金志仁， 徐文勝， 范海波， 王元漢

(1．湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000;2．華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

巖爆是高地應(yīng)力條件下隧道及地下洞室開挖中圍巖因卸荷而發(fā)生的巖片爆裂松脫、剝落、彈射的地質(zhì)災(zāi)害。在國內(nèi)外許多地下礦山工程、地下水電工程、鐵路、公路隧道中均有報道［1，2］。巖爆的發(fā)生直接威脅到施工過程，需要進行及時預(yù)測預(yù)報。

巖爆研究在理論分析、實驗研究、數(shù)值計算和現(xiàn)場測試等方面進行了許多工作，從強度理論、剛度理論、能量理論、巖爆傾向理論等提出了多種巖爆判據(jù)和分級方法［3～8］。其中困難的問題是實際工程中的預(yù)測預(yù)報。巖爆的預(yù)測預(yù)報分為長期趨勢預(yù)報和短期預(yù)報。長期預(yù)報對工程設(shè)計階段有指導(dǎo)意義，給出的是一個巖爆是否存在和級別大小的宏觀認識。短期預(yù)報對工程施工階段有現(xiàn)實意義。例如，一個長隧道開挖過程中，地應(yīng)力與巖性等地質(zhì)條件都在變化，有些地段可能有巖爆，而有些地段可能沒有。如何快捷、簡便、經(jīng)濟地進行巖爆的即時預(yù)測預(yù)報，是一個迫切和重要的任務(wù)。

本文進一步研究了改進的門塞式應(yīng)力恢復(fù)法，基于彈性力學(xué)原理推導(dǎo)了洞周切向應(yīng)力σθ的計算公式，確定了其中的應(yīng)力等效系數(shù)α。采用Russense巖爆判據(jù)，結(jié)合大廣南高速公路鄂贛隧道施工實際，有效進行了巖爆預(yù)測預(yù)報。

1 巖爆形成機制

地下巖體承受自重應(yīng)力和水平應(yīng)力而保持平衡，地下洞室開挖是圍巖的一個卸荷過程，引起洞壁附近巖體的徑向應(yīng)力σr的降低和切向應(yīng)力σθ的增加。由洞室最大切向應(yīng)力σθmax和巖石單軸抗壓強度Rc之比，提出的巖爆強度理論的概念簡明清晰，可以應(yīng)用于工程實際。用σθmax/Rc表示的不同的巖爆強度理論判別準(zhǔn)則和烈度劃分見表1。由表1可見，用σθmax/Rc表示的巖爆判據(jù)大體相同，僅在烈度劃分上有區(qū)別。為工程應(yīng)用方便起見，我們采用Russense判據(jù)。在采用巖爆判據(jù)時，首先要確定巖爆的兩個主要影響因素σθ和Rc。

2 巖爆的主要影響因素

2．1 巖石抗壓強度

巖石抗壓強度是反映巖石性質(zhì)的一個重要指標(biāo)。通常用巖石標(biāo)準(zhǔn)試件在材料試驗機上進行單軸壓縮確定。在施工現(xiàn)場，可直接選用現(xiàn)場巖塊，采用點荷載儀測定巖石點荷載強度，再用下式計算巖石抗壓強度 Rc［9］。

式中，Is(50)=Is·kd·kDd。其中，Is=P/D2，kd和kDd分別為尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)修正系數(shù)。

表1 用σθmax/Rc表示的不同巖爆強度理論判別準(zhǔn)則和烈度劃分

2．2 洞室周邊切向應(yīng)力

如圖1所示，設(shè)含中心圓孔的無限大體受遠處垂直荷載qv和水平荷載qh作用。它可看作僅受垂直荷載qv和僅受水平荷載qh兩種情形解的疊加。由彈性理論［10］，當(dāng)僅受垂直拉伸荷載qh時，孔周水平軸0°和垂直軸處90°的切向應(yīng)力分別為最大切向應(yīng)力和最小切向應(yīng)力:

當(dāng)僅受水平拉伸荷載qh時，孔周水平軸和垂直軸處的切向應(yīng)力分別為最小切應(yīng)力和最大切應(yīng)力:)

對于雙向荷載情形，由式(2)、(3)疊加得:)

如果 qv＞qh，則 σθ(0°)為最大切向應(yīng)力，如 qv＜qh，則 σθ(90°)為最大切向應(yīng)力。

圖1 受拉伸的含中心圓孔板

2．3 地應(yīng)力

由2．2節(jié)可知，孔邊周向應(yīng)力的計算取決于應(yīng)力場，對于地下洞室結(jié)構(gòu)的計算，要先確定地應(yīng)力的大小。產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜，其形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括:板塊邊界受壓，地幔熱對流，地球內(nèi)應(yīng)力，地心引力，地球旋轉(zhuǎn)，巖漿侵入，地殼非均勻擴容等。另外，溫度不均，水壓梯度，地表剝蝕或者其他物理化學(xué)變化等也會引起相應(yīng)的應(yīng)力場［11］。其中，重力應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場為其主要組成部分。

地殼中任意一點的自重應(yīng)力等于單位面積的上覆巖層的重量，即

其中γ為上覆巖層的容重;H為深度。

重力應(yīng)力為垂直方向應(yīng)力，它一般并不完全等于自重應(yīng)力。板塊移動，巖漿侵入，非均勻擴容，溫度不均，水壓梯度均引起垂直方向應(yīng)力變化。而水平方向的應(yīng)力計算有不同的理論模型。

靜水壓力假設(shè)認為地應(yīng)力是一種靜水應(yīng)力狀態(tài)，即

彈性力學(xué)理論認為地殼中任意一點的側(cè)向應(yīng)力是泊松效應(yīng)的結(jié)果，即

其中υ為上覆巖層的泊松比。

按照靜水壓力假設(shè)，水平方向的應(yīng)力和垂直方向應(yīng)力的比為1;按照彈性力學(xué)理論，當(dāng)υ為0～0．5時，水平方向的應(yīng)力和垂直方向應(yīng)力的比為0～1．0之間。實際上，地殼中水平方向的應(yīng)力和垂直方向應(yīng)力的比非常分散，并且水平方向的應(yīng)力普遍大于垂直方向應(yīng)力。

由以上分析可見，地應(yīng)力受多種因素的影響，形成了地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性。不同工程區(qū)域及不同工程地點的地應(yīng)力狀態(tài)不同。地應(yīng)力的大小和方向不可能通過數(shù)學(xué)計算或者模型分析來得到，唯一的方法是進行地應(yīng)力測量。

3 地應(yīng)力測量的應(yīng)力恢復(fù)法

現(xiàn)場地應(yīng)力測量方法很多，包括直接測量法和間接測量法［11］。其中，直接測量法包括:扁千斤頂法、剛性包體應(yīng)力計法、水壓致裂法等。間接測量法包括:套孔應(yīng)力解除法、局部應(yīng)力解除法、松弛應(yīng)變測量法、地球物理探測法等。這些方法通常費用較高，周期較長，難于應(yīng)用于隧道施工中巖爆的即時預(yù)測預(yù)報。

按照Russense巖爆判據(jù)和以上分析，問題歸結(jié)于洞室圍巖的地應(yīng)力場的確定。參照文獻［1］方法(圖2)，采用應(yīng)力恢復(fù)法進行，具體步驟為:

(1)在洞壁測試點安裝應(yīng)變花，測量其初始應(yīng)變值。

(2)鉆孔解除應(yīng)力，取下巖芯。用點荷載儀對巖芯進行加載，令豎直向應(yīng)變恢復(fù)到初始應(yīng)變，記錄荷載Pv，再將巖體轉(zhuǎn)動90°，用點荷載儀加載使其水平方向恢復(fù)到初始應(yīng)變值，記錄Ph。

圖2 改進型門塞式應(yīng)力恢復(fù)法示意

(3)應(yīng)變恢復(fù)中，作用在巖芯上的應(yīng)力分別為:

式中，L為點荷載儀墊片弦長，H為巖芯試樣長度。

(4)將應(yīng)變恢復(fù)法得到的qh和qv作為含圓孔巖體的垂直和水平地應(yīng)力，并令它們的比值為:)

當(dāng) λ≤1時，由公式(3)，(4)，(8)，可得最大切向應(yīng)力為:

定義應(yīng)力等效系數(shù)為:

則式(10)可寫為:

如果，λ≥1，由式(3)，(4)，(8)，可得最大切向應(yīng)力為:

這時定義應(yīng)力等效系數(shù)為:

則式(13)也可寫為式(12)的形式:

把以上兩種情況寫為統(tǒng)一的形式，應(yīng)力等效系數(shù)為:

則最大切向應(yīng)力為:

在文獻［1］中，給出了與式(17)類似的公式來計算二次應(yīng)力，其中的應(yīng)力等效系數(shù)α由實驗確定，而本文從彈性力學(xué)理論出發(fā)，推導(dǎo)出洞周切向應(yīng)力公式(17)，具有理論基礎(chǔ)與物理意義。同時，α取值隨水平和垂直地應(yīng)力比值的不同而不同。按照目前世界范圍內(nèi)地應(yīng)力實測的結(jié)果［12］，λ 的值一般為0．5 ～5．0，大多數(shù)在 0．8 ～1．5，這時α的值如圖3所示。

圖3 應(yīng)力等效系數(shù)α隨水平和垂直地應(yīng)力比λ的變化

4 鄂贛隧道的巖爆及時預(yù)測

鄂贛隧道是大廣南高速公路的關(guān)鍵工程之一。位于湖北省通山縣與江西省武寧縣交界處，隧道全長劃分為湖北、江西兩段，其中，湖北段長3010．19 m，最大埋深為718 m。

隧道穿越的主要巖體為侵入型斑狀二長花崗巖巖體，偶有石英巖脈、石英閃長巖脈侵入。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造受NE-SW向多期活動斷裂和橫向斷裂區(qū)域構(gòu)造線控制。本地區(qū)地應(yīng)力強度為中等地應(yīng)力地區(qū)，隧道穿越地層均為硬質(zhì)花崗巖，初步判斷施工中有可能發(fā)生巖爆，需要及時進行預(yù)測預(yù)防。

如前所述，在采用巖爆判據(jù)時，首先要確定巖爆的兩個主要影響因素σθ和Rc。其中Rc容易由點荷載儀測定。所以最主要的任務(wù)是確定地應(yīng)力 σθ。

為配合施工進行即時巖爆的預(yù)測，在每開挖70～80 m時布置一個巖爆測點。具體步驟如下:

(1)在洞壁測試點安裝 0°、45°、90°組成的應(yīng)變花，用應(yīng)變儀測量洞室垂直方向(90°方向)和沿水平方向(0°方向)和45°方向上的初始應(yīng)變值。

(2)用內(nèi)徑為50 mm的工程鉆解除應(yīng)力，取下長度為50 mm的巖芯。

(3)用點荷載儀配置墊片對巖芯試件加載(圖4)。先令應(yīng)變花位置與在洞室內(nèi)初始位置方向相同，加載至豎直方向應(yīng)變值恢復(fù)到應(yīng)力解除前的應(yīng)變值，記錄此時的點荷載儀讀數(shù)記為Pv。再轉(zhuǎn)動90°對巖芯進行加載(原0°方向)，至其恢復(fù)到初始應(yīng)變值Ph

(4)選取適當(dāng)試塊，用點荷載儀測定巖石點荷載強度。

圖4 用點荷載儀對巖芯試件加載進行應(yīng)力恢復(fù)

(5)試驗結(jié)果整理

以2009年4月25日進行的試驗為例。試驗地點為左洞ZK264+969，距離洞口為1007 m，埋深為350 m;右洞為 YK265+058，距離洞口為770．5 m，埋深為335 m。

試驗結(jié)果、計算結(jié)果和巖爆預(yù)測結(jié)果一并列于表2。

表2 巖爆試驗結(jié)果 計算結(jié)果和預(yù)測結(jié)果

將巖爆預(yù)測實驗結(jié)果與實際巖爆發(fā)生的統(tǒng)計情況對比，如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)我們的實驗預(yù)測與實際巖爆基本一致，并且是偏于安全的。結(jié)果表明，實驗預(yù)測方案對于實際的使用是具有指導(dǎo)意義的。

根據(jù)巖爆的及時預(yù)測結(jié)果，在施工中采取了相應(yīng)的防治措施:

(1)開挖后及時掛網(wǎng)，噴漿支護。

表3 巖爆預(yù)測與實際發(fā)生對照表

(2)在掌子面和洞壁經(jīng)常噴水，必要時打設(shè)超前應(yīng)力釋放孔。

施工實際表明，巖爆的及時預(yù)測及采取的相應(yīng)防治措施取得了良好的效果，保證了隧道施工的正常進行。鄂贛隧道于2010年3月全線順利貫通。

5 結(jié)語

(1)高應(yīng)力條件下隧道施工過程中巖爆的預(yù)測預(yù)防具有十分重要的意義。由于施工過程中地應(yīng)力、圍巖和支護條件的不斷變化，需要進行巖爆發(fā)生可能性的及時預(yù)測預(yù)報。探討簡便、經(jīng)濟、及時有效的巖爆預(yù)測方法是工程實際中需要解決的問題。

(2)本文改進了門塞式應(yīng)力恢復(fù)法，從彈性力學(xué)理論推導(dǎo)了洞室切向應(yīng)力的計算公式，確定了不同水平和垂直地應(yīng)力條件下的等效應(yīng)力計算公式，為將該方法應(yīng)用于工程實際奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

(3)將本文的方法應(yīng)用于大廣南高速公路鄂贛隧道的施工中的巖爆預(yù)測。由于該方法簡便、經(jīng)濟、及時，所以取得了良好的效果。故可以推廣到其他類似地下工程施工中的巖爆預(yù)測。

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