基于岩体开挖卸荷效应的岩爆机理研究

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(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

地下硐室是水利水电、公路铁路、矿山等基本地下开挖工程，其稳定性是工程顺利进展的必须条件。由于地下岩体受到自重和构造力的作用，内部存在初始应力，当岩体工程开挖后，由于卸荷作用使原有的应力平衡状态被打破，空区部分岩体所承受的应力就转移到周边的岩体：径向应力(σr)随着向自由表面接近逐渐减小至洞壁处变为零；而切向应力(σθ)的变化有不同的情况，在一些部位越接近自由表面切向应力越大，并于洞壁处达到最高值(即产生压应力集中现象)，在另一些部位，越接近自由表面切向应力越小，有时在洞壁处甚至出现拉应力(即产生拉应力集中现象)。总体来讲，在开挖工程导致硐室周边的应力重新分布，在围岩中引起强烈的应力分异现象，并使被开挖岩体中的应力在硐室周边形成应力集中区，这种应力集中区往往是开挖工程破坏主要原因。而埋深较大、原岩应力较高、岩石又致密、坚硬的隧洞或巷道往往容易发生诸如岩爆类的冲击性破坏。近些年来，随着水电开挖、跨流域调水、交通和采矿等领域深埋长大隧洞的增多，深埋高地应力条件下硬岩地下工程开挖过程中出现的岩爆问题越来越突出，因其在发生时间上具有突然性，空间上具有随机性，形式上常表现为爆裂弹射，具有极大的危害性，从而受到许多学者的关注。

近十余年来，随着岩石力学研究的深入发展和工程实际的需要，在岩爆的破坏过程、形成机理及预测、岩石卸荷破坏与加荷破坏对比条件下岩爆模拟等方面取得了很大的进展。王贤能选取西康铁路秦岭深埋隧道的混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩、攀枝花石灰矿的灰岩做了卸荷试验，设计了模拟硐室开挖过程的三轴卸荷实验，探讨了岩石在2种卸荷速率条件下的变形破坏特征以及与岩爆的关系[1]。徐林生按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态，采用卸荷三轴试验方法，探讨了岩爆岩石的变形破坏特征和岩爆形成力学机制问题[2-3]。张黎明对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验，在试验结果分析研究的基础上，对卸荷导致的岩爆进行了研究。研究表明，处于三轴应力状态下的岩体，如果某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而可能引起岩爆[4-5]。

开挖是一切工程(无论是地表工程还是地下工程) 建设的前提。工程岩体是否产生岩爆取决于开挖产生的卸荷效应，这种卸荷效应将引起岩体产生一系列与加荷状态下不同的新的岩爆效应。因此，对待工程中的岩爆问题，应从卸荷效应去考虑，这才能作出符合工程实际的决定。鉴于此，本文以锦屏二级水电站引水隧洞开挖过程中发生的岩爆问题为工程背景，通过采用切缝局部应力解除法测量地下硐室开挖卸荷区岩壁上的二维应力状态，并采用数值模拟研究卸荷范围和卸荷程度对岩爆的影响效应，分析深部岩体开挖卸荷效应与岩爆的相关性。

2 基于卸荷效应的岩爆机理研究

2.1 卸荷区应力状态

课题组曾采用切缝局部应力解除法在锦屏二级水电站4#引水洞开展了卸荷区应力测试研究[6]。测试得出强卸荷区的竖向应力仅为17.4～26.8 MPa，水平向应力仅为13.9～18.4 MPa。弱卸荷区的竖向应力增加至32～41 MPa之间，其量值约为强卸荷区应力量值的1.6倍左右。此外，根据钻孔岩芯揭示和声波测试成果，将洞壁围岩沿深度分布划分为3个区域：0～0.4 m左右可归为强卸荷区，0.4～1 m左右可归为弱卸荷区，1 m以后可归为原岩区。强卸荷区岩体模量约为40 GPa，弱卸荷区岩体模量约为55 GPa。后者是前者的1.4倍。

测试结果表明：高应力条件下硐室开挖后，受开挖卸荷和爆破损伤作用多种因素影响，洞壁浅部岩体开挖卸荷效应明显。

2.2 数值模拟

图1 计算模型及网格划分

计算采用的开挖模型如图1所示，模型长(Y方向)取30 m，宽(X方向)和高(Z方向)均取60 m，计算区域划分成57 600个单元，61 456个节点，能够保证计算具有足够的精度。其约束条件为：两侧及底部边界均为法向约束，顶部为自由表面，在模型体内考虑重力梯度，根据埋深2 000 m结合围岩重度(2 750 kg/m3)施加自重荷载，初始地应力场按第一主应力：与水平面成83°倾角，63 MPa；第二主应力：与水平面成7°倾角，34 MPa；第三主应力：沿洞轴线方向，26 MPa来施加[7]。岩石的破坏准则采用张拉剪切组合的摩尔-库伦准则。

表1 岩体参数随体积应变增量变化关系

首先建立未开挖的模型，给定本构关系、边界条件及加载条件进行计算，直到达到静力平衡状态。当体系最大不平衡力与典型内力的比率小于定值10-5，则停止计算，认为模型已经达到了静力平衡状态。接下来进行引水隧洞的开挖，开挖洞径为10 m，每次开挖进尺3 m，开挖后对模型重新计算一定时步后再进行下一次开挖，直至开挖完毕。最后对开挖后的模型重新进行计算，直到达到一个新的平衡状态，或者总也无法达到平衡(塑性流动，最大不平衡力一直不小于设定的值)。计算过程中通过不同的塑性体积应变增量变化区间来对应岩体的不同力学参数，针对隧洞开挖后不同卸荷区域岩体采用表1中的岩体力学参数，来刻画硐室周围岩体的开挖卸荷状态。

2.3 卸荷范围对岩爆的影响

为了分析硐室开挖后围岩卸荷范围对岩爆的影响效应，按下列3种卸荷区范围设计方案分别进行计算：①卸荷工况1，洞壁围岩沿深度分布0～1 m为强卸荷区，1～2 m为弱卸荷区，2 m以后可归为原岩区；②卸荷工况2，洞壁围岩沿深度分布0～2 m为强卸荷区，2～4 m为弱卸荷区，4 m以后可归为原岩区；③卸荷工况3，洞壁围岩沿深度分布0～3 m为强卸荷区，3～5 m为弱卸荷区，5 m以后可归为原岩区；

针对不同卸荷区域的岩体，通过单元塑性体积应变增量变化区间与表1中不同卸荷区域岩体力学参数的一一对应来实现岩体力学参数在开挖卸荷过程中的演化[8]。

近几十年来，国内外学者在岩爆的研究中做了大量的工作，提出了许多应力判据[9-12]，本文选用水力发电工程地质勘察规范(GB50287—2006)[13]，采用围岩强度应力比Rb/σm(Rb为岩石饱和单轴抗压强度，本文根据文献[14]，将岩石的饱和单轴抗压强度综合取值为100 MPa，σm为最大主应力)的大小进行岩爆等级的判别。

图2为不同卸荷范围下洞壁周围岩爆等级判别系数分布图，图2(a)至图2(c)分别对应前文中提到的3种卸荷范围下岩爆等级判别系数分布情况以及潜在的岩爆动力源区与围岩洞壁之间的距离。从图中可以看出：随着围岩卸荷区范围的增大，虽然洞壁附近围岩可能发生的岩爆等级没有减小，但洞壁附近围岩可能发生轻微岩爆等级(岩爆等级判别系数为7的区域)的范围在增大，也就是说洞壁附近浅表层应力降低型破坏区在增大；潜在的岩爆动力源区与围岩洞壁之间的距离分别为4.67,5.90和6.65 m，其位置逐步向深部转移，进一步降低了地下硐室开挖后发生岩爆的可能性。

图2 不同卸荷范围下岩爆等级判别系数分布

2.4 卸荷程度对岩爆的影响

为了分析硐室开挖后围岩卸荷程度对岩爆的影响效应，在考虑卸荷范围对岩爆影响工况2的基础上，通过调整卸荷区域岩体力学参数来实现对卸荷岩体卸荷程度的变化，即针对卸荷范围对岩爆影响工况2所划分的不同卸荷区域分别取表2中方案2对应的卸荷岩体力学参数(原岩区、弱卸荷区、强卸荷区的弹性模量分别取50,30,20 GPa；泊松比分别取0.2,0.25,0.28；以此类推)和方案3对应的卸荷岩体力学参数(原岩区、弱卸荷区、强卸荷区的弹性模量分别取50,20,10 GPa；泊松比分别取0.2，0.28，0.30；以此类推)进行计算。

图3为同一卸荷范围、不同卸荷程度下洞壁周围岩爆等级判别系数分布图，图3(a)和图3(b)分别对应表2中方案2和方案3两种卸荷岩体力学参数情形下岩爆等级判别系数分布情况以及潜在的岩爆动力源区与围岩洞壁之间的距离。从图中可以看出：在围岩卸荷范围一定的情况下，随着围岩卸荷程度的增加，洞壁附近围岩可能发生的岩爆等级迅速减小，从方案1可能发生轻微岩爆等级(岩爆等级判别系数为7)变成方案2不发生岩爆(岩爆等级判别系数为12)和方案3不发生岩爆(岩爆等级判别系数为25)，原岩储存的弹性应变能释放效果明显；与此同时，潜在的岩爆动力源区与围岩洞壁之间的距离由方案1的5.90 m逐渐增大到方案2的7.26 m和方案3的8.34 m，有效地抑制了地下硐室开挖后发生岩爆的可能性。

图3 不同卸荷程度下岩爆等级判别系数分布

3 工程例证

地下工程的开挖卸荷造成围岩中应变能的释放，同时也正是由于这种应力的调整，在很多情况下会造成开挖区域附近岩体应变能的积聚。随着掌子面的推进、岩体的开挖，伴随着开挖面上地应力的卸除，聚集在围岩中的弹性应变能向临空面方向释放，若采用爆破方法开挖，由于开挖速度快，应力调整剧烈，这种高应变能的突然释放就会诱发岩爆灾害。

二滩水电站地下厂房开挖过程中，因为大规模的底板爆破贯通，引起底板岩体应力(开挖荷载)的快速释放，导致围岩瞬态卸荷回弹、突发大变形，进而诱发了邻近围岩的剧烈岩爆：第1次是由2号尾调室南端高程1 010～989 m底板与下部已开挖尾水洞一次性贯穿所引起，造成了2号尾调室上游边墙中上部岩体变形量突增30～60 mm，同时诱发附近岩体大范围开裂及岩爆；第2次是由2号机窝从高程998.0～979.8 m的一次性贯穿引起的，诱发邻近岩体大变形，即岩爆，最大变形突变量达到24～41.5 mm[14-15]。

表2 卸荷岩体力学参数变化

锦屏二级水电站1 900～2 525 m埋深处4条引水隧洞和施工排水洞(桩号分别为K5+500至K6+230和K7+374至K9+100，长度累计约10 km)大量岩洞段在TBM和钻爆法施工过程中，由于开挖卸荷和爆破动力扰动等多种因素诱发的岩爆灾害发生了上百次。其中最具代表性的是2010年2月4日，2#引水隧洞K11+070～006洞段发生的极强岩爆，该次岩爆导致正在出渣作业的施工车辆被岩爆冲击波推转90°，车身严重受损。岩爆造成南侧边墙、拱脚部位岩体弹出、垮塌外，还造成上台阶底板出现3条裂缝，其中1条深约1m、宽约10cm的裂缝从南侧拱脚延伸至北侧拱脚，完全横向贯穿隧洞[16-17]。

另外，许多已建和在建的水电站地下厂房也发生过类似的事故，严重威胁施工人员和机械的安全，影响工程进度。因此，如何合理控制深部地下工程开挖卸荷效应，进而防止开挖卸荷过程积聚的高应变能的突然释放而诱发岩爆灾害显得尤为重要。

4 结 论

(1)工程岩体是否产生岩爆取决于开挖产生的卸荷效应，高地应力区深部岩体开挖过程中发生的岩爆，是一种典型的卸荷破坏现象。

(2)切缝局部应力解除方法能够直接测定地下工程开挖卸荷区洞壁关键部位的围岩应力状态，测试结果可为地下工程围岩稳定性评价和岩爆预测提供指导。

(3)随着围岩卸荷范围和卸荷程度的增大，潜在的岩爆动力源区逐步向围岩深部转移，发生岩爆的可能性进一步减小。相比较而言，围岩的卸荷程度比围岩的卸荷范围对岩爆的影响效果更为显著。

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