乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道岩爆段的围岩特点

王天舒，刘成禹，李红军

(1.中铁隧道局集团有限公司， 河南 洛阳 471009；2.福州大学， 福建 福州 350116)

岩爆是在硬脆岩体内，由于洞室埋深大或地壳运动使岩体中的应变能大量聚集，形成很高的初始应力，施工过程中，聚集在岩体中的应变能突然释放，岩体发生猛烈的脆性失稳和弹射现象[1-3]。它直接威胁施工人员和设备的安全，影响施工进度，已成为世界性的地下工程难题之一[4-5]。

随着经济社会的发展，深部岩石工程越来越多，埋深越来越大。随着埋深的增加，岩体赋存的地质环境更加复杂，地应力更高，岩爆将更加突出、严重[6]。因此，对岩爆的发生规律及控制技术进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

岩爆多发生在硬脆性岩体中[7-9]。美国岩石力学专家White等[10]对发生于Lucky Friday矿的岩爆研究表明，岩体中不连续面滑移导致的围岩应力变化极有可能诱发岩爆。冯夏庭等[11]对锦屏二级水电站岩爆发生段的岩体结构及工程地质条件归纳总结后发现，围岩中结构面的存在对岩爆形态、强度以及发生概率都有极大影响。谭以安[12]对天生桥水电站岩爆发生段的调查研究表明，岩爆多发生在Ⅱ级围岩段，围岩完整或过于破碎时几乎不发生岩爆；岩爆强度与岩体主节理面和地应力最大主应力的夹角有关，夹角越小岩爆越强烈。周辉等[13]在锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现，结构面对岩爆具有重要控制作用，并在此基础上将结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型。谢勇谋等[14]研究表明围岩的宏、微观结构与岩爆是否发生以及岩爆强度有密切联系。李忠等[15]对重庆陆家岭隧道岩爆段工程地质条件的统计分析表明，岩爆发生最多的岩体，结构面密度适中，结构面太多或太少均不易发生岩爆。

上述研究表明：岩爆发生段岩体除岩块具有硬脆的力学特性外，岩爆发生概率及强度还与岩体中的结构面有密切联系。然而，目前关于岩爆发生段的岩体结构面特点，特别是岩体结构面产状与隧道走向或与地应力最大主应力方向间关系的研究并不多，来源于具体工程的统计分析成果更少。为此，本文通过乌兹别克斯坦卡姆奇克道岩爆发生段岩体结构面产状的统计分析，得出岩爆发生及其强度与岩体结构面产状的关系，所得结论对深化岩爆发生机理的认识及岩爆预测及防治有一定的指导意义。

1 工程概况

由中铁隧道集团有限公司承建的乌兹别克斯坦Angren—Pop铁路卡姆奇克隧道，由长19.200 km的主隧道和长19.268 km的安全隧道组成，是安—琶铁路的控制性工程，有“中亚第一长隧”之称。隧道走向S64°E，主隧道和安全隧道中心水平间距29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超过700 m的地段总长达7 km。

隧址区地质构造主要在海西造山运动时形成，其后，受阿尔卑斯山造山运动进一步影响。受地质构造运动的影响，隧址区发育与隧道轴线基本平行或呈小角度相交的西北走向大断裂带。隧道工程地质勘查表明：隧址区地应力的最大主应力为水平主应力，最大主应力方向与隧道轴线接近垂直；地应力最大主应力与竖向地应力的平均比值为1.2；隧道总长近10 km的区段存在高地力或极高地应力。从2014年2月2#斜井出现岩爆开始，隧道各工作面相继发生不同程度的岩爆，对施工安全及进度造成了严重影响。

2 岩爆表现形式及主要特点

卡姆奇克隧道的岩爆主要发生在拱顶，基本在爆破掘进后立即发生。根据岩爆规模，将其分为轻微、中等、强烈3个等级，如图1—图3所示。各级岩爆的主要特点见表1。

图1 轻微岩爆照片 图2 中等岩爆照片 图3 强烈岩爆

3 岩爆段岩块的力学特性

卡姆奇克隧道发生岩爆的区段围岩主要为花岗闪长岩和正长斑岩。为掌握岩爆岩块的力学特性，在岩爆较严重的2#、3#斜井选取发生岩爆的花岗闪长岩和正长斑岩试块，现场取芯后制成12个直径5 cm、高10 cm的标准试样带回国内进行单轴压缩全应力-应变试验。部分岩样的单轴压缩应力-应变试验结果如图4、图5所示。

图4 花岗闪长岩岩样应力-应变曲线

图5花岗斑岩岩样应力-应变曲线

试验结果表明：

(1) 岩块的单轴抗压强度为135 MPa～210 MPa，属硬岩；岩块破坏前应力-应变近似呈直线关系(如图4、图5所示)。说明岩样破坏前基本上是弹性变形。

(2) 岩样开始出现破坏(应力-应变曲线开始出现上下波动)时的应变为4‰～5‰，岩块出现整体破坏(应力-应变曲线急剧向下)时的应变为5.5‰～7.0‰。无论是岩样开始出现破坏时的应变，还是出现整体破坏时的应变均较小，远比判别岩块脆性破坏的标准(<1%)小，说明岩块属典型的脆性岩层。

图4、图5中，由竖直虚线、应力-应变曲线和横轴围成的A、B区域均具有A区域的面积大于B区域的特点。其中，A区域的面积为岩样达到强度极限前积累于岩石内部的应变能[16]，B区域的面积为岩样达到强度极限后消耗于岩石破坏过程中的应变能[16]。图中A区域的面积比B区域的大，说明岩样的应变能消耗比n(岩石单向压缩时，达到强度极限前积累于岩石内的应变能与强度极限后消耗于岩石破坏过程中的应变能之比)大于1。前人的研究成果表明：当岩样的应变能消耗比n>1时，在高应力条件下会发生岩爆[16-17]。

上述实验结果表明：卡姆奇克隧道发生岩爆的岩层属典型的硬脆性岩层，具有发生岩爆的物质条件。

4 岩爆段围岩的结构面特点

本文收集了2014年12月底前卡姆奇克隧道发生的132处岩爆的资料，将岩爆处围岩结构面走向与隧道纵向的夹角、倾角等作为本文统计分析的基础资料。

132处岩爆的统计分析发现：岩爆处岩性80%以上为花岗闪长岩或花岗斑岩，其余为花岗闪长岩为主局部夹安山岩、凝灰岩；岩爆段岩体的节理面呈密闭、干燥状态。132处岩爆段围岩有的发育一组节理、有的发育两组节理。

4.1 一组节理情况

132处岩爆中27处围岩仅发育一组节理。这27处岩爆的情况见表2。

表2 围岩发育一组节理时岩爆情况

现场调查发现：围岩发育一组节理时，岩爆发生段节理走向与隧道纵向或横向的夹角均小于40°；其中，节理走向与隧道纵向夹角小于40°的有19处，与隧道横截面方向夹角小于40°的有8处。与隧道纵向、横向的夹角统计情况见表3、表4。

表3 节理走向与隧道纵向的夹角统计表

表4 节理走向与隧道横向的夹角统计表

由表3、表4可看出：围岩发育一组节理时，岩爆发生处节理走向与隧道纵向或横向的夹角小于30°的占85.2%。

现场调查发现：围岩发育一组节理时，岩爆发生处节理倾角均大于50°，具体情况见表5。

表5 节理倾角统计表

由表5可看出：围岩发育一组节理时，岩爆发生处节理倾角大于70°的占77.8%，大于80°的占55.6%。

4.2 两组节理情况

132处岩爆中105处围岩发育2组节理，具体情况见表6。

表6 围岩发育二组节理时岩爆情况

现场调查发现：围岩发育两组节理时，发生岩爆的区段，一组节理接近水平(倾角均小于15°)，另一组节理走向与隧道纵向或横向的夹角均小于40°，如图6所示。

图6一组水平节理，另一组走向与隧道轴线接近平行

4.2.1 轻微岩爆

围岩发育两组节理时，52处轻微岩爆发生处，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理的走向与隧道纵向或横向夹角的统计结果见表7、表8。

表7 轻微岩爆处节理走向与隧道纵向的夹角统计表

表8 轻微岩爆处节理走向与隧道横向的夹角统计表

由表7、表8可看出：围岩发育两组节理时，轻微岩爆发生段中，除接近水平的一组节理外，另一组节理的走向与隧道纵向或横向的夹角小于30°的占71.2%，小于20°的占53.8%。

走向与隧道纵向或横向的夹角小于40°的这组节理，其倾角的统计情况见表9。

表9 轻微岩爆处节理倾角统计表

由表9可看出：围岩发育两组节理时，轻微岩爆发生段，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理，其倾角大于70°的占73.1%，倾角大于80°的占48.1%。

4.2.2 中等岩爆

围岩发育两组节理时，39处中等岩爆发生处，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理的走向与隧道纵向或横向夹角的统计结果见表10、表11。

表10 中等岩爆处节理走向与隧道纵向的夹角统计表

表11 中等岩爆处节理走向与隧道横向的夹角统计表

由表10、表11可看出：围岩发育两组节理时，中等岩爆发生段中，除接近水平的一组节理外，另一组节理的走向与隧道纵向或横向的夹角小于30°的占77.2%，小于20°的占61.5%。

走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的这组节理，其倾角的统计情况见表12。

表12 中等岩爆处节理倾角统计表

由表12可看出：围岩发育两组节理时，中等岩爆发生段中，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理，其倾角大于70°的占87.1%，倾角大于80°的占61.5%。

4.2.3 强烈岩爆

围岩发育两组节理时，14处强烈岩爆发生处中，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理的走向与隧道纵向或横向的夹角统计结果见表13、表14。

表13 强烈岩爆处节理走向与隧道纵向的夹角统计表

表14 强烈岩爆处节理走向与隧道横向的夹角统计表

由表13、表14可看出：围岩发育两组节理时，强烈岩爆发生段中，除接近水平的一组节理外，另一组节理的走向与隧道纵向或横向的夹角小于30°的占92.9%，小于20°的占78.6%。

走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的这组节理，其倾角的统计情况见表15。

表15 节理倾角统计表

由表15可看出：围岩发育两组节理时，强烈岩爆发生段中，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理，其倾角均大于70°，且倾角大于80°的占85.7%。

4.2.4 岩爆强度与节理产状的关系

将围岩发育两组节理、不同岩爆强度下，走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的那一组节理与隧道的夹角及其倾角的上述统计结果列于表16。

表16 走向与隧道纵向或横向夹角小于40°的节理特点

由表16可看出：在本项目所述的地应力最大主应力为水平方向且与隧道纵向接近垂直、围岩发育两组节理，其中一组接近水平的条件下，另一组节理与隧道纵向或横向的夹角越小、倾角越大，岩爆越强烈。

5 结 论

(1) 卡姆奇克隧道发生岩爆的围岩主要为花岗闪长岩和正长斑岩，室内试验表明，这两种岩层具有强度高，岩样破坏前基本上是弹性变形，破坏前变形小，应变能消耗比大于1的特点，属于典型的硬脆性围岩。

(2) 卡姆奇克隧道的岩爆主要发生在拱顶。围岩发育一组节理时，以轻微岩爆为主。岩爆发生处，绝大部分(占85.2%)节理的走向与隧道纵向或横向的夹角小于30°，且倾角大部分(占77.8%)大于70°。

(3) 围岩发育两组节理时，岩爆发生处一组节理接近水平(缓倾)，另一组节理的走向与隧道纵向或横向的夹角大多(70%以上)小于30°，倾角大多(70%以上)大于70°；该组陡倾节理走向与隧道纵向或横向的夹角越小、倾角越大，岩爆越强烈。