基于隧道現場驗證的巖爆應力判據適用性研究

鄧媛媛 曲宏略* 張新尚 張曉龍 鄧興洋 張建經

（1、西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都610500 2、云南建設基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明650000 3、云南省建設投資控股集團有限公司市政總承包部，云南 昆明650000 4、西南交通大學土木工程學院，四川 成都610031）

巖爆是高應力地區(qū)隧道施工常見的現象，也是深埋硬巖隧道施工中比較嚴重的地質災害[1]。巖爆的發(fā)生會對施工人員、施工機械和施工進度造成嚴重的影響，甚至會導致隧道廢用。近年來，關于巖爆的預測國內外眾多學者做了很多研究，從多個角度提出了眾多的巖爆判據，目前可對巖爆進行預測的方式主要分為兩大類[2-3]：一類是在地下工程施工過程中使用實驗儀器對其進行監(jiān)測和測試的實際試驗方法，巖爆發(fā)生與否根據測試指標進行預測，一般使用的方法有微重力法、流變法、回彈法、微震法等；另一類以巖石的單軸抗壓強度與地應力的比值作為巖爆預測等級的重要指標的理論方法，或以切向應力、地下洞室軸向應力之和與單軸抗壓強度之比作為判據，理論法將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆以及強烈?guī)r爆三個等級[4-10]。盡管關于巖爆判據已經有不少的理論研究，但對于巖爆發(fā)生的可能性及巖爆等級的指標范圍標準不一，其在實際工程中的適用性還有待進一步研究。因此，基于現場空芯包體法和室內巖石力學試驗，結合現有的應力判據法對草果山隧道進行施工期巖爆預測研究，再根據現場觀測對應力判據法的適用性進行探討。

1 工程概況

草果山隧道為蔓耗至金平高速公路的最長分離式隧道，草果山隧道起訖樁號：左線ZK33+947.04-ZK40+952，右線YK33+955-YK40+960。隧道全長7005m，為特長隧道，海拔高程介于1125.074～2126.000m 之間，相對高差1000.926m，最大埋深903.8m。

屬構造剝蝕高中山地貌區(qū)，隧道區(qū)地形起伏大，地表植被發(fā)育，以喬木、松林及農田為主，隧址區(qū)巖性以二長巖、花崗巖為主，隧道地形和地質簡圖見圖1。

2 基于現場試驗數據的巖爆預測分析

巖爆的形成與發(fā)生機制復雜，對工程危害極大。而巖爆預測能夠針對巖爆防治工作提供關鍵信息，是指導施工的依據。為能夠對草果山隧道巖爆發(fā)生情況進行準確預測，利用空芯包體應力解除法對隧道已開挖工作面的地應力進行實測。因隧道較長施工段較多，且試驗方法相同，擬采取隧道沿線五個工況點的現場試驗數據及現場觀測對應力判據的適用性進行驗證，如圖1 所示。

表1 應力判據表

圖1 草果山隧道地質簡圖及擬預測的測點布置情況

2.1 巖爆應力判據

目前國內外的應力巖爆判據有Russense 判據、Hoke 判據、Barton 判據、陶振宇判據、王蘭生判據，各個判據的標準及巖爆等級劃分如表1 所示[11-12]。

2.2 基于現場試驗數據的巖爆判據計算

根據彈性力學公式[13]，對上述應力判據所涉及到的參數進行計算，平面主應力可表示為：

上式：σ1——最大水平主應力（MPa）；σh——為最小水平主應力（MPa）

上式：α——最大水平主應力與隧道走向的夾角；σv——豎向主應力；σmax——橫截面最大主應力；σθ——洞壁最大切向應力。

通過對現場的測點進行空芯包體法測量地應力，各測點對應的應力分量值表如下：

表2 各測點應力分量值

表3 對應測點的抗壓強度

基于本隧道段巖樣室內巖石力學試驗測試成果，結合草果山隧道地質資料，得到對應測點處的抗壓強度，即應力判據中Rc的參考取值，如表3 所示。

基于現場所測得的應力分量值，代入以上公式可得σθ和σ1，對現場測點進行不同應力判據的巖爆預測，預測結果如下：

表4 各測點在不同判據下的巖爆預測結果

由上表可知，對同一測點下，不同應力判據所得到的巖爆等級有所差異，例如對于測點K39+440 處，Russenes 和陶振宇判據得出中等巖爆結論，王蘭生判據的結論為輕微巖爆，Hoek 和Barton 判據未給出明確的巖爆等級。

3 現場巖爆實際觀測對比分析

結合K35+140、K35+506 工況點附近的實際觀測情況來看，無任何巖爆發(fā)生的現象，因此判定為無巖爆發(fā)生；左洞出口k36+184 斷面附近巖爆發(fā)生時主要表現特征為：響聲大而急僅三聲，間隔時間2 分鐘，總共持續(xù)10 分鐘。響聲后出現了開裂、掉塊現象。掉塊影響范圍長約2 米，高約2 米，深度約10-30 厘米，方量約1-2 立方米。根據巖爆發(fā)生的現象以及特點，判定該工況點附近發(fā)生中等巖爆；左洞出口k39+175 右壁附近巖爆發(fā)生時主要表現特征為：響聲大而急，間隔時間5-10 秒，有時間隔時間為30 分鐘，總共持續(xù)2 小時。響聲后出現開裂、掉塊現象。掉塊影響范圍長約3 米，高約2 米，深度約10-30 厘米，方量約1-2 立方米。判定該斷面附近發(fā)生中等巖爆；右洞出口K39+460-K39+440 斷面附近巖爆發(fā)生時主要表現特征為：連續(xù)三天均發(fā)生巖爆，每日持續(xù)3-5 小時。共有13 次響聲，5 次掉塊，最小掉塊直徑約10-12 厘米，最大約30 厘米。判定該斷面附近發(fā)生輕微巖爆；對比分析各測點附近應力判據和現場實際觀測所得到的巖爆等級可知，王蘭生和陶振宇判據更加符合草果山隧道以及與草果山地質情況相近的高地應力區(qū)的隧道工程的實際情況。

4 結論

本文基于現場試驗數據，用已有的應力判據對草果山隧道在開挖過程中可能會發(fā)生的巖爆情況進行預測，再結合現場實際開挖過程中所觀測到的巖爆實際發(fā)生情況進行對比分析可知，現有的幾種應力判據中，對于本公路隧道，王蘭生和陶振宇判據預測的巖爆傾向性和現場開挖過程中實際觀測到的巖爆等級更加接近，因此建議在相似工程高地應力區(qū)使用應力判據對待開挖隧道進行巖爆預測時，優(yōu)先考慮使用王蘭生和陶振宇判據。