山嶺隧道層狀巖體巖爆機理與防控技術研究*

鄒 翀，潘 岳，王 華

(1.廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室，廣東 廣州 511458；2.中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來對巖爆現象的分析發現，許多隧道工程中巖爆往往發生在具有一定大小和數量節理的地方，而無節理或節理不發育的巖體均不會或極少發生巖爆[1-3]。對巖體而言，區別于其他材料的一個顯著特征是巖體內存在大量隨機分布的裂隙或結構面，結構面的存在降低了巖體的完整性和整體強度，對巖體的力學特性起著控制性作用。當結構面產狀近水平時，由于結構面的切割，巖體可能呈水平層狀，此時層間黏結力很小；在這種情況下，圍巖可能在水平應力的作用下劈裂成板，再發生脆性破壞折斷成塊，由此產生巖爆[2]。

要對巖爆進行合理有效的控制，必須充分認識巖爆產生的機理。對巖爆機理的研究很早便已開始，其中斷裂力學分析及能量分析都是常用的分析方法[4-6]。然而鑒于巖爆力學機制的復雜性，對于巖爆機理，一般傾向于采用能量理論進行分析和描述，認為巖爆的實質是高地應力區的洞室圍巖在開挖過程中積聚的應變能突然釋放[7-9]，這種方法能較好地描述圍巖發生巖爆的可能性及巖爆發生的劇烈程度。

本文依托某山嶺隧道，針對隧道中的拱頂層狀巖體巖爆，對隧道巖爆的力學機制及影響因素進行了分析。以層狀巖體脆斷失穩的臨界應力計算式為基礎，結合能量理論提出巖爆防控的力學措施，并將巖爆防控措施應用到工程中。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某山嶺隧道埋深>700m的地段總長達7km，最大埋深達1 275m。大埋深地段圍巖質地堅硬、抗壓強度高，發生巖爆的可能性極高。

施工過程中，斜井及正洞均出現不同程度的巖爆現象，其中尤以斜井巖爆最頻繁、巖爆程度最嚴重。

現場調查表明，隧道中巖爆多發生于拱頂節理較發育的巖體，以中等巖爆為主。其表現特征為拱部層狀巖體折斷、崩落，如圖1所示。

圖1 拱頂層狀巖體折斷、崩落型巖爆

1.2 地質條件

隧址區斷裂構造發育，主要為西北-東南走向，為地震活躍帶。受區域構造影響，巖體節理、裂隙發育且變質作用明顯，接觸帶和巖脈較發育。隧道共穿越7條斷層，斷層與隧道軸向夾角約30°，為不利構造。隧道圍巖巖性以花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖、正長巖、正長閃長巖、花崗正長巖、正長斑巖、凝灰巖等巖漿巖為主。根據地質勘探資料，Ⅱ，Ⅲ級圍巖占隧道全長的77%。

2 層狀巖體巖爆機理分析

2.1 層狀巖體巖爆力學機制

根據隧址區地質條件及巖爆的發生部位，結合地質力學、巖體力學原理與方法，對隧址區的地應力方向進行了分析。結果表明，隧址區地應力的最大主應力方向近水平且幾乎與隧道軸線垂直相交。設水平方向上的地應力(最大主應力)為P1，豎直方向上的地應力(最小主應力)為P3，P1>P3，如圖2所示。

圖2 隧道應力分析簡圖

根據巖石力學的基本理論，在圖2所示應力狀態下，隧道開挖后洞壁的徑向應力σr、剪應力τ為0。只有切向應力σθ在斷面上不同部位有變化。洞壁上平行于最大主應力P1的拱頂(圖2中A點)出現最大切向應力，平行于最小主應力P3的邊墻(圖2中B點)出現最小切向應力。因此，拱頂、邊墻的切向應力分別表示為：

σθ拱頂=3P1-P3

(1)

σθ邊墻=3P3-P1

(2)

由于水平方向上的地應力比豎直方向上的大，在其作用下隧道開挖后拱頂的切向應力最大，因此巖爆主要發生在拱部。也正是由于水平向地應力比豎向的大，隧道開挖后洞壁的最大切向應力主要受水平向地應力控制，因此在埋深較淺部位也有產生巖爆的可能。現場調查表明，在隧道埋深遠小于巖爆臨界埋深的多個區段也發生了巖爆。

根據現場資料，隧道中出現最多的巖爆是拱頂層狀巖體的巖爆。層狀巖體巖爆主要是由薄層巖板的脆性斷裂引起。如圖3所示，拱頂位置的層狀巖體(圖中深色部分，厚度為t)，如果層面產狀近水平，則在隧道開挖后這部分巖體將處于部分臨空(無支撐段長度為L)狀態。為了計算方便，將其中一層巖層的受力情況簡化為：厚度為t、無支撐段長度為L的層狀薄板受水平方向應力P的作用。在層狀薄板厚度較小、水平應力P較大情況下，無支撐段會發生折斷、崩落。

圖3 層狀巖體巖爆的力學模型

按圖3所示力學模型，采用彈性力學理論，推導出層狀巖體脆斷失穩的臨界應力σcr為：

(3)

現場調查發現，巖爆崩落下來的巖板長、寬大致相等，即L≈b，代入式(3)則有：

(4)

由式(4)可看出：①巖板脆斷失穩的臨界應力σcr隨巖板厚度t的增加而提高；②巖板脆斷失穩的臨界應力σcr隨泊松比μ的增大而提高；③巖板脆斷失穩的臨界應力σcr隨無支撐段長度L的增大急劇下降。

從巖爆發生的過程可看出，拱頂圍巖劈裂成板是其在水平應力作用下克服圍巖豎向的黏結力，豎向分離并脫開的過程。

當拱頂存在產狀近水平的結構面時，層間黏結力很小，因而易分離并脫開，由此產生巖爆，如圖4a所示。爆落物多呈棱板狀，單塊體積大，表現為中等～強烈巖爆。當拱頂無產狀近水平的結構面時，拱頂圍巖分離成板前需克服顆粒間黏結力，所以發生巖爆的可能性會有所降低，如圖4b所示。

圖4 拱頂巖板劈裂成板示意

在層狀巖體發生巖爆時，拱頂圍巖劈裂成板產生的巖板厚薄直接決定了巖爆強度，如圖5所示。

圖5 拱頂圍巖劈裂示意

由式(4)可看出，巖板脆斷失穩的臨界應力σcr隨巖板厚度t的增加而提高，因此有：

1)如圖5a所示，在巖層較薄的情況下，巖板脆斷失穩的臨界應力σcr較小，巖板更易折斷產生巖爆，且爆落物呈板狀，塊徑較大，巖爆以中等～強烈巖爆為主。

2)如圖5b，5c所示，在巖層較厚或不存在水平結構面的情況下，巖板脆斷失穩的臨界應力σcr較高，不易折斷。這種情況下，拱頂完整圍巖將呈透鏡體薄片脫開、爆裂，爆落物呈薄透鏡體，塊徑較小，巖爆以輕微巖爆為主。

2.2 層狀巖體巖爆的影響因素分析

前面的研究表明，圍巖結構面的產狀和間距對巖爆的產生有著顯著影響。此外，巖體的力學參數及地應力大小也是影響巖爆產生的重要因素。為了對影響巖爆產生的諸多因素進行較全面分析，采用離散元法建立如圖6a所示計算模型。洞室形態為直墻半圓拱，洞室寬3.9m，直墻高4.5m。結構面設置為單組水平結構面。由圖6b可看到，計算結果顯示，拱頂部位出現應力集中現象。數值模擬結果也證明在層狀巖體中，洞室拱頂的巖體更易發生巖爆。

圖6 數值模擬分析示意

根據熱力學定律，能量的轉換是物理特征變化過程的內在本質。基于這一理論，可認為巖石在壓縮過程中裂隙的產生和擴展所引起的能量耗散是造成巖石損傷的主要原因。巖石在壓縮過程中受到的外力所做的總功為[10]：

(5)

在巖石受壓過程中，外力對巖石做功。在輸入的這些能量中，其中一部分能量儲存在巖石中，轉化為彈性應變能，而另一部分能量則通過塑性變形耗散掉。其中，巖石內部儲存的彈性應變能為[10]：

(6)

巖爆是聚集在巖體中的應變能突然釋放使巖體發生猛烈的脆性失穩和彈射現象。巖體中積聚的彈性應變能越多，則巖爆越易發生。因此，在數值模擬中，將巖體所儲存的彈性應變能作為量化圍巖巖爆發生難易程度的指標，對拱頂和直邊墻巖體中儲存的彈性應變能進行監測。數值模擬分析結果顯示，地應力及圍巖的彈性模量、泊松比、強度、結構面間距對彈性應變能的積聚均有影響。其中，地應力是影響圍巖彈性應變能積聚的最重要因素，可以說對巖爆的產生起著控制性作用。如圖7所示，隨著地應力的增大，拱頂圍巖所積聚的彈性應變能顯著增大，而直邊墻圍巖所積聚的彈性應變能幾乎無變化。這主要是由于結構面產狀近水平，使應力集中主要出現在拱頂。這一現象揭示了在高地應力作用下巖爆主要發生在拱部的原因。

圖7 地應力與圍巖巖體積聚的彈性應變能關系

除了地應力以外，圍巖的彈性模量、泊松比、強度、結構面間距對彈性應變能的積聚也存在一定的影響。為了更好地研究拱頂和直邊墻的巖體彈性應變能隨各影響因素的變化規律，選取較低的地應力進行分析。如圖8a所示，在巖石強度、巖石結構面間距和地應力保持不變的情況下，拱頂和直邊墻部位的巖體積聚的彈性應變能隨著彈性模量的增大而減小，這一結果與式(4)中層狀巖體脆斷失穩的臨界應力的計算結果相似。如圖8b所示，拱頂巖體積聚的彈性應變能隨著彈性模量的增大而減小。同樣，這一結果與式(4)中層狀巖體脆斷失穩的臨界應力的計算結果相似，但是，直邊墻巖體積聚的彈性應變能隨著彈性模量的增大而增大。如圖8c所示，對于硬巖，巖體強度對彈性應變能的積聚影響并不顯著。如圖8d所示，拱頂巖體積聚的彈性應變能隨著結構面間距的增大而顯著減小。但是，結構面間距對直邊墻巖體積聚的彈性應變能影響并不明顯。主要是由于結構面產狀接近水平。

圖8 低地應力下的數值模擬分析結果

2.3 小結

根據巖爆的力學機制分析，地應力和圍巖的彈性模量、泊松比、抗壓強度、結構面間距對彈性應變能的積聚均有不同程度的影響，其中地應力是引起巖爆產生的最主要因素。在地應力恒定的情況下，結構面間距是影響巖爆發生及強烈程度的主要因素。

3 層狀巖體巖爆防控技術

3.1 層狀巖體巖爆防控思路

層狀巖體巖爆的發生及其強烈程度很大程度上取決于地應力大小及拱頂圍巖結構面間距。因此，巖爆的防控應從減小地應力及增大拱頂巖板脆斷的臨界應力兩方面入手。根據本工程巖爆的力學機制，采取施作超前小導管和超前應力釋放2種方法對巖爆進行控制。

3.2 超前小導管

3.2.1作用原理

拱部施作超前小導管的主要作用為：①減小開挖后拱部臨空無支撐段長度L；②將拱部較薄的層狀巖體“串”在一起，相當于提高了巖板厚度，如圖9所示。這兩方面共同作用，提高了拱頂巖板脆斷的臨界應力。

3.2.2適用條件

拱部施作超前小導管的主要作用是減小開挖后拱部巖體無支撐段長度，提高巖板的脆斷臨界失穩應力，從而防止和控制巖爆。由于超前小導管的主要作用是防止和控制巖爆，因此有：①它適用于可能發生中等和強烈巖爆的地段；②它不適用于拱部存在較大滑動面或楔形體(圍巖不能自穩)的情況。

3.2.3現場應用

超前小導管作為巖爆控制的主要手段取得了較好效果，主要體現在以下方面：①巖爆得到有效控制，工效明顯提高。根據現場統計數據，正洞、安全洞、斜井在巖爆條件下仍保持較高進尺，月進尺最高達350m。②超前小導管使用后，立防護性鋼拱架的地段大幅度減少，既節約了材料又提高了工效，顯著降低成本。根據現場統計數據，巖爆段(輕微和中等)每循環采用超前小導管比采用防護性拱架節約工時50min，節約費用約8 000元。

3.3 超前應力釋放

3.3.1應力釋放原理

1)通過直接向圍巖或掌子面內部打一定深度的鉆孔來釋放圍巖中的部分應力；或進行垂直于掌子面的爆破開挖作業，在掌子面內形成一定規模的破碎帶，來釋放掌子面內部巖體的應力。

2)對于強烈巖爆地段，可考慮解除隧道開挖在輪廓面附近形成的高量級切向應力，使表層圍巖的應力以巖爆的形式自然釋放，待巖爆現象自然緩解后再進行處理。

3.3.2超前應力釋放方法

基于以上應力釋放原理，結合本隧道工程地質和施工實際，提出3種應力釋放方法：①重疊導洞法；②微臺階法；③水平應力隔斷法。其具體施工方法如下。

1)重疊導洞法 在隧道斷面出現巖爆部位，采用深孔掏槽法交替設置A，B 2個超前小斷面導洞，如圖10所示。首先設置A導洞，隧道每循環進尺2m，當A導洞僅剩余2m時，設置B導洞，下一循環開挖過后，A導洞消失，B導洞仍存在。當B導洞僅剩余2m時，設置A導洞，整個隧道下一循環開挖過后，B導洞消失，A導洞仍存在。2個導洞交替設置，始終在掌子面前方有導洞存在進行超前應力釋放。通過此方法可連續不間斷進行超前應力釋放，杜絕了單一導洞應力釋放時，導洞形成后需首先放置若干時間進行應力釋放，節省了時間，加快了工程進度。

2)微臺階法 采用臺階一次開挖法進行施工，上臺階高度同臺架的第3層高度，上臺階長度應能保證挖掘機順利扒渣。施工中采用約1m上臺階(保證能形成臺階，方便上臺階施工)，上、下臺階一次同時爆破開挖進尺2.5m，如圖11所示。

圖11 微臺階開挖示意(單位：m)

3)水平應力隔斷法 通過在開挖輪廓線外鉆孔進行深孔爆破，在距離開挖輪廓線0.5m外形成一定寬度的裂隙帶，進行應力釋放，以減少巖爆危害，如圖12所示。

圖12 水平應力隔斷施工示意

3.3.33種方法對比分析

在隧道發生巖爆的不同部位對3種應力釋放方法進行了現場試驗，根據監測數據對3種超前應力釋放方法的使用效果和相關指標進行了對比，如表1所示。可看到，3種方法都有各自優缺點。其中，重疊導洞法雖應力釋放效果較好，但工作量大，工期長且導洞開挖存在局部坍塌風險，因此僅適用于強烈巖爆段；微臺階開挖法有費用低、工期短的優點，但僅能對拱頂的應力進行有效釋放，拱腰、拱腳的應力釋放效果不顯著，因此僅適合中等巖爆段；而水平地應力隔斷法的工作量小、工期短、費用低，且應力釋放效果明顯，在中等巖爆段或強烈巖爆段均可采用，是一種較出色的應力釋放技術。

表1 3種應力釋放技術對比

3.4 小結

根據巖爆的力學機制，巖爆的防控應從減小地應力及增大拱頂巖板脆斷的臨界應力兩方面入手。對于增大拱頂巖板脆斷的臨界應力，可對拱部施作超前小導管；對于減小地應力，可通過超前應力釋放來實現。現場應用結果表明，超前小導管法和水平應力隔斷法超前應力釋放對巖爆的控制效果最佳。

4 結語

1)層狀巖體巖爆主要是由薄層巖板的脆性斷裂引起。力學機制分析結果顯示，在此過程中，拱頂圍巖劈裂成板產生的巖板厚度直接決定了巖爆強度。因此，對于層狀巖體，在地應力恒定的情況下，結構面間距對巖爆的產生起著控制性作用。

2)根據層狀巖體巖爆的力學機制分析，地應力和圍巖的彈性模量、泊松比、強度、結構面間距對彈性應變能的積聚均有不同程度的影響。其中，地應力是引起巖爆產生的最主要因素；在地應力恒定的情況下，結構面間距是影響巖爆發生及強烈程度的主要因素。從巖爆發生的過程可看出，巖爆是否會發生取決于拱頂圍巖在水平應力的作用下能否劈裂成板。根據力學機制分析，減小地應力值、減小巖板的無支撐段長度及提高層狀巖板厚度均是控制拱頂層狀巖體巖爆的有效方法。

3)在拱部施作超前小導管可為拱部臨空的無支撐部分提供支點以減小巖板的無支撐段長度，并通過超前小導管將薄層巖板“串”在一起提高層狀巖板厚度，在其共同作用下，提高巖板脆性折斷的臨界失穩應力，從而防止或控制巖爆。現場應用結果表明，超前小導管可主動、有效防控巖爆。

4)結合隧道地質條件和現場實際，創新提出3種應力釋放方法，分別是重疊導洞法、微臺階法和水平應力隔斷法。現場開展的應力釋放的工藝性試驗對比分析顯示，重疊導洞法雖應力釋放效果較好，但工作量大，工期長且導洞開挖存在局部坍塌風險，因此僅適用于強烈巖爆段；微臺階法有費用低、工期短的優點，但應力釋放只在拱頂效果明顯，因此僅適用于中等巖爆段；而水平應力隔斷法的工作量小、工期短、費用低，且應力釋放效果明顯，在中等巖爆段或強烈巖爆段均可采用，是一種較出色的應力釋放技術。