發育有白漢場、拉什海、文筆海、鶴慶西山(包括6個子系統)、清水江—劍川等巖溶水系統。沿線地下水位埋深一般為100～400m，局部地段發育承壓含水層。

隧洞大部分洞段位于微新巖帶(局部地段有風化加劇)，僅尾段埋深較淺涉及強、弱(溶蝕)風化帶。

隧洞區地溫、有毒有害氣體及放射性測試總體正常，三疊系上統松桂組(T3sn)和二疊系中統黑泥哨組(P2h)地層中所夾煤層含有瓦斯等有害氣體及腐蝕性地下水。

表1 隧洞區鉆孔地應力測試成果統計

2 地應力測試和分析

為研究隧洞區地應力特征，先后進行14個鉆孔地應力測試，方法為水壓致裂法，最大測點深度達850m，累計153個測點，測試統計成果見表1，代表性鉆孔水平主應力測值隨深度變化如圖1所示。測試結果：隧洞沿線應力場以水平構造應力為主，測試深度范圍(133.1～850m)最大水平主應力值(σH)2.7～25.9MPa，最小水平主應力值(σh)2.4～14MPa，鉛直應力值(σZ)3.6～14.6MPa，最大水平主應力值側壓系數λ(σH/σZ)值0.8～1.6；最大水平主應力方向分布頻度如圖2所示，主要為NNE—NE向，與主要斷裂走向近一致，隧洞軸向NNW—NW向，與最大水平主應力主要方向呈中等至較大角度相交。

圖1 XLZK16孔測試主應力值隨深度變化關系

圖2 隧洞區最大水平主應力方向分布頻度圖

由于香爐山隧洞普遍埋深大，大部分鉆孔地應力測試深度未達到隧洞高程。根據隧洞區地應力測試成果回歸分析，得到隧洞區最大、最小水平主應力量值擬合式(垂直應力為自重應力)：

(1)

根據式(1)結合隧洞圍巖地質條件，取巖體平均重度γ=26.5kN/m3計算，隧洞最大埋深處(1450m)圍巖應力σH=46.10MPa，σh=28.43MPa，σZ=38.43MPa，應力量級為極高地應力水平；埋深1000m處圍巖應力σH=31.80MPa，σh=19.60MPa，σZ=26.50MPa，應力量級為高地應力水平；埋深600m處圍巖應力σH=19.10MPa，σh=11.77MPa，σZ=15.90MPa，應力量級為中等地應力水平。

隧洞區地應力場特征與分布規律同時采用ANSYS程序進行大范圍數值模擬，采用FLAC3D程序進行典型洞段初始應力場反演分析，模擬計算地應力量值與最大主應力方向等結果和測試結果基本一致，顯示最大水平主應力方向主要受NNE—NE向斷裂控制，主要斷裂對應力場的“阻斷”效應表現明顯。

隧洞區淺表層應力場與NW—NNW向的區域構造應力場差異較大，可能與隧洞所在馬耳山東西兩側深槽地貌與隧洞區主控構造等密切相關。

地應力測試和分析結果表明，深埋隧洞區具高應力環境，存在硬巖巖爆可能性。

3 巖爆預測判別標準

國內外對巖爆的分級和判別方法多種多樣，尚無統一的標準[2- 3]。

國內水利水電行業標準研究提出了“巖爆判別標準”，該標準給出的巖爆四級分類，較符合國內已發生巖爆的工程的實際[3]，采用的巖石強度應力比(Rb/σm)判據易于實際操作應用，因此，本研究采用此標準進行巖爆分析預測。

GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》巖爆判別標準[4]：

(1)巖體同時具備高地應力、巖質硬脆、完整性好—較好、無地下水的洞段，可初步判別為易產生巖爆。

(2)巖爆分級可按表2進行判別。

根據香爐山隧洞灰巖類及玄武巖等硬脆性巖石物理力學試驗及隧洞地應力測試分析成果，采用圍巖容重取26.5kN/m3，飽和單軸抗壓強度Rb取80MPa(近均值)分析的隧洞巖爆等級與埋深關系判據見表3，結果表明：隧洞埋深310～630m時，可能發生輕微巖爆，埋深630～1250m時可能發生中等巖爆，埋深大于1250m至隧洞最大埋深范圍(1450m)可能發生強烈巖爆。

4 巖爆綜合預測評價

4.1 宏觀地質分析

香爐山隧洞區區域構造復雜、新構造運動強烈，場址區北北東-北東向、近東西向和近南北向三組斷裂與主要北北東-北東向的褶皺構造發育，隧洞圍巖受構造影響完整性總體偏差(勘探鉆孔揭露硬質巖地層巖芯RQD值>75%，占比一般為15%～21%)，深埋洞段普遍位于地下水位以下，圍巖中地下水量較豐富，硬巖洞段地應力難以持續聚集，因而由高地應力引起的巖爆問題總體應不突出，但由于巖體完整性與地下水分布的不均一性，不排除局部干燥較完整至完整硬巖在深埋條件下發生巖爆的可能。

表2 GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》巖爆分級及判別標準

注：表中Rb為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；σm為最大主應力。

表3 香爐山隧洞巖爆分級與埋深判別分析

4.2 結合EH4探測成果綜合預判

通過工程地質測繪和適量勘探鉆孔、特別是超深鉆孔(最深950.43m)的揭示驗證，基本查明了香爐山隧洞地層巖性與結構、主要斷裂構造及水文地質條件，但深部巖體的直接勘探揭示有限，表3分析給出了判別巖爆等級及其相應隧洞埋深，但如何識別深部巖體完整性和含水狀況進行巖爆可能性(有些研究叫巖爆傾向性[5])綜合評判仍是一大技術難點。

香爐山隧洞勘察期間基本全線進行了EH4大地電磁測試工作，其探測深度可達千余米[6]，通過與地質剖面對照，EH4測試成果與地質條件有較好的對應性，斷裂帶、巖體破碎富水帶低電阻率異常明顯，而高電阻率區基本對應堅硬巖分布地段，也表明其巖體較完整至完整且貧水，因此，在這種深埋長隧洞勘察期間勘探揭露資料有限的情況下，依據工程地質剖面圖結合EH4大地電磁測深成果進行巖爆可能性綜合評價不不失為一種好的方法。

香爐山隧洞前段板、片巖等變質巖段以中硬至堅硬巖為主，夾有絹云微晶片巖等軟巖，板、片理方向性強、與洞向呈大銳角至中等角度相交，綜合評價巖爆可能性較小。

隧洞區彈脆性堅硬巖主要為灰巖、白云巖類碳酸鹽巖和玄武巖類，從有關巖爆工程實例來看，這兩類巖石也是易于發生巖爆的巖石類型。對比隧洞穿越這兩類巖石洞段和EH4探測成果，對高阻區(相對概念)判定為巖爆可能性較大，低阻區判定為巖爆可能性小，而兩者間的稍高阻區判定為巖爆可能性中等，巖爆等級按隧洞埋深標準表3界定，分析示例如圖3所示。

按照前述巖爆綜合判別標準和方法，綜合預判香爐山隧洞產生巖爆可能性較大的洞段共6段(見表4)，累計長度4.494km，隧洞占比7.18%，其中強烈巖爆有1段，長0.356km，占比僅0.57%，其他5段均為中等巖爆。

另外，還判別共有9段巖爆可能性中等洞段，巖性主要為碳酸鹽巖，個別段為玄武巖，累計長度7.093km，隧洞占比11.33%，巖爆等級輕微、中等、強烈程度分別占比1.96%、7.29%、2.08%。

5 結語

(1)香爐山隧洞普遍深埋，經地應力測試與分析表明，隧洞區具有高應力環境，存在硬巖巖爆問題。依據GB 50487—2008巖爆判別標準，以隧洞軸線工程地質剖面圖、地應力測試及三維模擬成果為基礎，結合大地電磁測深EH4探測成果，對該隧洞巖爆問題進行綜合預判，結果表明：隧洞區硬巖巖爆問題總體不突出，預判產生中、強巖爆可能性較大的洞段共6段，隧洞占比7.18%，其中強烈巖爆1段(占比0.57%)，其他5段為中等巖爆。需采取針對性工程措施。

(2)香爐山隧洞預測產生巖爆可能性較大的洞段均位于汝南河以南的鶴慶、劍川盆地所夾持寬厚馬耳山脈深埋洞段，因無施工支洞布置條件，布置2臺敞開式TBM掘進，應根據有關工程經驗采取諸如：做好超前地質預報、噴水軟化、快速加固圍巖、應力釋放鉆孔、McNally系統加強支護、鋼纖維或仿鋼纖維噴射混凝土、主動防護和規避[7，8]等綜合應對措施進行防護，以確保TBM施工順利和安全。

圖3 香爐山隧洞結合EH4探測成果進行巖爆可能性綜合判別示意圖注：1.三疊系上統松桂組泥質砂巖泥(頁)巖;2.三疊系上統中窩組灰巖與砂泥巖;3.三疊系中統北衙組上段灰巖、白云質灰巖等;4.二疊系中統峨眉山后組玄武巖;5.斷裂及編號;6.強、弱(溶蝕)風化帶及分界線;7.弱(溶蝕)風化帶、微新巖體及分界線;8.地下水位線;9.鉆孔及編號(虛線為投影孔)

表4 香爐山隧洞發生中強巖爆可能性較大洞段統計