師永翔

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

巖爆是高地應(yīng)力條件下，隧道掌子面或洞壁出現(xiàn)爆裂聲響、剝落、彈射、震動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1]。發(fā)生巖爆的主要原因?yàn)樗淼绹鷰r三向應(yīng)力狀態(tài)所蓄積的應(yīng)變能，在開挖暴露形成臨空面后瞬間轉(zhuǎn)換為了沖擊動(dòng)能。國(guó)內(nèi)外很多地下工程均發(fā)生過(guò)巖爆，其直接威脅人員和設(shè)備安全，影響工程進(jìn)度。由于巖爆預(yù)測(cè)的復(fù)雜性，巖爆已成為地下工程世界性難題之一[2]。自1738年世界上最早記錄并報(bào)道發(fā)生在英國(guó)南史塔福煤田的萊比錫煤礦巖爆起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析基礎(chǔ)上，對(duì)隧道高地應(yīng)力與巖爆做了大量的研究工作，提出了一系列的理論和方法，如失穩(wěn)理論、強(qiáng)度理論、能量理論、斷裂損傷理論和突變理論等。目前較為認(rèn)同、應(yīng)用較多的是強(qiáng)度應(yīng)力比法[3]。

大萬(wàn)山隧道為山西靜興高速公路橫穿呂梁山支脈的越嶺型特長(zhǎng)深埋隧道，設(shè)計(jì)為分離式，左洞長(zhǎng)10 373 m，右洞長(zhǎng)10 490 m，隧道最大埋深695 m。圍巖以硬質(zhì)變質(zhì)巖為主，具備可能產(chǎn)生高地應(yīng)力與巖爆的條件。本文針對(duì)靜興高速公路大萬(wàn)山特長(zhǎng)深埋隧道進(jìn)行了地應(yīng)力研究，并對(duì)隧道巖爆可能發(fā)生的部位與等級(jí)進(jìn)行了綜合分析。

1 隧道地應(yīng)力研究

1.1 隧道地質(zhì)條件

隧道所處大萬(wàn)山屬呂梁山中北段的西部支脈，山體主脊主要走向?yàn)楸北睎|南南西向（NE33°—SW213°），山脊南北走向長(zhǎng)約30 km，總體屬基巖高中山地貌。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬呂梁—太行斷塊呂梁山塊狀隆起北西端，赤堅(jiān)嶺梭形掀斜褶帶中段，靠近該褶帶的中間寬厚部位，即構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較為集中的部位。在隧址區(qū)內(nèi)構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為白龍山倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造，并伴生部分?jǐn)嗔褬?gòu)造。地層巖性主要為太古界與元古界硬質(zhì)變質(zhì)巖組成，根據(jù)鉆孔取樣與室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值約80.2 MPa。隧道圍巖主要為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)。

1.2 隧址區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析

根據(jù)隧道周邊區(qū)域構(gòu)造線的走向、構(gòu)造形態(tài)組合及特征，對(duì)該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的來(lái)源與應(yīng)力、構(gòu)造之間的關(guān)系按應(yīng)力橢球體理論進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，如圖1，隧址區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力為壓扭應(yīng)力，時(shí)期為呂梁期，壓扭主應(yīng)力方向?yàn)楸北蔽鳌夏蠔|向，拉張應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西向。壓扭應(yīng)力造就了區(qū)內(nèi)白龍山倒轉(zhuǎn)向斜、斷裂、韌性剪切帶構(gòu)造的形成。拉張應(yīng)力形成了區(qū)域范圍北北西—南南東向深大斷裂構(gòu)造，為輝長(zhǎng)輝綠巖沿深大斷裂的貫入充填提供了空間條件，對(duì)于把控隧址區(qū)整體構(gòu)造應(yīng)力與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系明確了方向。

圖1 大萬(wàn)山隧道構(gòu)造應(yīng)力分析示意圖

1.3 鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試

國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)測(cè)試方法委員會(huì)頒布的“測(cè)定巖石應(yīng)力的建議方法”，包括USBM鉆孔孔徑變形測(cè)量法、CSIR鉆孔三軸應(yīng)變計(jì)鉆孔孔壁應(yīng)變測(cè)量法、巖體表面應(yīng)力恢復(fù)測(cè)量法和水壓致裂法等方法。與其他測(cè)量方法相比，水壓致裂法具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)試周期短、測(cè)量深度大、測(cè)值可靠誤差較小、可連續(xù)重復(fù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)[3]。該次勘察研究在大萬(wàn)山隧道向斜軸部埋深較大、成孔質(zhì)量較高的SZK11鉆孔里，選取完整巖體部位進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共取得了10個(gè)測(cè)試段的地應(yīng)力結(jié)果，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：在SZK11鉆孔測(cè)試深度范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力值為17.25 MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W58°左右。

表1 大萬(wàn)山隧道SZK11鉆孔地應(yīng)力測(cè)試成果表

地應(yīng)力量值隨深度變化曲線如圖2所示，各測(cè)試段側(cè)壓系數(shù)λ（實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力與鉛垂向應(yīng)力比值 λ=σH/σv）隨深度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 大萬(wàn)山隧道應(yīng)力量值隨深度變化曲線

圖3 大萬(wàn)山隧道側(cè)壓系數(shù)隨深度變化曲線

測(cè)試結(jié)果表明：

a）側(cè)壓系數(shù)在淺部較大，隨著深度增加、側(cè)壓力系數(shù)λ逐漸減小。各測(cè)試段的側(cè)壓系數(shù)λ均大于1，表明工程場(chǎng)區(qū)存在一定程度的水平構(gòu)造應(yīng)力。

b）450 m深度以下側(cè)壓系數(shù)均值λ=σH/σv=1.25，表明深部巖體初始地應(yīng)力的水平大主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。

國(guó)內(nèi)的實(shí)測(cè)和統(tǒng)計(jì)資料表明：工程巖體的初始地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)在0.8～3.0之間，絕大多數(shù)在0.8～1.5之間。該次大萬(wàn)山隧道SZK11鉆孔的實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)由淺至深部逐漸減小，深部（大于450 m）側(cè)壓力系數(shù)均值僅為1.25，水平大主應(yīng)力值略大于巖層的自重應(yīng)力。測(cè)試表明大萬(wàn)山隧道所處的巖體應(yīng)力場(chǎng)屬于正常的應(yīng)力場(chǎng)區(qū)，不存在明顯偏高的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

1.4 隧道地應(yīng)力分析計(jì)算

大萬(wàn)山隧道最大埋深695 m，該次地應(yīng)力測(cè)試孔最大測(cè)試深度534 m。為推測(cè)隧道實(shí)際最大埋深的地應(yīng)力，根據(jù)水壓致裂法實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)值，采用回歸分析與隧洞截面應(yīng)力計(jì)算公式[4]：

軸向應(yīng)力：σL=σhsin2α+σHcos2α，

橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=σHsin2α+σhcos2α，

橫截面最大切向應(yīng)力：σθ=3max(σmax/σv)-min(σmax/σv)，

式中：σH為最大水平主應(yīng)力；σh為最小水平主應(yīng)力；α為最大水平主應(yīng)力與隧洞的走向的夾角；σv為自重應(yīng)力。

計(jì)算得：

隧道深部最大、小水平主應(yīng)力為：

σH=1.254σv、σh=0.929σv，

沿?cái)M開挖隧道軸向應(yīng)力：σL=1.24σv，

橫截面最大初始應(yīng)力：σmax=1.00σv，

橫截面最大切向應(yīng)力：σθ=2.06σv.

1.5 隧道地應(yīng)力分級(jí)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1—2018）地應(yīng)力分級(jí)表，見(jiàn)表2，計(jì)算大萬(wàn)山隧道地應(yīng)力分級(jí)見(jiàn)表3。

表2 地應(yīng)力分級(jí)表

表3 大萬(wàn)山隧道地應(yīng)力分級(jí)表

2 隧道巖爆分析

巖爆是非常復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，影響巖爆的因素較多，歸納起來(lái)主要為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是堅(jiān)硬完整的高儲(chǔ)能巖體；外部因素主要受隧道開挖卸荷、應(yīng)力釋放與地下水、地溫條件等影響。地下水豐富、地溫高的地段，隧道發(fā)生巖爆的可能性和危害性會(huì)降低[5]。

本文根據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比法中代表性的E.Hoek法、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范與公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的3種方法計(jì)算，并結(jié)合地下水與地溫進(jìn)行巖爆分析[4-6]。

2.1 E.Hoek法計(jì)算分析巖爆

E.Hoek總結(jié)采礦圍巖破壞觀測(cè)結(jié)果，判據(jù)與計(jì)算分析見(jiàn)表4。

表4 E.Hoek法巖爆判據(jù)與計(jì)算分析表

2.2 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算分析巖爆

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）巖爆分級(jí)表，計(jì)算分析見(jiàn)表5。

表5 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范巖爆分級(jí)與計(jì)算表

2.3 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算分析巖爆

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》（JTG 3370.1—2018）巖爆分級(jí)表，計(jì)算分析見(jiàn)表6。

表6 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范巖爆分級(jí)與計(jì)算表

2.4 地溫對(duì)巖爆的影響分析

大萬(wàn)山隧道SZK11鉆孔內(nèi)進(jìn)行了3組地溫測(cè)試，如圖4所示：孔深100～250 m溫度隨深度增加而降低，平均地溫梯度為-1.4℃；210～300 m為恒溫帶，平均溫度約10.8℃；300 m以下為增溫帶，平均地溫梯度為1.9℃；計(jì)算隧道最大埋深695 m處地溫為18.5℃左右。隧道地溫整體溫度較低，變化較小，地溫對(duì)隧道巖爆基本無(wú)影響。

圖4 大萬(wàn)山隧道地溫測(cè)試圖

2.5 地下水對(duì)巖爆的影響分析

由于地下水對(duì)軟化圍巖、降低圍巖彈性應(yīng)變能的儲(chǔ)存能力有很大作用，所以巖爆發(fā)生段巖體一般干燥無(wú)水，潮濕或滴水現(xiàn)象較少[5]。

根據(jù)大萬(wàn)山隧道水文地質(zhì)勘察成果：隧道地下水類型為變質(zhì)巖類裂隙水與構(gòu)造裂隙水，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量2 537.5～2 834.9 m3/d，最大涌水量7 360.9～8 244.9 m3/d，隧道埋深較大段主要為中等富水，出水狀態(tài)為淋雨?duì)罨蛴苛鳡?。綜合分析地下水對(duì)大萬(wàn)山隧道巖爆有弱化的作用。

2.6 隧道巖爆綜合分析預(yù)測(cè)

根據(jù)以上3種方法的計(jì)算與判據(jù)結(jié)果，并結(jié)合地溫與地下水條件對(duì)巖爆的影響作用，綜合分析預(yù)測(cè)：大萬(wàn)山隧道埋深小于450 m無(wú)巖爆；埋深450～600 m發(fā)生巖爆可能性較小，巖爆等級(jí)為Ⅰ級(jí)輕微；埋深600～695 m有發(fā)生巖爆的可能，巖爆等級(jí)為Ⅱ級(jí)中等。

3 結(jié)語(yǔ)

a）現(xiàn)場(chǎng)水壓致裂法測(cè)試結(jié)果表明，大萬(wàn)山隧道所處的地應(yīng)力場(chǎng)屬于正常的應(yīng)力場(chǎng)區(qū)，不存在明顯偏高的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

b）大萬(wàn)山隧道地應(yīng)力分級(jí) 埋深小于340 m為一般應(yīng)力；埋深340～600 m為高應(yīng)力；埋深600～695 m為極高應(yīng)力。

c）地溫對(duì)大萬(wàn)山隧道巖爆基本無(wú)影響，地下水對(duì)大萬(wàn)山隧道巖爆有弱化的作用。

d）在已有的研究水平和研究成果的基礎(chǔ)上，綜合分析判斷大萬(wàn)山隧道埋深小于450 m無(wú)巖爆；埋深450～600 m發(fā)生巖爆可能性較小，巖爆等級(jí)為Ⅰ級(jí)輕微；埋深600～695 m（隧道 K40+200—K41+100段）發(fā)生巖爆的可能性較大，巖爆等級(jí)為Ⅱ級(jí)中等，以上里程段落在開挖過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)洞壁巖體剝離、掉塊、新生裂縫等情況，建議加強(qiáng)對(duì)圍巖的監(jiān)測(cè)，采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)與施工方案。

e）巖爆預(yù)測(cè)極為復(fù)雜，影響因素很多。應(yīng)該指出，巖爆預(yù)測(cè)研究仍具有一定的不確定性[6]。為隧道順利建設(shè)，在隧道施工過(guò)程中需加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)工作，并結(jié)合隧道工程建設(shè)進(jìn)一步開展巖爆研究工作。