周龍茂， 龔育齡， 楊普濟， 葉騰飛， 黎劍華

(1.東華理工大學，江西 撫州 344000;2.南昌工程學院，江西南昌 330029)

九嶺山深埋長大隧道巖爆問題預測

周龍茂1， 龔育齡1， 楊普濟2， 葉騰飛1， 黎劍華2

(1.東華理工大學，江西 撫州 344000;2.南昌工程學院，江西南昌 330029)

巖爆是深埋長大隧道主要的工程地質(zhì)問題之一，對隧道工程的危害很大，巖爆的預測研究對于隧道的設計和施工有著重要的意義。通過對九嶺山隧道初步設計及施工圖設計兩階段工程地質(zhì)勘察成果的研究，分析該隧道的工程地質(zhì)條件、巖石力學性質(zhì)及地應力測試結(jié)果，并運用現(xiàn)有國內(nèi)外多種巖爆判別準則對其在施工期間可能發(fā)生的巖爆問題進行了預測研究。結(jié)果表明，九嶺山隧道在施工期間不會出現(xiàn)嚴重的巖爆，但在埋深大于450 m的洞段可能會產(chǎn)生低巖爆活動。

九嶺山;深埋隧道;地應力;巖爆;預測

巖爆作為深埋長大隧道的重大工程地質(zhì)問題之一，多是由于圍巖開挖卸荷發(fā)生脆性破壞導致儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，使圍巖產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射等破壞現(xiàn)象，它直接威脅人員、設備安全，影響工程進度，已成為世界性的地下工程難題之一(黃潤秋等，1997;徐林生等，1996;徐則民等，2004)。九嶺山隧道是大慶至廣州高速公路在江西境內(nèi)北段為穿越九嶺山脈而擬建的一條雙拱分離式隧道，位于江西省銅鼓縣與宜豐縣交界處，設計隧道軸線總體方向 N47°W，底板標高376.40 m(北)～ 284.28 m(南)，起訖里程樁號:K97+126 ～ K102+598.5，全長 5472.5 m，最大埋深887 m。隧道圍巖巖石質(zhì)地堅硬，結(jié)構(gòu)致密，具備發(fā)生巖爆的巖性條件(李庶林等，2001)。筆者對九嶺山隧道在施工時可能發(fā)生巖爆問題進行預測分析。

1 隧道區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 巖石物理力學性質(zhì)

隧道圍巖主要巖性為中元古界雙橋山群的下亞群(pt2sh1)弱風化及微風化砂質(zhì)板巖，巖質(zhì)堅硬且性脆，微風化砂質(zhì)板巖室內(nèi)外試驗獲得的物理力學參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖物理力學指標Tab.1 Physico-mechanical characteristics of tunnel surrounding rock mass

1.2 隧道圍巖分級

隧道圍巖巖體較破碎——較完整，圍巖級別Ⅳ～Ⅱ級，構(gòu)造破碎帶巖體破碎，圍巖級別Ⅴ級(周龍茂等，2008)。

1.3 地應力特征

中國地震局地殼應力研究所在隧道洞身ZK1(K98+096 m，孔深為 243.50 m)和 ZK2(K100+669 m，孔深度為627.18 m)兩鉆孔采用水壓致裂法對隧道洞身圍巖最大水平主應力σH及最小水平主應力σh進行測量試驗①丁立豐，侯硯和，郭啟良.2006.大慶至廣州高速公路江西武寧至吉安段九嶺山隧道ZK1、ZK2孔水壓致裂法地應力測量報告［R］.北京:中國地質(zhì)局地殼應力研究所.，由σ2=rH估算垂直主應力(表2)。

2 巖爆分析與判據(jù)

2.1 巖爆發(fā)生的基本條件

根據(jù)國內(nèi)外工程實踐及學者研究成果表明，巖爆是巖體中應變能的突然釋放過程，產(chǎn)生巖爆的原因眾多，其影響因素有巖性、初始應力狀態(tài)、埋深、地形地貌、開挖斷面形式及開挖方式等，但作為巖爆形成發(fā)生的基本條件(張志強等，1998;徐成光，2005)，一是巖性，即要有能積聚應變能的巖石;二是高的地應力，即要有能量的來源;三是洞室開挖，即要有引起應變能釋放的觸發(fā)條件。

表2 九嶺山隧道地應力實測值Tab.2 Geostress values of tests for the Jiuling shan tunnel

(1)巖性。國內(nèi)外大量巖爆記錄資料顯示，巖爆幾乎都發(fā)生在新鮮、較完整、較干燥、裂隙極少或僅有隱裂隙的圍巖中，巖石強度高，單軸抗壓強度Rc＞80 MPa，巖體整體上屬堅硬脆性介質(zhì)。九嶺山隧道弱風化、微風化巖石強度高，單軸抗壓強度Rc=99～127 MPa，屬堅硬脆性介質(zhì)，該隧道圍巖具備巖爆發(fā)生的巖性特征。

(2)地應力。地應力值是表示巖體內(nèi)積聚的彈性應變能的具體指標。地應力越高，巖體內(nèi)積聚的彈性應變能越大，應變能隨著洞室開挖而釋放，當巖石峰值強度前的彈性應變能的積聚量達到巖石巖爆臨界彈性能時，就將發(fā)生巖爆。90%以上的巖爆都發(fā)生在這樣的高地應力洞段(谷明成等，2002)。

(3)洞室開挖。只有在具備巖性和地始應力條件的巖體中開挖洞室形成臨空面，使洞壁附近巖體應力將重新分布，由原來的三向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊顟B(tài)，且局部應力產(chǎn)生高度集中，洞壁附近集中的最大切向應力達到巖爆發(fā)生的臨界應力，巖爆才會發(fā)生。因此，工程施工是巖爆發(fā)生的觸發(fā)條件。

2.2 預測巖爆主要判據(jù)

有關巖爆發(fā)生的機理國內(nèi)外進行了大量探索與研究分析，主要有強度理論、剛度理論、能量理論、失穩(wěn)理論等(王元漢等，1998)，判別指標十余種。目前被較多地用于工程實踐中的有臨界深度判據(jù)、應力判據(jù)等。

2.2.1 臨界深度判據(jù)

侯發(fā)亮(1989)提出巖爆臨界深度判據(jù)。該方法認為，巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應力較大的地區(qū)，但如果硐室埋深較大，即使沒有構(gòu)造應力，由于上覆巖體效應，硐室也可能會發(fā)生巖爆。根據(jù)彈性力學求解，推導出僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生臨界深度Hcr的計算公式:

式中μ為巖石泊松比;γ為巖石重度(kN/m3)。

2.2.2 應力判據(jù)

(1)工程巖體分級標準判別法。我國工程巖體分級標準相對完整地考慮了地應力因素對地下洞室的成洞性及影響，并評價了地下洞室開挖過程中發(fā)生巖爆的可能性(中華人民共和國國家標準，1994)，其判據(jù)式為:Rc/σθmax＜ 4，極高應力，硬質(zhì)巖開挖過程中有巖爆發(fā)生;4≤Rc/σθmax≤7，高應力，硬質(zhì)巖開挖過程中可能出現(xiàn)爆。Rc為巖石飽和單軸抗壓強度;σmax為垂直洞軸線方向的最大初始應力。

(2)陶振宇判別準則。陶振宇(1987)在總結(jié)了多個工程經(jīng)驗的基礎上，修正了挪威曾采用的巴頓法，提出了一組新的判別臨界值:

Rc/σ1＞ 14.5，無巖爆發(fā)生，巖爆級別 Ⅰ;

5.5 ≤Rc/σ1＜ 14.5，低巖爆活動，有輕微聲發(fā)射現(xiàn)象，巖爆級別Ⅱ;

2.5 ≤ Rc/σ1≤ 5.5，中等巖爆活動，有較強的爆裂聲，巖爆級別Ⅲ;

Rc/σ1＜ 2.5，高巖爆活動，有很強的爆裂聲，巖爆級別Ⅳ。σ1為隧道開挖后洞壁最大主應力。

(3)Turchaninov判據(jù)。前蘇聯(lián)Turchaninov根據(jù)科拉半島希賓地塊的礦井建設經(jīng)驗，提出了巖爆活動性由硐室切向應力σθ和軸向應力σL的和與單軸抗壓強度Rc之比確定:

(σθ+ σL)/Rc≤3，無巖爆;

0.3 ＜ (σθ+ σL)/Rc≤0.5，有巖爆可能;

0.5 ＜ (σθ+ σL)/Rc≤0.8，肯定發(fā)生巖爆;

(σθ+ σL)/Rc＞ 0.8，有嚴重巖爆。

上述諸多有關巖爆發(fā)生預測判別準則，是學者從不同角度、利用不同手段及不同的理論體系對巖爆機理進行廣泛研究中得出的，且在一定程度上投入了工程實際應用，并取得了一定的成效。以下主要運用應力判據(jù)對九嶺山隧道巖爆問題進行預測。

3 巖爆預測

3.1 預測參數(shù)

巖爆分析判別以圓形隧道為基礎，根據(jù)九嶺山隧道圍巖物理力學指標(表1)及不同深處實測初始地應力(表2)，由彈性力學中關于“圓孔的對應力分布的影響”求解圓形隧道圍巖應力，得到九嶺山隧道巖爆預測需要的圍巖力學參數(shù)(表3)。

3.2 巖爆預測

利用表3巖爆預測參數(shù)，采用應力判據(jù)對九嶺山隧道巖爆進行預測(表4)。由表4可知，工程巖體分級標準判別法預測該隧道在工程施工過程中無巖爆活動發(fā)生，而其余三種巖爆判別準則預測均可能發(fā)生巖爆活動。

表3 巖爆預測圍巖參數(shù)Tab.3 Parameters for the rockburst prediction

表4 巖爆預測結(jié)果Tab.4Predictive result of rockburst

根據(jù)隧道施工期間收集到的巖爆發(fā)生情況表明，2007年7月11日至2007年7月13日，隧道施工至k98+506～k98+514洞段，隧道埋深500 m左右，圍巖內(nèi)部有噼啪的炸裂聲響，表層有巖塊掉落、松脫現(xiàn)象，屬弱巖爆活動，該段洞室圍巖為完整性較好、較干燥、硬脆的砂質(zhì)板巖。

因此，綜合對比分析隧道施工時實際巖爆情況，陶振宇判別準則預測結(jié)果較符合該隧道工程實際情況。根據(jù)陶振宇判別準則，結(jié)合實際發(fā)生巖爆活動洞段的工程地質(zhì)條件，對九嶺山巖爆問題進行綜合預測:九嶺山隧道無嚴重的強巖爆活動發(fā)生;隧道埋深小于450 m的洞段無巖爆活動發(fā)生，隧道埋深雖大于450 m但圍巖破碎、地下水豐富的洞段亦無巖爆活動發(fā)生;隧道埋深大于450 m且洞室圍巖巖體完整性較好、干燥、巖石硬脆的洞段可能會發(fā)生低巖爆活動。

4 結(jié)論

綜上所述，通過對九嶺山隧道巖爆問題的預測分析，可以得到以下基本結(jié)論:

(1)九嶺山隧道埋深大、洞程長，地質(zhì)條件復雜，經(jīng)綜合預測，九嶺山隧道無嚴重的強巖爆活動發(fā)生，隧道在埋深大于450 m且洞室圍巖巖體為完整性較好、干燥、巖石硬脆的洞段有產(chǎn)生低巖爆活動可能性。

(2)巖爆預測問題極為復雜，影響巖爆發(fā)生的因素很多，判別準則存在著片面性和局限性，預測結(jié)果可能會產(chǎn)生偏差，在應力判據(jù)中，根據(jù)理論預測結(jié)果與實際狀況對比分析后認為，陶振宇判別準則預測結(jié)果較符合該工程實際情況，建議在隧道施工過程中的巖爆預測以其為主要判據(jù)，同時輔以其他判據(jù)綜合分析，并根據(jù)實際巖爆情況修正巖爆預測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)異常情況及時采取有效措施解決問題。

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On forecasting the Questions of Rock-burst in the Jiuling Shan Deep and Long Highway Tunnel

ZHOU Long-mao1， GONG Yu-ling1， YANG Pu-ji2， YE Teng-fei1， Li Jian-hua2
(1.East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China;2.Nanzhang Institute of Technology，Nanchang，JX 330029，China)

Forecasting the rock-burst of the deep and long highway tunnel is helpful for tunnel design and construction，because rock-burst is harmful to tunneling engineerings and it is the one of main engineering geological problems in the deep and long highway tunnel.Two-phase engineering geological survey results of the Jiuling shan tunnel preliminary design and construction drawing design were studied.Engineering geological condition，rock mechanical properties and stress test results had been analyzed.It forecasted the rock-burst questions which may occur during the construction by using domestic and overseas varieties of rock burst criterions.The study results show that there is not serious rock-burst，but threr will be have a low rock burst activity in the depth of greater than 450m.

Jiuling shan;deep-seated tunnel;geostress;rock-burst;forecast

U456.3+3

A

1674-3504(2010)02-169-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.02.010

2010-03-15

周龍茂(1968—)，男，高級工程師，國家注冊土木工程師(巖土)。