大崗山深埋硬巖公路隧道巖爆預測

趙陽, 楊維彬, 汪波*, 呂衛蒙, 嚴健, 劉柯良

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 成都 610031; 2.中化學交通建設集團有限公司, 濟南 262735)

巖爆是指高地應力條件下地下工程開挖后,硬脆性圍巖中積聚的彈性應變能突然釋放,因而產生一種動力失穩的地質災害[1-2]。近年來,高地應力硬巖隧道巖爆事故頻發,對施工人員和設備安全造成極大危害[3-4]。隨著川藏鐵路等重大工程的開展,在中國西南部高險山區涌現出大量具有“長、大、深”特點的隧道工程,中國西南部高險山區存在強烈的板塊構造運動[5],地應力、地質條件更為復雜,隧道施工面臨更為嚴峻的巖爆災害挑戰。因此,在施工前對巖爆傾向性進行準確預測,對于減小工程損失具有積極意義。

中外學者在巖爆理論方面進行了大量的研究,依托典型工程實例提出了一系列的理論和分析方法,最為典型的便是強度理論,在現代信息技術背景下又衍生出了數值分析、機器學習、人工神經網絡等智能分析方法[6-9]。由于巖爆問題本身極為復雜,這些理論和分析方法在具體工程的巖爆預測中存在較大局限性,因此大量學者在理論的基礎上進行了深入研究,以期得到適用于工程的巖爆預測方法。王開洋等[10]在工程地質分析基礎上闡明了巖爆發生條件,結合應力強度比法對隧道巖爆發生部位及強度進行預測。嚴健等[11]利用典型巖爆判據,對不同溫度、應力釋放率條件下隧道巖爆烈度進行預測,結果表明高溫熱力耦合對巖爆發生具有加速作用。周航等[12]基于功效系數法,綜合分析了多種影響巖爆的關鍵因素,建立了一種隧道巖爆預測模型,實際預測效果顯著。以上研究表明,巖爆受多種因素影響,分析起來極為復雜,但巖爆無一例外都在高地應力環境中發生,因此從地應力特征角度出發,結合工程地質條件進行巖爆預測,在工程設計階段的巖爆快速準確預測中極具優勢,具有重要的指導施工作用。

現以大崗山隧道為工程依托,基于三維反演分析手段獲得的隧址區地應力場分布特征,通過數值模擬獲得圍巖開挖的洞周二次應力,結合應力判據法的巖爆判據標準,綜合分析隧址區地形地貌、地質構造等工程地質條件,對隧道全長范圍內巖爆發生情況進行預測,以期指導隧道施工的同時為類似隧道工程建設提供參考。

1 工程背景及工程地質

1.1 工程背景

大崗山隧道位于四川省甘孜州瀘定縣與雅安市石棉縣之間,進口位于瀘定縣得妥鄉,出口段位于石棉縣挖角鄉境內。隧道起訖里程K56+472～K63+758,單洞全長7 286 m,最大埋深1 283 m,為典型深埋特長公路隧道。

1.2 地形地貌

隧道地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西南高山區中部,地勢表現出西高東低、北高南低的分布特征,地表山脊線呈南北展布,與隧道走向(N54°W)大角度相交,如圖1所示。隧區高山峽谷地貌特征顯著,地形起伏大,海拔高程1 107～2 464 m,相對高差1 357 m。地表自然坡度25°～65°,沿線走勢呈“駝峰”狀,整體呈中間高、兩端低。地表支沖溝發育,隧道中部、進出口都是V形峽谷。

圖1 大崗山隧道地形地貌Fig.1 Topography and geomorphology of the Dagangshan tunnel

1.3 巖性條件

隧區巖漿巖較為發育,主要為晉寧-澄江期灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖,花崗巖強度普遍在87 MPa以上,屬堅硬巖,塊狀結構,節理裂隙少,完整性好。受海西末期-印支早期巖漿構造活動影響,數條輝綠巖脈穿插在花崗巖體中,寬度數十米,走向以北北東(north-north-east,NNE)向為主,隧道沿線巖性分布如圖2所示。

圖2 大崗山隧道縱斷面Fig.2 Longitudinal profile of the Dagangshan tunnel

1.4 地質構造

場區在大地構造上位于潘松-甘孜造山帶與揚子地臺銜接處,受地塊擠壓影響,形成了以SN-NNW向為主的構造線。鮮水河斷裂展布于場區中段大渡河對岸,位于隧道西南側約7 km,為影響線路穩定性的最主要斷裂。洞身段無大斷裂通過,但在區域構造影響下次級斷裂發育。在花崗巖內發育有一條小型斷裂構造,破碎帶內花崗巖完整性差,巖體極為破碎,為V級圍巖。在NNW向擠壓作用下,輝綠巖脈內部或與花崗巖接觸界面等相對較弱地段發生變形破壞,形成近NNE向陡傾斷層,即“巖脈式斷層”。輝綠巖脈內部巖體較為破碎,為IV級圍巖,兩側花崗巖則較為完整。斷裂構造和輝綠巖脈強烈蝕變形成的軟弱結構面獨立成為工程地質單元,構成隧道巖體穩定主要邊界。

1.5 水文地質

隧區內巖體內裂隙發育不密集,但裂隙延伸遠,尤其是輝綠巖脈體沿裂隙侵入后,讓裂隙具有一定的開啟度,同時造成脈體附近巖體較為破碎,有利于地下水的儲存。據調查,區內各支溝內水量較豐富。因此該水文單元內富水性一般較好。

2 初始地應力場分布特征

2.1 區域地應力特征

線路區域位于川滇南北構造帶北段,主要受印度板塊北移、青藏高原物質向東南側移及華南板塊強烈阻擋作用,同時受鮮水河斷裂帶左行走滑作用控制,按照Anderson理論和摩爾庫倫理論分析得到區域現今構造應力場以NWW-SEE向擠壓作用為主,該應力場方向與本區震源機制解反演的主壓應力方向高度一致[13]。區域主應力方向和隧道軸線近于平行,對隧道圍巖的穩定性影響相對有利。

2.2 現場實測地應力

為初步獲取隧址區內地應力場分布特征,在鉆孔K61384L12.3處基于水壓致裂法進行了原位地應力測試工作,共獲得13個深度的測段主應力數據,測試結果如表1所示。

表1 鉆孔水壓致裂地應力測試結果Table 1 Measurement results of in-situ stress caused by water pressure in borehole

測試鉆孔部位最大水平主應力方向側壓系數σH/Sz取值范圍為0.7～0.9,平均值為0.8,說明應力場總體呈現出σz>σH>σh的特征,工程區地應力場以豎向應力為主。通過對測深范圍內主要結果進行擬合分析,如圖3所示。豎向應力線性擬合系數接近于1,是因為水壓致裂法測得的豎向應力是根據上覆土層厚度計算而來;最大水平主應力和最小水平主應力的線性擬合系數分別為0.927 7和0.957,表明水平主應力隨埋深變化趨勢有較高的符合度。該鉆孔數據顯示各主應力特征明顯,且測試在較大深度范圍內完整段花崗巖中進行,因此可以用于隧道初始應力場的反演分析。3個不同深度測段的壓裂縫方向印模結果顯示,測深范圍內最大水平主應力方向在N26°W～N36°E(NNW向),與區域主應力方向一致,印證了測量結果的可靠性。

圖3 應力隨埋深變化Fig.3 Variation of stress value with depth

2.3 初始地應力場反演

由于場地、經費等條件的限制,水壓致裂法測得的地應力難以反映全線初始地應力場特征[14],因此,利用反演分析的手段獲得全線初始地應力場是非常有必要的。本次反演選用多元線性回歸的方法進行,該方法概念清晰,已在多個工程中得到應用,效果顯著。

在地形等高線圖上以隧道軸線為中心,框選附近8 000 m×1 250 m的長方形區域作為計算區域,利用SURFER、ANSYS軟件生成三維實體模型,建模時分別用300 m和100 m薄層來模擬斷裂帶和輝綠巖脈及其影響帶。為了方便計算,設x軸方向與隧道軸線方向一致,y軸方向與隧道軸線方向垂直,z軸方向與埋深方向一致。采用四面體等參單元對模型進行離散化,為了充分反映斷裂帶及輝綠巖脈附近地應力,該區域附近采用較高的網格密度,劃分后模型單元數679 461個,節點數946 751個,如圖4所示。綜合參考大崗山隧道現場試驗結果和JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》[15]相關經驗值,取隧道巖體材料參數,如表2所示。

表2 巖體物理力學性質參數Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

圖4 大崗山隧道三維數值模型圖Fig.4 3-D numerical model of the Dagangshan tunnel

初始地應力場通常由自重應力場和構造應力場組成。由于大崗山隧道原位地應力測試結果中未包含鉛垂面內的剪切應力,因此選取自重荷載、x方向水平擠壓構造運動、y方向水平擠壓構造運動和水平面內的剪切構造運動等4個影響地應力場的基本因素作為模型邊界條件。

采用彈性本構模型進行模型計算。隨機選取K61384L12.3鉆孔的9個測點數據進行回歸方程的擬合計算,得到1個自由項L0=7.232和4種基本因素對應的回歸系數:L1=1.120,L2=1.268,L3=0.525,L4=0.972,則大崗山隧道工程區巖體的初始地應力場回歸方程為

σ=7.232+1.120σ自+1.268σ構1+0.525σ構2+0.972σ構3

(1)

式(1)中:σ為初始地應力場回歸值;σ自為自重引起的應力場;σ構1、σ構2分別為x、y向水平擠壓構造運動引起的應力場;σ構3為水平面內的剪切構造運動引起的應力場。

提取數值模擬計算中鉆孔各測點的地應力分量計算值,代入式(1)中得到各測點x、y和z方向的應力的回歸值,通過坐標轉換得到主應力值。利用未參與回歸方程擬合的4個測點進行回歸結果檢驗如表3所示,地應力回歸值與實測值較為接近,相對誤差均在20%以內。在埋深較大的測點5和12處,最大主應力方位角回歸值分別為N33.2°W和N22.8°W,對比表1,相對誤差在4°以內。總體而言,地應力量值和方位角的回歸值誤差均在合理范圍內,反演結果合理、可靠。

表3 鉆孔部分測點地應力回歸值與實測值對比Table 3 Comparison between regression and measured results of in-situ stress of part of drilling points

由于模型存在邊界效應,隧道兩端地應力反演結果誤差較大,故不對埋深較小、圍巖較弱、巖爆發生概率小的洞口段進行地應力分析。將各應力場條件下隧道軸線處地應力回歸值代入式(1),得到隧道里程K57+000～K62+300區域的豎向應力和沿x、y軸方向的水平應力,如圖5所示。

圖5 隧道軸向方向主應力場分布Fig.5 Principal stress field distribution along the axis direction in the tunnel

從圖5中可以看出,工程區地應力場分布受地形地貌、溝谷、斷裂帶及輝綠巖脈影響顯著。x軸方向水平應力σx走勢較為平緩,埋深較淺部位以地形地貌影響較大,量值變化范圍為4.57～21.30 MPa;y軸方向水平應力σy量值變化范圍為4.41～31.50 MPa;豎向應力σz以地形地貌、溝谷影響較大,峰部部位應力量值相對較小,谷部部位應力量值相對較大,量值變化范圍為4.04～33.25 MPa。斷裂帶和輝綠巖脈成為地應力場的控制性邊界,其間應力量值明顯小于兩側巖體,y軸方向水平應力和豎向應力均在里程K61+200附近取得最大值。當隧道埋深大于450 m時,豎向應力量值大于水平應力,說明隧道所處地應力場以自重應力為主,符合實測地應力特征?？傮w而言,隧道全線豎向應力和水平應力量值較高,水平構造作用明顯,局部地應力復雜,具備發生巖爆條件。

3 隧道開挖巖爆預測

3.1 開挖巖爆機理

隧道開挖前,洞周圍巖處于三向應力平衡狀態[圖6(a)],圍巖具有較高的儲能能力,在初始地應力作用下,儲存了低于儲能極限的彈性應變能。隧道開挖后,洞周圍巖徑向約束被解除,圍巖應力狀態轉為雙向應力狀態[圖6(b)],巖石最大、最小主應力差值變大,儲能能力下降。開挖后,洞周圍巖初始應力重新分布(二次應力),造成切向應力急劇增加,圍巖中彈性應變能急劇增加,當積聚的彈性應變能超過儲能極限時,彈性應變能首先以塑性破壞的形式釋放,當塑性破壞不足以消耗積聚的能量時,剩余的彈性應變能將以動能的形式釋放出來,如剝落、彈射、垮塌,即巖爆。

圖6 隧道開挖前后洞周巖體應力變化Fig.6 Stress change of rock mass around the tunnel before and after excavation

3.2 開挖洞周應力數值計算

根據洞室開挖巖爆機理,隧道開挖后,圍巖應變狀態近似為與隧道斷面平行的二維平面應變狀態。因此建立平面模型,模型尺寸取150 m(寬)×100 m(高),隧道斷面尺寸按施工設計圖選取,相關物理力學參數按表2取值。采用平面四邊形等參單元對隧道附近圍巖進行離散化。模型的左邊界施加水平約束,下邊界施加豎向約束,右邊界施加水平均布力σy,上邊界施加豎向均布力σz,如圖7所示。

圖7 模型及邊界簡化圖Fig.7 Simplified diagram of model and boundary

通過施加等效節點力模擬開挖過程中的應力釋放,開挖模擬應力釋放率取100%。等效節點力由初始地應力場反演結果獲得。

沿隧道軸線方向每隔100 m取一個斷面,采用彈塑性本構模型進行開挖計算,取得各斷面洞周切向應力σθ分布云圖,限于篇幅,僅展示K57+200(埋深350 m)、K58+600(埋深1 250 m)兩個斷面的云圖,如圖8所示。

圖8 圍巖切向應力云圖Fig.8 Tangential stress of surrounding rock

分析開挖計算云圖可知,所有斷面處洞周最大切向應力σθmax均出現在墻腳,這是因為隧道開挖后洞周圍巖全部處于受壓狀態,造成墻腳部位應力集中,而實際施工時墻腳會出現巖體壓碎現象,基本不會發生巖爆,不考慮此處洞周切向應力。當埋深小于450 m時,計算斷面水平應力大于豎向應力,洞周最大切向應力出現在拱頂,巖爆在拱頂發生;當埋深大于450 m時,計算斷面水平應力小于豎向應力,洞周最大切向應力出現在邊墻,巖爆在邊墻發生。

3.3 基于數值計算的巖爆預測分析

基于洞周應力數值計算結果,選擇盧森判據[16]、陶振宇判據[17]、王元漢判據[18]、王蘭生判據[19]4種具有代表性的巖爆判據標準,具體形式如下。

盧森判據[16]為

(2)

陶振宇判據[17]為

(3)

王元漢判據[18]為

(4)

王蘭生判據[19]為

(5)

式中:σθmax為隧道洞周最大切向應力;Rc為巖石單軸飽和抗壓強度。

結合隧道工程地質條件和巖石試驗結果,取巖石單軸飽和抗壓強度Rc=87 MPa,對不同區域巖爆發生等級進行預測,如圖9所示。

圖9 不同判據確定的巖爆烈度和發生區域Fig.9 Rockburst intensity and occurrence area of different criteria

不同判據的巖爆預測結果顯示,巖爆烈度受地形影響較大,總體隨埋深的增大而增大。巖爆烈度在斷裂帶、輝綠巖脈內部急劇降低,是因為該區域圍巖等級差,巖體破碎,完整性差,且地下水較為發育,圍巖中應力得到釋放或者轉移,基本不會發生巖爆。

4種判據預測結果中,陶振宇判據[17]顯示隧道大部分區段有強烈巖爆活動,盧森判據[16]顯示埋深較大區段有強烈巖爆活動,王元漢判據[18]、王蘭生判據[19]顯示基本沒有強烈巖爆活動。以上判據預測結果的差異較大,是因為巖爆判據標準的具體判定值都是根據某個特定隧道的實際巖爆發生情況得出來的,判定準確率受隧道埋深、巖性條件等因素影響。工程中常采用工程類比法選用巖爆判據。桑珠嶺隧道[20]位于青藏高原雅魯藏布江縫合帶,最大埋深1 347 m,隧道圍巖以閃長巖、花崗巖兩類硬巖為主,與大崗山隧道工況類似,盧森判據[16]在桑珠嶺隧道的巖爆預測中具有較高準確率,對于本工程參考意義較大。

因此,統計得到基于盧森判據的大崗山隧道里程K57+000～K62+300區域開挖巖爆分布段落及埋深情況,如表4所示。結合表4、圖9(a)及隧道工程地質條件分析得到:輝綠巖脈附近花崗巖段巖爆烈度無明顯變化;在里程K60+700～K61+200區域的花崗巖段,巖爆烈度明顯大于全線最大埋深處(K58+760)的巖爆烈度,表明巖爆烈度受斷裂帶影響顯著,在斷裂帶往深埋方向約500 m范圍內巖爆發生烈度及可能性將增大;在里程K57+920～K58+680區域花崗巖段,當埋深超過800 m時有強烈巖爆活動,而在里程K59+630、K59+840位置,在埋深分別為679 m、552 m時即有強烈巖爆活動,表明在溝谷附近巖爆發生烈度及可能性將增大。

表4 大崗山隧道開挖巖爆分布段落及埋深情況Table 4 Rockburst distribution section and buried depth of the Dagangshan tunnel excavation

4 結論

(1)對大崗山隧道工程區地應力綜合分析結果表明:隧道全線地應力場分布以豎向應力為主,豎向應力量值最大33.25 MPa,局部地應力復雜,水平構造作用明顯,以NWW-SEE向擠壓作用為主,具備巖爆發生的條件。

(2)在平面應變假設的基礎上對隧道開挖洞周應力分析,當埋深大于450 m時,開挖后洞周圍巖最大切向應力發生在斷面側壁,巖爆在邊墻部位發生?；诒R森判據的巖爆預測結果顯示,隧道埋深大于408 m時,有中等以上巖爆活動,中等、強烈巖爆段長度分別占隧道全長的13.8%、39.7%,說明隧道中高埋深段巖爆風險極大。

(3)結合應力判據巖爆預測結果和工程地質條件對從大崗山隧道巖爆情況進行綜合分析,結果表明巖爆發生受地形地貌、地質構造影響顯著,在斷裂帶、輝綠巖脈內部,由于其圍巖軟弱,地應力得到釋放,基本不會發生巖爆,而斷裂帶和溝谷地形會使其附近完整花崗巖段內出現地應力集中現象,使得其巖爆發生烈度及可能性增大,開挖前應準確探明前方地質情況并加強防護。

(4)目前大崗山隧道尚未有巖爆發生,巖爆實測資料匱乏,巖爆預測結果具有較大不確定性。建議在施工中及時監測巖爆發生情況,進一步開展巖爆預測工作,同時注意保障人員設備安全。