衛(wèi)建昌 崔宏文

1 工程概況

隨著我國西部大開發(fā)進程的加快，在地形地貌及地質(zhì)背景復(fù)雜、陸路交通網(wǎng)密度低于全國平均水平的西部地區(qū)，在鐵路、公路、水電等領(lǐng)域?qū)藿ǜ嗟乃淼拦こ?，大埋深隧道將?21世紀我國隧道工程發(fā)展的總趨勢，在隧道勘察中，必須對開挖可能遭遇的巖爆等地質(zhì)災(zāi)害做出預(yù)測及合理的防治措施。大巴山隧道為萬源(陜川界)—達州(徐家壩)高速公路關(guān)鍵性控制工程，起點位于陜西省鎮(zhèn)巴縣巴山鄉(xiāng)路家河，終點位于四川省萬源市梨樹鄉(xiāng)大竹林村南約 100m。里程樁號:ZK 0+000～ZK6+125.00，隧道左線全長 6 125m，洞凈寬 12.25m，洞凈高 7.00m，軸線方位角40°。隧道埋深大于 400m的段落約 2.7 km，洞室穿越的巖性為硅質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)砂巖，穿越 5條疊瓦式斷層和7個褶皺，隧道處于高地應(yīng)力區(qū)，開挖時存在發(fā)生巖爆的可能性。

2 地應(yīng)力測試與分析

為了評價該隧道穿越區(qū)段的地應(yīng)力情況，在隧道勘察時，布置地應(yīng)力測試孔 2個，分別在 CZK 3，ZK4鉆孔中進行。

表1 鉆孔水壓致裂原地應(yīng)力測量結(jié)果

2.1 主應(yīng)力值的測試

CZK3孔巖芯主要為硅質(zhì)白云巖，鉆孔位于F4盧家坪—蓮花池逆斷層和源灘—蓮花池主背斜附近，ZK 4孔于隧洞出口段的張家坪—簸箕灣向斜核部附近。主應(yīng)力值測試是根據(jù)鉆探巖芯選取，共選取了 10個測段，并在其中 5個測點進行了地應(yīng)力方向的測量。由重張壓力和閉合壓力計算各測段處的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力值。測量與計算結(jié)果見表 1。

2.2 主應(yīng)力方向的測試

按照水壓致裂應(yīng)力測量的基本原理，水壓致裂所產(chǎn)生的破裂面的走向就是最大水平主應(yīng)力(SH)的方向。為確定該孔的主應(yīng)力方向，根據(jù)壓裂測試曲線形態(tài)，CZK 3選定了 402.74m～403.54m，509.22m～510.02m和 538.26m～539.06m三個測段、ZK4選擇376.29m～376.89m和 479.12m～479.72m兩個測段進行了印模測量，破裂形態(tài)均為直立裂縫，計算求得破裂面的方向分別為NE71°，NE62°，NE64°，NE 35°和 NE47°。 測試結(jié)果反映了隧址附近最大水平主應(yīng)力(SH)的優(yōu)勢方向為 NEE。

2.3 地應(yīng)力測試結(jié)果分析

測試深度范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力值為 4.7MPa～19.60MPa，最小水平主應(yīng)力值為 3.7MPa～9.60MPa。由 509.22m～510.02m，538.26m～539.26m測段的測值可以看出，洞身附近現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力量值為 19.09 MPa～19.60 MPa，最小水平主應(yīng)力值為11.39MPa～11.60MPa。主應(yīng)力與深度的關(guān)系呈現(xiàn)為:應(yīng)力隨深度增加而增大。三項主應(yīng)力的關(guān)系:按照水壓致裂應(yīng)力測量的基本理論，垂直主應(yīng)力可以按其上覆巖層的重力進行估算。根據(jù)巖石的平均容重，取 2.60 g/cm3，則測試鉆孔深度域內(nèi)的應(yīng)力關(guān)系為:SH＞Sv＞Sh。

3 地應(yīng)力測量結(jié)果在工程中的應(yīng)用

由兩個鉆孔的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，隧址區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為 NE35°～NE71°，優(yōu)勢方向為 NE56°。隧道軸線方向為NE40°。最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線方向之間的夾角較小，對擬建隧道穩(wěn)定性的影響不大。結(jié)合實測的地應(yīng)力結(jié)果，對隧道施工中可能的巖爆問題進行初步的分析和討論。

3.1 利用切向應(yīng)力準則

隧道處于高地應(yīng)力環(huán)境中，結(jié)構(gòu)完整的硬、脆性圍巖，開挖后，切應(yīng)力(σθ)達到或接近圍巖的單軸抗壓強度，在其他因素的誘發(fā)下，圍巖以巖爆形式失穩(wěn)。根據(jù)切向應(yīng)力準則，將圍巖的切向應(yīng)力(σθ)與巖石的抗壓強度(Rc)之比作為判斷巖爆的等級劃分原則:

σθ/Rc＜0.3，無巖爆活動;σθ/Rc介于 0.3～ 0.5間，輕微巖爆;σθ/Rc介于 0.5～ 0.7間，中等巖爆;σθ/Rc＞0.7，強烈?guī)r爆。

利用上述方法得出ZK4孔洞身附近隧道橫截面的正應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為:16.57MPa和 14.56MPa。計算結(jié)果見表 2。

表2 切向準則應(yīng)力的計算參數(shù)和計算結(jié)果

從表 2中的計算結(jié)果可以看出，在相應(yīng)的埋深條件下，隧道在通過 CZK 3孔和ZK 4孔附近時，由于硐室的開挖，硐壁周邊將產(chǎn)生應(yīng)力集中，存在發(fā)生輕微～中等巖爆的可能性。

3.2 谷—陶巖爆判據(jù)分級

根據(jù)谷明城、陶振宇在前人(Barton，Russens，Turchninov)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)眾多深埋隧道的施工經(jīng)驗，如二郎山隧道、秦嶺鐵路隧道等，提出判斷發(fā)生巖爆等級的劃分原則(見表 3)。

表3 巖爆等級的劃分原則

表4 谷—陶巖爆分析的計算參數(shù)和計算結(jié)果

從表 4中的計算結(jié)果可以看出，在相應(yīng)的埋深條件下，隧道在通過CZK 3孔和ZK 4孔附近時，存在發(fā)生中等級巖爆的可能性。綜上所述，隧道在開挖時，由于巖體中存在較高的地應(yīng)力，存在發(fā)生巖爆的可能性。

4 巖爆臨界埋深計算

隧道洞身穿越大量砂巖、石灰?guī)r、白云巖及硅質(zhì)白云巖等硬質(zhì)巖地層，具備了發(fā)生巖爆的巖性條件。根據(jù)硅質(zhì)白云巖飽和單軸抗壓強度平均值Rc=91.8MPa時，計算臨界埋深:

其中，Rc為巖石單軸抗壓強度;r為圍巖重度;u為泊松比。

計算的臨界深度為 406.5m，而隧道越嶺段埋深一般為 400m～600m，最大埋深近 740m，均超過可能發(fā)生巖爆的臨界埋深，具備發(fā)生巖爆的埋深條件。綜合評判該隧道存在發(fā)生輕微 ～中等巖爆的可能性，施工中應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防和處置措施。

5 結(jié)語

根據(jù)CZK 3孔和ZK 4孔的地應(yīng)力測試結(jié)果，對隧道的地應(yīng)力評價結(jié)論如下:

1)地應(yīng)力測值隨著孔深的變化呈現(xiàn)逐漸增大的規(guī)律性。2)三項主應(yīng)力的關(guān)系:洞身附近三項主應(yīng)力的關(guān)系即 SH＞Sv＞Sh。3)洞身附近的地應(yīng)力狀態(tài)以區(qū)域應(yīng)力作用為主。最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NE56°。與隧道走向的夾角較小，有利于洞室的穩(wěn)定。 4)根據(jù)數(shù)據(jù)分析，隧道在 ZK 1+250～ZK1+430，ZK 1+850～ZK1+940，ZK 2+020～ ZK 2+325，ZK3+095 ～ ZK 3+330，ZK 3+790～ZK4+370段，埋深較大(大于 400m)，有發(fā)生輕微 ～中等巖爆的可能。

經(jīng)過長期工程實踐總結(jié)，巖爆最有可能發(fā)生的部位:1)不同巖石分界處;2)壓性斷裂帶附近，尤其是隧道通過埋深較大而巖石強度較高且比較完整的洞段。初步探索出一些操作性較強的巖爆控制手段如:1)改善圍巖物理性質(zhì)，即爆破后向掌子面及附近噴灑高壓水;2)合理施工方法，采用“短進尺、弱巖爆”，嚴格控制炮眼利用率，可以降低巖爆發(fā)生頻率。

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