深埋隧洞施工期岩爆支护措施优化研究

王浏刘 于茂

岩爆是高地应力条件下硬岩开挖卸荷过程中常常伴随发生的岩体破坏模式，是一种具有空间和时间随机性的突发性地质灾害问题。深埋岩体在高地应力条件下易发生岩爆，且岩爆的发生规律与地质因素、工程环境因素、地下水以及人为施工开挖方式等均有较大关系。本文采用基于m-0准则的硬岩脆性破坏本构模型，对比分析了深埋隧洞在不同钢拱架、锚杆及预应力锚杆等多种支护条件下得隧洞岩爆破坏特征与破坏程度，提出了支护优化建议，相关研究成果对类似岩爆隧洞的支护设计提供了参考。

1 基于m-0准则的硬岩脆性破坏本构模型

本文采用的m-0准则是基于Hoek-Brown准则的改进得到的。Hoek-Brown准则中极限主应力的表达式为：

式中σ1——破坏时的最大主应力；

σ3——作用于岩石试件上的最小主应力；

σc——完整岩石的单轴抗压强度；

mb——经验参数值；

s、a——与岩体特征有关的常数。

Martin在硬岩脆性破坏的研究过程中发现，当Hoek-Brown准则中的经验参数mb取0，岩体特征常数s取为0.112时，利用Hoek-Brown准则可较好的预测脆性岩体的破坏位置及破坏深度，进而在此研究的基础上，提出了m-0准则。该准则认为岩体发生脆性破坏，主要是黏聚力丢失所致，摩擦角在脆性破坏过程中并未被激发，其作用可忽略。m-0准则的极限主应力表达式为：

式中，A=sa，对于硬岩，a一般取为0.5，而s通常取为0.112。

2 计算参数

隧洞岩石主要物理力学指标建议值见表1，隧洞围岩主要地质参数建议值见表2，隧洞区地应力推算成果见表3，硬岩脆性破坏本构模型计算所需参数选取及力学指标见表4。因隧洞现场目前观测得到的岩爆区域均位于隧洞顶部，隧洞两侧基本无岩爆现象，由此判定水平向主应力大于竖直向主应力。侧压力系数分别取为1.0及1.8进行计算，竖直向采用自重应力45.5MPa。

表1 隧洞岩石主要物理力学指标建议值

表2 隧洞围岩主要地质参数建议值

表3 隧洞地应力推算成果

表4 计算参数选取及力学指标

3 不同支护方案的隧洞岩爆特征分析

计算考虑采用两套计算参数：（1）侧压力系数为1（竖向应力为45.5MPa），岩石强度取103.4 MPa；（2）侧压力系数为1.8（竖向应力为45.5MPa），岩石强度取230MPa。对采取HW125@1.0m+360°Φ25预应力（预应力80kN）中空注浆锚杆（不同范围）后的岩爆范围变化规律进行对比分析。侧压力系数为1.0时隧洞岩爆特征如图1所示，侧压力系数为1.8时隧洞岩爆特征如图2所示。经过有无支护、不同支护条件下的岩爆特征分析，统计围岩岩爆破坏深度见表5。

表5 不同支护条件下围岩岩爆破坏深度统计结果

图1 侧压力系数为1.0时隧洞岩爆特征

图2 侧压力系数为1.8时隧洞岩爆特征

4 结论与建议

（1）钢拱架对隧洞岩爆深度控制效果较好。在岩爆洞段初期支护设计中，需设置具备一定刚度的拱架支护措施，分担部分围岩地应力，从而降低隧洞开挖时的围岩应力释放量，减轻岩爆发生程度。

（2）岩石强度较低时，采取预应力锚杆能有效控制顶部岩爆深度。岩石强度高时，预应力锚杆对岩爆的控制效果降低。

（3）对比不同预应力锚杆支护范围，岩石强度低、侧压力系数小时，锚杆支护范围减小至120°后，洞顶岩爆深度会稍有增加；岩石强度高、侧压力系数大时，锚杆支护范围减小至120°后，洞顶岩爆深度变化不大。