谷竹高速公路大坪山隧道地应力特征及岩爆预测

尤哲敏，陈建平，李 涛，徐 方

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

深埋特长隧道穿越中—高地应力区，而高地应力意味着深埋隧道在硬岩段的开挖过程中，将会出现不同程度的岩爆灾害［1］，影响施工安全和开挖进度，因此日益成为地下工程研究的热点和重点。

岩爆是在高应力条件下，由于地下工程掘进造成围岩应力重分布，从而引起硬脆性岩体在短时间内产生的储备弹性应变能突然快速释放，并发生岩块剥落、弹射甚至抛掷［2］。

对岩爆的预测目前国内外还没有成熟的理论与方法［3-4］。大多是针对具体工程采用单一或多种判据，判据的适用性还有待商榷［5-7］。

大坪山隧道是湖北省谷竹高速公路的一条分离式特长深埋隧道，尚未开挖段存在中—强烈岩爆的可能，因此，对于大坪山隧道硬岩段的岩爆预测亟需研究。本文采用三维有限元回归分析法，对大坪山隧道硬岩段开挖过程中岩爆发生的可能性进行预测。

1 工程概况

大坪山隧道位于襄阳市谷城县紫金镇与寺坪镇境内，左右洞长分别为8 263 m和8 242 m，隧道轴线呈NE—SW向展布。

隧址区属构造剥蚀侵蚀低山—低中山区，地形起伏较大，最大埋深约900 m。该区出露的地层主要为志留系页岩、奥陶系生物碎屑灰岩夹少量炭质页岩、粉砂质页岩;下寒武统泥质条带灰岩、炭质灰岩局部含页岩夹层;上震旦统—下寒武统白云岩夹灰岩。大地构造上位于扬子准地台北缘的青峰台褶束，走向近EW向。青峰断裂带与隧道轴线小角度相交，其形成的数条逆冲断层、破碎带及韧性剪切带见图1，使隧道围岩局部变得较破碎，地下水发育，整体稳定性差。

图1 大坪山隧道轴线地质剖面示意

2 工程区地应力场反演分析

初始地应力的分布是岩爆发生与否的关键性影响因素，地应力的准确评价直接影响到岩爆预测的可靠性［8］。

地应力回归分析法是利用数值分析和多元回归分析，将计算区域的地应力场视为自重应力场和水平x，y向挤压和xy面剪切等构造应力场的线性叠加，通过分别模拟4个子应力场，组合成计算地应力场［9］。通过三维应力场反演和实测资料拟合，得出隧址区的初始地应力场特征［10］，为隧道各断面的岩爆预测提供依据。

2.1 初始地应力场的现场实测结果分析

工程区采用水压致裂法进行了2个钻孔的地应力测量，地应力分布具有如下特点［11］:①最大水平主应力σH＞最小水平主应力σh＞上覆岩体的自重应力σV，σV=γH;其中γ为上覆岩体的重度，H为上覆岩体的埋深;②水平主应力随深度的增加呈线性增大;③最大主应力方向为NE15°～18°，表明测孔附近地应力以NE向挤压为主;④各测孔侧压系数均＞1，表明工程区地应力以构造应力为主。

2.2 初始地应力场的三维有限元反演分析

根据大坪山区域地形地貌特点及岩层力学特性，选取长×宽=8 375 m×3 000 m，底部高程为 －1 000 m，以隧址区为主的计算区域，主要岩体的物理力学参数见表1。采用线弹性本构模型，对四个子应力场分别施加位移边界条件进行求解［12］。

表1 岩体力学参数

将钻孔实测应力和回归计算值进行对比，如图2所示。可知:在测试深度范围内，两者大部分较接近;钻孔附近地应力场以构造应力场为主。表明所采用的计算模型是可行的，适合隧址区的整体地应力场反演。

图2 钻孔ZK11地应力实测值与计算值对比

2.3 大坪山隧址区的地应力场特征

图3给出了大坪山隧道轴线纵剖面的最大水平主应力和最小水平主应力等值线分布图。可知:σH，σh随深度呈现近似线性增长的趋势;应力的分布与地形地貌关系密切，在浅部，受地形地貌影响较大，地形变化较大时，其应力等值线相对较密;随着埋深增大，其影响逐渐变弱。这与实际地应力场规律一致，说明大坪山隧道纵剖面处计算的地应力场是合理的。此外，应力等值线受地质构造的影响也较大［13］，在断层及其影响带中，应力等值线出现突变现象。

图3 大坪山隧道轴线纵剖面应力分布(单位:MPa)

根据分析结果，隧道轴线纵剖面处属于中等应力水平，应注意有发生中等岩爆的可能。

3 岩爆判据及预测

对于大坪山特长深埋隧道的岩爆预测研究，选择了4种国内外代表性的判据，即 Russenes判据、Turchaninov判据、Rb/σ1判据及陶振宇判据，如表2所示(选取原则:最大限度利用岩石的物理力学参数及有限元分析结果)。分别对隧道各个洞段依次分析，在多种判据判断的基础上，综合评价了各个洞段发生岩爆的可能性和强度［14］。隧洞截面应力采用式(1)～式(3)计算。

表2 岩爆判据

式中，σmax为横截面最大初始应力，α为最大水平主应力与隧洞走向的夹角。

预测时各洞段的最大主应力σ1和拱壁切向应力σθ采用前面有限元分析的数据，对四种判据预测结果综合评价得出沿线岩爆发生的可能性及强度，并将已开挖段岩爆发生情况与预测结果进行对比，见表3～表7。

表3 Russenes判据岩爆预测结果

表4 Turchaninov判据岩爆预测结果

表5 Rb/σ1判据岩爆预测结果

表6 陶振宇判据岩爆预测结果

表7 大坪山隧道各断面岩爆综合预测结果及与实际情况对比

根据室内岩石物理力学试验结果，取灰岩和白云岩天然岩样的单轴抗压强度Rc=100.5 MPa，饱和单轴抗压强度Rb=63.0 MPa(仅考虑硬岩段的灰岩和白云岩)。

由岩爆综合预测结果可知，大坪山隧道的硬岩段岩爆发生情况:除了3 301 m长度范围内不发生岩爆外，弱岩爆区长2 900 m，中等岩爆区长600 m，强烈岩爆区长3 00 m(埋深900 m处完整坚硬白云岩段)，隧道开挖过程中应特别注意中等—强烈岩爆发生区段，及时做好支护。

大坪山隧道出口段左右洞尚处于页岩段，所以不考虑发生岩爆。进口段施工进入岩爆区段后未发生岩爆，这与沿线出现多条断层破碎带、隧道埋深不大、地下水相对较发育等有关。但随着掘进的深入，隧道出口段将逐渐进入硬岩段，进口段埋深也随之增大，洞内出现岩爆的可能性增大。因此，在隧道开挖施工过程中应加强监测、开展超前预报工作，并结合工程建设采取岩爆防治措施，避免灾害发生。

4 结语

1)通过三维有限元回归分析，对大坪山深埋特长隧道两个钻孔的实测应力进行分析，计算值与实测值对比结果表明所选模型是可行的，可用来进行隧址区的整体地应力场的反演。

2)采用4种国内外常用的岩爆判据对隧道各断面进行岩爆预测，综合评价各断面发生岩爆的可能性及强度，预测有600 m长为中等岩爆区，300 m长为强烈岩爆区。但以上预测是根据设计资料进行的，还需要结合施工阶段岩爆的发生情况进行现场检验。

本文岩爆预测仅采用了理论法中的4种判据，未涉及能量法及现场实测法，且对岩爆发生的影响因素未做分析，还需结合现场监测和测试，分析影响岩爆的因素，以更准确判断岩爆发生的可能性。

［1］张永双，熊探宇，杜宇本，等.高黎贡山深埋隧道地应力特征及岩爆模拟试验［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(11):2286-2294.

［2］康勇，李晓红，王青海，等.隧道地应力测试及岩爆预测研究［J］.岩土力学，2005，26(6):959-963.

［3］张镜剑，傅冰骏.岩爆及其判据和防治［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(10):2034-2042.

［4］肖清华，秦阳，代承勇，等.高地应力下大断面隧洞施工岩爆工程对策［J］.铁道建筑，2012(10):76-78.

［5］吴德兴，杨健.苍岭特长公路隧道岩爆预测和工程对策［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(21):3965-3971.

［6］陶振宇，潘别桐.岩石力学原理与方法［M］.武汉:中国地质大学出版社，1991.

［7］张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理［M］.北京:地质出版社，1994.

［8］朱宏锐.锦屏引水隧洞岩爆特征及其影响因素分析［J］.铁道建筑，2009(5):71-73.

［9］徐士良，崔振东.秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析［J］.工程地质学报，2010，18(3):407-412.

［10］许博，谢和平，涂扬举.瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(增1):2894-2900.

［11］中国科学院武汉岩土力学研究所.湖北省谷竹高速公路大坪山隧道ZK10(补)、ZK11(补)孔地应力测试报告［R］.武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所，2010.

［12］张奇华，钟作武，龚壁新.施加边界位移产生纯剪应力及反分析应用［J］.长江科学院院报，2000，17(2):34-36.

［13］KONIETZKY H，KAMP L，HAMMER H，et al.Numerical modelling of in situ stress conditions as an aid in route selection for rail tunnels in complex geological formations in South Germany［J］.Computers and Geotechnics，2001，28(6):495-516.

［14］吕庆，孙红月，尚岳全，等.深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(16):2982-2988.