田朝陽(yáng) 蘭恒星② 張 寧 許博聞

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054，中國(guó))(②中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101，中國(guó))

0 引 言

某交通線路是我國(guó)藏區(qū)綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，對(duì)維護(hù)我國(guó)國(guó)家長(zhǎng)治久安、促進(jìn)西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大意義。某交通線路沿線地貌陡峻，內(nèi)外地質(zhì)作用異?；钴S，多場(chǎng)環(huán)境耦合作用強(qiáng)烈，地質(zhì)環(huán)境條件極其復(fù)雜。全線橋隧占比超過(guò)80%，存在多條特長(zhǎng)深埋隧道，在極端復(fù)雜的工程環(huán)境及強(qiáng)烈的工程擾動(dòng)影響下，這些深埋長(zhǎng)隧建設(shè)過(guò)程中工程災(zāi)害問(wèn)題更加凸顯。其中：色季拉山隧道位于西藏自治區(qū)林芝市境內(nèi)，全長(zhǎng)37.965km，最大埋深1696m，為新建某交通線路雅安林芝段先期開(kāi)工隧道和全線重點(diǎn)控制性工程。隧道地處青藏高原東南緣的喜馬拉雅東構(gòu)造節(jié)附近，屬于印度洋板塊向歐亞板塊俯沖、楔入的最前緣，是現(xiàn)今全球構(gòu)造活動(dòng)最為劇烈的地區(qū)之一(常利軍等，2015；蘭恒星等，2021)。強(qiáng)烈構(gòu)造背景下形成的構(gòu)造應(yīng)力和深埋應(yīng)力耦合成的高地應(yīng)力特征，加之隧道沿線高度發(fā)育花崗巖、閃長(zhǎng)巖和片麻巖等硬質(zhì)巖，使得色季拉山隧道在建設(shè)過(guò)程中，將面臨著嚴(yán)重的高地應(yīng)力巖爆問(wèn)題。

巖爆是在工程開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖發(fā)生應(yīng)力釋放而產(chǎn)生脆性破壞的一種巖體失穩(wěn)過(guò)程，具有突發(fā)性、高危害性等特點(diǎn)，是高地應(yīng)力地區(qū)地下隧道建設(shè)過(guò)程中所面對(duì)的主要風(fēng)險(xiǎn)之一(靳曉光等，2013；蔣鈺峰等，2019)。巖爆的發(fā)生取決于兩個(gè)條件：一是巖體能夠儲(chǔ)存大量能量，同時(shí)在破壞過(guò)程中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的彈射傾向；二是巖體所在區(qū)域存在形成較高的應(yīng)力集中的地應(yīng)力環(huán)境(王開(kāi)洋等，2014；Pan et al.，2021)。

準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)判巖爆發(fā)生的位置以及強(qiáng)烈程度對(duì)高地應(yīng)力區(qū)域地下工程的修建具有重要指導(dǎo)意義，也是巖爆研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。Neyma于1972年提出了能夠反映巖石彈性變形能儲(chǔ)存能力的巖爆傾向性指數(shù)Wet(Homand et al.，1990)，其后諸多學(xué)者采用此指標(biāo)進(jìn)行巖爆傾向性評(píng)估，并根據(jù)不同的適用條件、提出了相應(yīng)的巖爆傾向性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(Kidybinski，1981；Singh，1988)。然而，除了圍巖的自身性質(zhì)之外，巖爆的發(fā)生還取決于圍巖所處區(qū)域的地應(yīng)力環(huán)境(李鵬翔等，2019)。Barton(1974)研究挪威隧道圍巖穩(wěn)定性過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力的比值與巖爆之間具有一定的關(guān)系，并根據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比指標(biāo)劃分了相應(yīng)的巖爆等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及理論推導(dǎo)，先后提出了Russense判據(jù)(Russense,1974)、Hoek判據(jù)(Hoek et al., 1980)、陶振宇判據(jù)(張鏡劍等，2008)、二郎山判據(jù)(徐林生等，1999)、國(guó)標(biāo)法(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組，2008)等一系列應(yīng)力指標(biāo)型(應(yīng)力與強(qiáng)度或者強(qiáng)度與應(yīng)力的比值)巖爆判據(jù)。隨著新技術(shù)理論的發(fā)展，以及對(duì)巖爆問(wèn)題探索的深入，涌現(xiàn)了一批如模糊綜合預(yù)測(cè)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)預(yù)報(bào)等新的巖爆預(yù)測(cè)方法與理論(李庶林，2009；陳鵬宇等，2014；Roohollah et al.，2019)。

上述方法中，應(yīng)力指標(biāo)判據(jù)法同時(shí)考慮了巖爆發(fā)生的兩大條件：圍巖自身性質(zhì)以及外部地應(yīng)力條件，并分別將其用地應(yīng)力量值、巖石強(qiáng)度這兩個(gè)相對(duì)易獲取的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行表征。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)有限的實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，結(jié)合地質(zhì)資料中巖石的強(qiáng)度參數(shù)，即可方便快捷地得到隧道的巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果，是目前應(yīng)用最廣泛的巖爆預(yù)測(cè)方法。然而，現(xiàn)有強(qiáng)度應(yīng)力判據(jù)采用巖石強(qiáng)度參數(shù)多通過(guò)完整巖塊的室內(nèi)試驗(yàn)獲取，忽視了原位巖體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)。此外，這些判據(jù)多為巖爆等級(jí)的定性預(yù)測(cè)，難以給出巖爆的范圍和程度的定量預(yù)測(cè)。而量化研究巖爆對(duì)于硐室圍巖的破壞程度和影響深度，對(duì)于選取恰當(dāng)?shù)募庸谭绞揭约爸ёo(hù)參數(shù)，預(yù)防并降低巖爆對(duì)于隧道建設(shè)的不利影響、確保工程的順利開(kāi)展具有重要意義。

為此，本文收集了大量國(guó)內(nèi)外典型巖爆隧道的特征參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了一種通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度比來(lái)預(yù)測(cè)巖爆爆坑深度的巖爆定量化預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)和巖體強(qiáng)度損傷理論獲取了隧道沿線巖體強(qiáng)度參數(shù)，以多元線性回歸法反演了隧道沿線地應(yīng)力參數(shù)，最終對(duì)某交通線路色季拉山隧道的巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量化預(yù)測(cè)和分析，并與同屬雅魯藏布縫合帶影響區(qū)、地質(zhì)條件相近的已貫通某交通線路巴玉隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，成果可以為色季拉山隧道施工與巖爆風(fēng)險(xiǎn)防控提供重要參考。

1 巖爆定量化預(yù)測(cè)模型與巖體強(qiáng)度損傷準(zhǔn)則

1.1 脆性破壞定量化預(yù)測(cè)模型

巖爆是多種因素共同耦合的結(jié)果，其中應(yīng)力和圍巖性質(zhì)(主要包括強(qiáng)度和完整性)是導(dǎo)致脆性破壞發(fā)生的最顯著的兩個(gè)條件(Martin et al.，1994)。對(duì)于裂隙網(wǎng)絡(luò)不發(fā)育的完整巖體，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度比較高時(shí)，開(kāi)挖界面附近的巖體發(fā)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生脆性破壞，且隧道圍巖的破壞深度隨著應(yīng)力強(qiáng)度比的增加而逐漸增加，即硐室的破壞深度與其應(yīng)力強(qiáng)度比之間具有一定的函數(shù)關(guān)系(Martin et al.，1999)?；谶@一發(fā)現(xiàn)，Martin et al.(1999)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度比和硐室圍巖的破壞深度進(jìn)行了擬合(圖1)，建立了應(yīng)力強(qiáng)度比與硐室破壞深度的關(guān)系表達(dá)式：

圖1 硐室圍巖破壞深度與最大切應(yīng)力關(guān)系圖(Martin et al.，1999)

(1)

式中：Df為硐室破壞影響深度，等于隧道破壞深度與隧道半徑的和；a為隧道半徑；σc為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；σmax=3σ1-σ3，為硐室圍巖的最大切向應(yīng)力，其中，σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力。

由圖1可以看出，硐室圍巖破壞深度與最大切向應(yīng)力之間具有良好的線性關(guān)系，通過(guò)式(1)反算，得到圍巖發(fā)生脆性破壞的臨界應(yīng)力為0.4σc(Df/a=1)。該方法針對(duì)應(yīng)力引起的完整或少量微裂隙的脆性圍巖破壞建立，將傳統(tǒng)的應(yīng)力強(qiáng)度比與圍巖破壞深度聯(lián)系起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)量化預(yù)測(cè)應(yīng)力集中下的圍巖脆性破壞深度。

1.2 巖爆定量化預(yù)測(cè)模型

基于上述思路，通過(guò)收集66個(gè)典型巖爆隧道的實(shí)例數(shù)據(jù)，對(duì)包括烏茲別克斯坦甘姆奇克隧道、二郎山隧道、錦屏二級(jí)水電站引水隧洞、拉林鐵路桑珠嶺隧道、花瓶山隧道等典型巖爆隧道的巖性、地應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、隧道跨度以及最大爆坑深度等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。典型巖爆隧道參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 典型巖爆隧道統(tǒng)計(jì)

對(duì)收集的巖爆隧道的應(yīng)力強(qiáng)度比以及爆坑深度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力強(qiáng)度比與隧道巖爆的爆坑深度具有良好的線性關(guān)系。通過(guò)建立隧道巖爆爆坑深度與應(yīng)力強(qiáng)度比之間的關(guān)系，對(duì)收集的66組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到擬合公式：

(2)

擬合關(guān)系曲線如圖2所示?？梢钥闯觯佑绊懮疃菵f與應(yīng)力強(qiáng)度比σmax/σc之間具有良好的線性關(guān)系，同時(shí)，由式(2)推導(dǎo)出的巖爆起始應(yīng)力為0.32σc(Df/a=1)，與Martin et al.(1999)提出的臨界脆性破裂應(yīng)力范圍0.4σc接近。

圖2 巖爆量化預(yù)測(cè)模型

Hoek et al.(1980)根據(jù)南非金礦工程經(jīng)驗(yàn)，提出采用圍巖切向應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度比值σmax/σc來(lái)對(duì)巖爆進(jìn)行評(píng)價(jià)并給出了巖爆等級(jí)劃分界限以及相應(yīng)的支護(hù)建議，其后得到廣泛的應(yīng)用。因此，綜合隧道爆坑深度和Hoek et al.(1980)提出的巖爆等級(jí)劃分依據(jù)，確定出本文預(yù)測(cè)模型中巖爆等級(jí)劃分依據(jù)如表2所示。

表2 巖爆等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文建立預(yù)測(cè)模型所用參數(shù)包括巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，最大切向應(yīng)力和爆坑影響深度等參數(shù)。最大切向應(yīng)力反映了對(duì)隧道圍巖脆性破壞發(fā)生起重要作用的原位應(yīng)力狀態(tài)，而采用爆坑影響深度，很好地考慮到巖爆對(duì)于整個(gè)隧道圍巖破壞程度的量化值。因此，基于該預(yù)測(cè)模型，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位地應(yīng)力測(cè)試，即可實(shí)現(xiàn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的定量化預(yù)測(cè)。

1.3 結(jié)構(gòu)巖體強(qiáng)度損傷準(zhǔn)則

Hoek et al.(2002)考慮到受結(jié)構(gòu)裂隙、風(fēng)化以及開(kāi)挖過(guò)程中的工程擾動(dòng)等因素的影響，巖體的強(qiáng)度相比于實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的巖塊強(qiáng)度將有大幅度的下降，并根據(jù)完整巖石的物理學(xué)試驗(yàn)和裂隙巖體的模型研究結(jié)果，建立了一種考慮結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)的巖體強(qiáng)度估算理論。該方法的原理為：通過(guò)引入相關(guān)折減系數(shù)，對(duì)完整巖石的基本物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行折減，以獲取含結(jié)構(gòu)裂隙巖體的強(qiáng)度參數(shù)。該理論目前是較為完善的巖體強(qiáng)度估算方法之一，在對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行合理估計(jì)的同時(shí)，大大節(jié)約了巖體強(qiáng)度測(cè)試的成本和不方便性，在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用。其最新修正表達(dá)式為(Hoek et al.，2019)：

(3)

式中：σ1、σ3分別為巖體破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力；σc為完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度；mb為巖石材料常數(shù)mi(范圍：0.0000001～25)的折減系數(shù)，可根據(jù)式(4)確定；

(4)

式中：s和α為巖體常數(shù)，可分別由式(5)和式(6)確定：

(5)

(6)

式(4)～式(6)中：GSI為巖石的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；D為擾動(dòng)常數(shù)，反映巖體受開(kāi)挖、爆破等外界因素所影響的程度，介于0～1之間。

在開(kāi)挖過(guò)程中，靠近隧道邊界的巖體處于臨空狀態(tài)，因此可認(rèn)為σ3=0，此時(shí)巖體的強(qiáng)度可由式(3)簡(jiǎn)化為：

σcm=σcisα

(7)

式中：σcm為巖體強(qiáng)度。

對(duì)于質(zhì)量控制良好的隧道掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖等方式，其對(duì)隧道圍巖的擾動(dòng)可以控制在較小的水平，D可取值為0(Hoek et al.，2019)。此時(shí)，地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的大小將直接決定結(jié)構(gòu)巖體強(qiáng)度損傷的程度，即可根據(jù)室內(nèi)完整巖塊強(qiáng)度參數(shù)和GSI指標(biāo)求取原位巖體強(qiáng)度。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況及工程地質(zhì)條件

色季拉山隧道呈東北—西南走向，隧道全長(zhǎng)約37.965km，最大埋深1696m，為典型深埋特長(zhǎng)隧道。隧道地質(zhì)縱剖面如圖3所示。隧道進(jìn)、出口及溝谷內(nèi)分布厚層第四系沖-洪積黏性土及碎石土層，洞身地層主要為喜山期花崗巖(γ6)及閃長(zhǎng)巖(δ6)，出口段分布有中-新元古代念青唐古拉巖群片麻巖(PtGn2-3)地層，硬質(zhì)巖段落占比達(dá)90%以上。隧道以Ⅲ級(jí)圍巖為主，圍巖等級(jí)統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表3。隧道區(qū)域?qū)儆谟《妊蟀鍓K向歐亞板塊俯沖、楔入的最前緣，屬于岡底斯-念青唐古拉地塊南側(cè)，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，第四紀(jì)斷裂活動(dòng)發(fā)育，隧道先后以大角度穿越f4-3、f4-5、F61和f4-6斷層。

圖3 色季拉山隧道地質(zhì)縱斷面

表3 色季拉山隧道圍巖等級(jí)統(tǒng)計(jì)

2.2 工程區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)

將工程區(qū)取回的鉆孔巖芯加工成標(biāo)準(zhǔn)樣，分別進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，得到工程區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯碇穮^(qū)巖石抗壓強(qiáng)度較高，一般大于100MPa。巖石自身是否具有發(fā)生巖爆的本質(zhì)屬性，通常以巖爆傾向性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，反映巖石硬脆程度的脆性系數(shù)B，是目前應(yīng)用最簡(jiǎn)便、廣泛的巖爆性傾向指標(biāo)之一(王開(kāi)洋等，2014)，其計(jì)算公式為：

表4 隧道巖石基本力學(xué)參數(shù)

B=σc/σt

(8)

式中：σt為巖石的抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)式(8)以及巖石強(qiáng)度參數(shù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算得到隧址區(qū)花崗巖、閃長(zhǎng)巖以及片麻巖的脆性系數(shù)B分別為20.07、21.56以及16。徐林生等(1999)提出脆性系數(shù)B判斷巖爆傾向性的界限：B≥18時(shí)，強(qiáng)烈?guī)r爆；18>B≥14，中等巖爆；14>B≥10，輕微巖爆；10>B無(wú)巖爆。因此，由式(8)可判斷出，除片麻巖為中等巖爆傾向外，閃長(zhǎng)巖和花崗巖均具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性。

隧址區(qū)巖體以弱風(fēng)化為主，巖體完整性總體較好，以完整、較完整巖體為主，揭露巖芯柱可長(zhǎng)達(dá)0.5～1m，部分段落存在斷層破碎帶及節(jié)理密集帶。基于室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)、野外鉆孔巖芯描述、工程物探及初步巖體分級(jí)等資料，采用定性與定量相結(jié)合的方法確定出隧道沿線巖體質(zhì)量指標(biāo)GSI分布范圍，如圖4所示。利用前述Hoek-Brown巖體強(qiáng)度損傷準(zhǔn)則及軟件RocLab對(duì)隧道軸線巖體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行分析估算，如表5所示。

圖4 隧道沿線巖體質(zhì)量GSI分布范圍

表5 利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算隧道軸線巖體強(qiáng)度

2.3 隧址地應(yīng)力特征

隧址區(qū)位于喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)附近，區(qū)域內(nèi)新生代以來(lái)地殼急劇抬升、板塊強(qiáng)烈擠壓，造成了地應(yīng)力高且主應(yīng)力方向復(fù)雜的初始地應(yīng)力場(chǎng)特征。在前期勘察過(guò)程中，沿隧道沿線共布置地應(yīng)力測(cè)量孔10個(gè)，采用水壓致裂法對(duì)代表性測(cè)段進(jìn)行測(cè)試，為了減小山坡卸荷和溝谷應(yīng)力集中等干擾因素，測(cè)段深度一般超過(guò)100m，最大孔深達(dá)1450m(張玉璽，2021)。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 隧址區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

對(duì)水力壓裂測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以看出，在127.3～1410.2m鉆孔深度范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)水平最大主應(yīng)力SH為6.81～45.52MPa，實(shí)測(cè)水平最小主應(yīng)力Sh為5.55～34.72MPa，取上覆巖體平均重度2.65kN·m-3，估算得到地應(yīng)力測(cè)試段落垂向主應(yīng)力Sv范圍為3.35～37.37MPa。最大水平主應(yīng)力方位角為N33°E～N86°E，與王成虎等(2019)通過(guò)震源機(jī)制解分析得出的區(qū)域地應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向基本一致，反映了隧址區(qū)受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用影響顯著。

為進(jìn)一步分析隧址區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)水力壓裂測(cè)試結(jié)果分別計(jì)算出隧址區(qū)地應(yīng)力特征參數(shù)Kav、KHv和Khv，其表達(dá)式如下：

Kav=(SH+Sh)/2Sv

(9)

KHv=SH/Sv

(10)

Khv=Sh/Sv

(11)

式中：Kav為側(cè)壓力系數(shù)；KHv為最大水平應(yīng)力系數(shù)；Khv為最小水平應(yīng)力系數(shù)；可以反映水平應(yīng)力相對(duì)于垂向自重應(yīng)力的關(guān)系。

隧址區(qū)地應(yīng)力特征參數(shù)隨深度變化的規(guī)律如圖5 所示。可以看出，色季拉山隧道地應(yīng)力特征參數(shù)分布特征表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，可通過(guò)雙曲線進(jìn)行擬合。在埋深較淺的近地表附近，各地應(yīng)力特征參數(shù)基本大于1，三向主應(yīng)力之間關(guān)系為SH>Sh>Sv，此時(shí)，反映出隧址區(qū)受水平構(gòu)造作用影響較大。同時(shí)，由于受地形切割、卸荷以及風(fēng)化剝蝕等作用的影響，淺部地應(yīng)力特征參數(shù)離散程度較大。隨著深度增大，隧道地應(yīng)力特征參數(shù)及其波動(dòng)范圍逐漸減小。在埋深大于500m之后，Kav趨于1.14±0.2，KHv趨于1.36±0.26，Khv趨于0.97±0.19，三向主應(yīng)力之間關(guān)系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镾H>Sv>Sh，隧址區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)仍表現(xiàn)為以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造控制作用，但自重應(yīng)力的影響顯著加強(qiáng)。

圖5 色季拉山隧道地應(yīng)力特征參數(shù)

2.4 初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

地應(yīng)力是隧道工程圍巖發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵性因素和重要工程荷載來(lái)源，直接影響隧道工程的施工安全(李天斌等，2019)。由于場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)等諸多因素的影響，難以做到對(duì)隧道全線地應(yīng)力進(jìn)行水力壓裂測(cè)試(黃藝丹等，2021)。因此，結(jié)合實(shí)地工程地質(zhì)條件及地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行地應(yīng)力數(shù)值模擬與反演，對(duì)于獲取分析隧址區(qū)及隧道沿線初始地應(yīng)力場(chǎng)具有重要意義。目前常用的地應(yīng)力場(chǎng)反演分析方法包括多元線性回歸分析法、邊界荷載調(diào)整法、應(yīng)力函數(shù)法等(王金安等，2015；李天斌等，2016；王慶武等，2018)。其中：多元線性回歸法地應(yīng)力場(chǎng)反演概念清晰，在許多工程中已得到了成功的應(yīng)用和推廣(裴啟濤等，2012)。因此，本文采用多元線性回歸法進(jìn)行地應(yīng)力反演。

在Rhino中建立三維數(shù)值計(jì)算模型并剖分地層，模型構(gòu)建過(guò)程中，采用250m薄層來(lái)模擬斷層破碎帶及其影響帶。模型范圍如下：以隧道為中心區(qū)域，垂直于隧道走向?yàn)閤軸，長(zhǎng)42km；以隧道走向?yàn)閥軸，16km；豎直向上為z軸，模型基底以隧道出口點(diǎn)高程為基準(zhǔn)向下延伸2000m。

結(jié)合研究區(qū)的工程條件，本文選取自重應(yīng)力狀態(tài)、南北向水平擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、東西向水平擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水平面內(nèi)均勻剪切構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等4個(gè)因素作為回歸巖體初始應(yīng)力場(chǎng)的基本要素，回歸初始地應(yīng)力場(chǎng)表達(dá)式為：

σ地=b1σ構(gòu)1+b2σ構(gòu)2+b3σ構(gòu)3+b4σ自4

(12)

式中：σ構(gòu)1、σ構(gòu)2分別為x、y方向施加的均勻擠壓應(yīng)力；σ構(gòu)3為xy方向施加的均勻應(yīng)力；σ自4為自重應(yīng)力，b1～b4為回歸系數(shù)。

將模型導(dǎo)入FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算。模型所使用的隧址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果以及Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式(Hoek et al.，2002)確定，如表7所示。采用彈性本構(gòu)模型對(duì)隧址區(qū)地應(yīng)力進(jìn)行反演，以ZK6鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力值為回歸目標(biāo)值，分別對(duì)式(12)確定的4種工況進(jìn)行模擬計(jì)算，求解回歸方程。分別得到隧址區(qū)回歸系數(shù)b1、b2、b3、b4為1.89、0.14、1.05、0.45。

表7 隧址區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)

經(jīng)過(guò)應(yīng)力場(chǎng)平衡計(jì)算，得到隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力云圖如圖6所示，可以看出，隧址區(qū)核心部最大主應(yīng)力明顯大于隧道進(jìn)出口段。

圖6 隧址區(qū)最大主應(yīng)力云圖

考慮到靠近地表地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較離散，因此，選取ZK6埋深大于400m的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。可以看出，地應(yīng)力回歸數(shù)據(jù)與鉆孔實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)比較接近，且兩者隨深度的變化具有較好的一致性。各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與回歸模擬值相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8?？梢钥闯觯貞?yīng)力回歸模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差基本控制在10%以內(nèi)，表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確率。

圖7 地應(yīng)力實(shí)測(cè)與回歸值對(duì)比

表8 地應(yīng)力回歸值誤差

數(shù)值模擬得到的色季拉山隧道沿線地應(yīng)力分布如圖8所示?？梢钥闯鏊淼姥鼐€最大水平主應(yīng)力為6.53～51.24MPa，最小水平主應(yīng)力為4.8～36.12MPa，垂向主應(yīng)力為2.26～43.62MPa。全線最大水平主應(yīng)力量值水平較高，在斷層帶附近有明顯下降。在淺埋深段水平主應(yīng)力大于鉛垂應(yīng)力，三向主應(yīng)力關(guān)系為SH>Sh>Sv，表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造應(yīng)力為主，當(dāng)埋深超過(guò)500m，垂向應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，三向主應(yīng)力關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)镾H>Sv>Sh。

圖8 色季拉山隧道沿線地應(yīng)力

2.5 色季拉山隧道巖爆量化預(yù)測(cè)

根據(jù)色季拉山隧道沿線巖體抗壓強(qiáng)度估算結(jié)果和地應(yīng)力反演得到的隧道軸線地應(yīng)力參數(shù)，采用式(2)對(duì)色季拉山隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化預(yù)測(cè)。為此，首先需要進(jìn)行隧道最大切向應(yīng)力的計(jì)算。色季拉山隧道開(kāi)挖斷面可近似于圓形，故可將隧道橫截面假定為平面應(yīng)變模型(張重遠(yuǎn)等，2022)，此時(shí)，隧道截面方向受到水平向正應(yīng)力σn和上覆巖石自重作用引起的垂向應(yīng)力σv，根據(jù)線彈性公式，水平向正應(yīng)力計(jì)算公式為：

(13)

式中：θ為最大水平主應(yīng)力SH與隧道軸向法線的夾角，根據(jù)水力壓裂測(cè)試結(jié)果，色季拉山隧道θ為64°。最終，可以得到色季拉山隧道最大切向應(yīng)力計(jì)算公式：

(14)

對(duì)于斷層破碎帶等不具備彈性應(yīng)變儲(chǔ)存條件的巖體強(qiáng)烈破碎區(qū)域，在較高的應(yīng)力下可能發(fā)生大變形而非巖爆，因此在預(yù)測(cè)及統(tǒng)計(jì)隧道沿線巖爆時(shí)對(duì)該段落進(jìn)行去除。最終計(jì)算得到色季拉山隧道沿線巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯龜鄬佑绊懙貛Ш吐裆钶^淺的溝谷、進(jìn)出口地帶，隧道沿線均可能有不同程度的巖爆出現(xiàn)。其中：在埋深較大的地段，花崗巖、閃長(zhǎng)巖地層將出現(xiàn)強(qiáng)烈等級(jí)程度的巖爆，片麻巖地層中將有中等程度巖爆發(fā)生。

圖9 色季拉山隧道最大爆坑深度預(yù)測(cè)結(jié)果

同時(shí)對(duì)沿線巖爆段落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到色季拉山隧道巖爆評(píng)價(jià)結(jié)果，如表9所示?？梢钥闯?，發(fā)生巖爆的段落普遍具有較高的地應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力SH普遍高于20MPa，部分段落地應(yīng)力可達(dá)40MPa以上，有強(qiáng)烈等級(jí)的巖爆發(fā)生。對(duì)不同等級(jí)巖爆段落長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示，色季拉山隧道預(yù)測(cè)巖爆段落達(dá)23254m，占隧道全長(zhǎng)的61.25%，其中：中等巖爆段落達(dá)12188m，占隧道全長(zhǎng)32.1%，強(qiáng)烈等級(jí)巖爆段落達(dá)3502m，占隧道全長(zhǎng)的9.23%。預(yù)測(cè)隧道爆坑最大深度比Df/a可達(dá)1.67(1.46+0.21)，按色季拉山隧道當(dāng)量半徑5.1m計(jì)算，預(yù)測(cè)最大爆坑深度可達(dá)3.42m。

表9 色季拉山隧道巖爆評(píng)價(jià)結(jié)果

2.6 色季拉山巖爆風(fēng)險(xiǎn)可控性分析

為評(píng)估色季拉山隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)的可控性，選取已成功貫通的某交通線路拉林段巴玉隧道進(jìn)行相似工程案例風(fēng)險(xiǎn)的定量對(duì)比分析。工程地質(zhì)類比法屬于定性評(píng)價(jià)的一種，它的實(shí)質(zhì)是將已有的隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納后，應(yīng)用到地質(zhì)條件相似的隧道風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)研究中，是一種應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗(yàn)方法(張寧等，2022)。

巴玉隧道位于桑日至加查下游段，與色季拉山隧道同屬于雅魯藏布縫合帶影響區(qū)，隧道全長(zhǎng)13.047km，最大埋深約2073m。巴玉隧道巖爆問(wèn)題極為突出，據(jù)13047m正洞和8131m平導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隧道巖爆里程段高達(dá)94%(嚴(yán)健等，2019)。

表10分別列出了兩座隧道的基本概況和基本地質(zhì)條件，同時(shí)也分別給出了巴玉隧道實(shí)測(cè)最大爆坑深度和色季拉山隧道預(yù)測(cè)最大爆坑深度?？梢钥闯觯瑑勺淼谰哂袠O其相似的工程地質(zhì)條件，兩座隧道地層巖性均以花崗巖為主，且?guī)r石強(qiáng)度較為接近。此外，色季拉山隧道最大主應(yīng)力為51.24MPa，略大于巴玉隧道最大主應(yīng)力45.77MPa。

表10 典型隧道巖爆情況對(duì)比

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，色季拉山隧道巖爆的最大爆坑深度可達(dá)3.42m，略小于巴玉隧道實(shí)測(cè)最大爆坑深度3.5m，同時(shí)，色季拉山隧道預(yù)測(cè)巖爆里程段占比為61.25%，遠(yuǎn)小于巴玉隧道實(shí)際巖爆段占比94%。因此，可以認(rèn)為，在合理的工程措施下，色季拉山隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)總體可控。

3 結(jié) 論

本文在對(duì)66個(gè)巖爆隧道的特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，建立了一種通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度比來(lái)預(yù)測(cè)巖爆爆坑深度的巖爆定量化預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)、巖體強(qiáng)度損傷準(zhǔn)則和地應(yīng)力場(chǎng)多元線性回歸反演，分別得到模型計(jì)算所需要的隧道沿線巖體強(qiáng)度及地應(yīng)力參數(shù)，最終對(duì)新建某交通線路色季拉山隧道的巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量化預(yù)測(cè)和相似工程案例對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

(1)本文根據(jù)巖爆隧道爆坑深度與應(yīng)力強(qiáng)度比線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系所建立的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型，可以預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生時(shí)的最大爆坑影響深度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)的定量化預(yù)測(cè)及評(píng)估。

(2)色季拉山隧道沿線地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，反演出最大水平主應(yīng)力可達(dá)51.24MPa，且地應(yīng)力普遍較高，同時(shí)，硬脆性巖層所占比例較大且均具有較高的巖爆傾向性，具有較高的高地應(yīng)力巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

(3)預(yù)測(cè)色季拉山隧道可能發(fā)生巖爆段落達(dá)23254m，占隧道全長(zhǎng)的61.25%，其中：中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)段落12188m，占隧道全長(zhǎng)32.1%，強(qiáng)烈?guī)r爆風(fēng)險(xiǎn)段落3502m，占隧道全長(zhǎng)的9.23%。巖爆將主要發(fā)生在弱風(fēng)化花崗巖、閃長(zhǎng)巖以及埋深較大的片麻巖段落中，且最大爆坑深度普遍大于1m。

(4)相似工程案例對(duì)比分析表明，色季拉山隧道預(yù)測(cè)最大爆坑深度為3.42m，小于已貫通的巴玉隧道實(shí)測(cè)最大爆坑深度(3.5m)，在合理的施工和防控措施下可認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)總體可控。