劉丹丹，王玉來，王俊杰

(1.黃河規(guī)劃勘測有限公司地質(zhì)勘探院，河南洛陽 471002;2.中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100029）

虹梯關(guān)隧道圍巖巖爆分析

劉丹丹1，王玉來2，王俊杰1

(1.黃河規(guī)劃勘測有限公司地質(zhì)勘探院，河南洛陽 471002;2.中交路橋技術(shù)有限公司，北京 100029）

虹梯關(guān)隧道隧址圍巖以硬質(zhì)巖為主，該隧道屬特長深埋隧道，其附近地質(zhì)構(gòu)造也十分發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，發(fā)生巖爆可能性很大。通過對巖爆影響因素的分析，采用水壓致裂法地應(yīng)力測試，經(jīng)陶振宇判別法、切應(yīng)力準(zhǔn)則等應(yīng)力判斷方法，認(rèn)為虹梯關(guān)隧道隧址部分地段可能會發(fā)生輕微～中等巖爆。

特長深埋隧道;巖爆;地應(yīng)力測試

0 引言

在高天然應(yīng)力的彈脆性巖體中，進行各種有目的的地下開挖工程時，由于開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用引起開挖周邊巖體中應(yīng)力高度集中，當(dāng)達到巖體所能承受的極限值時，造成瞬間大量彈性應(yīng)變能釋放，使圍巖發(fā)生急劇變形破壞和碎石拋落，并發(fā)生劇烈聲響、震動和氣浪沖擊的現(xiàn)象稱為巖爆。巖爆直接威脅著地下施工人員的生命安全，是地下工程中一種危害最大的地質(zhì)災(zāi)害。近幾十年來，隨著我國隧道建設(shè)逐漸向著“長、大、深、群”方向發(fā)展，巖爆對工程施工產(chǎn)生的影響和破壞已經(jīng)越來越嚴(yán)重，做好巖爆預(yù)測，從而進行預(yù)防治理顯得尤為重要。

1 隧道概況

虹梯關(guān)隧道位于山西省東南部，該隧道設(shè)計為左右線分離式，左線洞體全長13122 m，右線洞體全長13098 m，隧道最大埋深640 m，屬深埋特長隧道。

1.1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)地貌類型總體屬侵蝕低中山區(qū)。由于新生代以來構(gòu)造運動的差異性及出露巖性的不同，使其地貌特征復(fù)雜多變。主要以溶蝕侵蝕作用為主，山勢險峻，巖石堅硬，陡崖發(fā)育，形成峽谷。

擬建隧道穿越線圍巖多為中厚層、厚層灰?guī)r。山體海拔高程界于820～1610 m之間，設(shè)計路面高程894～1102 m之間。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)巖層為單斜緩傾地層，近褶皺、斷裂帶產(chǎn)狀變化大。燕山運動在本項目區(qū)內(nèi)活動強烈，其構(gòu)造變形主要表現(xiàn)為縱貫全區(qū)的由一系列褶皺、斷裂構(gòu)成的近南北構(gòu)造巖漿巖帶，對隧道有影響的構(gòu)造主要為虹梯關(guān)構(gòu)造褶皺帶，該帶北起轎頂山，向南經(jīng)虹梯關(guān)、亂石灘，軸跡走向總體上呈NNE5°～10°展布(詳見圖1）。

該構(gòu)造褶皺帶主要影響奧陶系馬家溝組地層，由于該構(gòu)造帶與隧道軸線近垂直相交，軸面近直立，兩翼產(chǎn)狀舒緩，構(gòu)造活動輕微，初步判斷對隧道圍巖分級影響不大。

2 地應(yīng)力測試

2.1 地應(yīng)力測試結(jié)果

為了解隧址區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)及其沿深度方向的分布趨勢，對XKZ127號鉆孔不同深度的完整段巖石進行了水壓致裂法地應(yīng)力測試。同時選擇4個壓裂段采用定向印模器進行破裂縫方向的測定。測試成果見表1。

圖1 隧址區(qū)構(gòu)造綱要圖

表1 XKZ127鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

圖2 XKZ127孔主應(yīng)力測值隨深度的變化關(guān)系

由以上可以看出，在測試范圍內(nèi)，應(yīng)力測值總體上隨深度的增加而增大。根據(jù)測試，該鉆孔的最大水平主應(yīng)力方向在N30°W～N5°W之間。該鉆孔布置于山坡，淺部最大水平主應(yīng)力基本與山體走勢平行，隨埋深的增加向NS向偏轉(zhuǎn)。最大水平主應(yīng)力方向與隧道軸線方向成大角度(約89°）斜交，對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。

2.2 測試成果分析

測試鉆孔在測試深度范圍內(nèi)(286.0～480.4 m），最大水平主應(yīng)力為10.0～15.2 MPa，最小水平主應(yīng)力6.1～9.2 MPa，鉛直應(yīng)力為7.7～13.0 MPa。通過擬合獲得水平主應(yīng)力值隨深度(H）變化關(guān)系見圖2。

通過對測試范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力(σH）和最小水平主應(yīng)力(σh）結(jié)果的線性回歸，可以得到體現(xiàn)主應(yīng)力與埋深關(guān)系的方程式:

3 隧址區(qū)巖爆分析

根據(jù)國內(nèi)外研究，普遍認(rèn)為引起巖爆的因素很多，影響因素復(fù)雜，如地層巖性、應(yīng)力狀態(tài)、洞室埋深、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、開挖斷面形狀、開挖方法等等。但眾多因素中，地層巖性和地應(yīng)力條件是產(chǎn)生巖爆的決定因素，只有具備了這2個條件，才有可能發(fā)生巖爆。下面就這2個因素對虹梯關(guān)隧道圍巖巖爆進行分析判別。

3.1 地層巖性分析

隧道圍巖主要巖性為灰?guī)r、白云巖，屬堅硬巖，圍巖級別Ⅲ級及Ⅲ級以上。地質(zhì)構(gòu)造較好，節(jié)理不發(fā)育，同時無較大的斷層水、裂隙水等。根據(jù)室內(nèi)巖石試驗成果資料，巖石單軸抗壓強度較高，為61.5～89.8 MPa，平均強度80 MPa，具備巖爆可能。本次勘察在XKZ126鉆孔隧道部位中取3組巖樣進行了巖體彈性應(yīng)變能系數(shù)試驗，試驗結(jié)果為79.1%～99.8%，彈性應(yīng)變能系數(shù)ω＞70%，說明圍巖脆性較高，隧道該部位產(chǎn)生巖爆的可能性較大。

3.2 地應(yīng)力條件分析

測試區(qū)域內(nèi)淺部巖體Rc/σmax一般大于7，依照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50218－94），巖體應(yīng)力量級為中等水平，而在隧道高程附近巖體Rc/σmax在6附近，為高應(yīng)力水平，產(chǎn)生巖爆可能性較大。本次巖爆地應(yīng)力條件分析，采用強度理論中普遍應(yīng)用的陶振宇判別法、Russenes判別法、Turchaninov判別法、切應(yīng)力判別法等4種判別法進行綜合評價。

3.2.1 圍巖巖爆地應(yīng)力判別法

3.2.1.1 陶振宇判別法

陶振宇判別法是把巖石的單軸抗壓強度Rc與地應(yīng)力(最大主應(yīng)力）σh的比值α=Rc/σ1作為一個衡量巖爆的重要指標(biāo)，在常用的巴頓判據(jù)的基礎(chǔ)上，更加細化了巖爆發(fā)生的等級范圍，提出了更能體現(xiàn)巖爆發(fā)生與否的標(biāo)準(zhǔn)。陶振宇判據(jù)指出在Rc/σh＞14.5，無巖爆;5.5＜Rc/σh＜14.5，弱巖爆;2.5＜Rc/ σh＜5.5，中等巖爆;Rc/σh＜2.5，強烈?guī)r爆。

3.2.1.2 Russenes判別法

Russenes巖爆判別法是根據(jù)洞室的最大切向應(yīng)力σθ與巖石點荷載強度Is的關(guān)系，建立了巖爆烈度關(guān)系圖。把點荷載強度Is換算成巖石的單軸抗壓強度Rc，并根據(jù)巖爆烈度關(guān)系圖判別有無巖爆發(fā)生。其判別關(guān)系如下:σθ/Rc＜0.20，無巖爆;0.20≤σθ/ Rc＜0.30，弱巖爆;0.30≤σθ/Rc＜0.55，中巖爆;σθ/ Rc≥0.55，強巖爆。

3.2.1.3 Turchaninov判別法

Turchaninov巖爆判別法是根據(jù)科拉島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗，提出了巖爆活動性由洞室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL之和與巖石單軸抗壓強度Rc之比值確定:(σθ+σL）/Rc≤0.3，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(yán)重巖爆。

3.2.1.4 切應(yīng)力判別法

王元漢根據(jù)Russenes，Turchan inov，H oek等人的經(jīng)驗判據(jù)，考慮硐室的最大切向應(yīng)力和巖石的單軸抗壓強度比的影響，提出了關(guān)于σθ/Rc的巖爆判據(jù)。當(dāng)σθ/Rc＜0.3時，無巖爆;當(dāng)0.3＜σθ/Rc＜0.5時，弱巖爆;當(dāng)0.5＜σθ/Rc＜0.7時，中巖爆; σθ/Rc＞0.7時，有強巖爆活動發(fā)生。

3.2.2 圍巖巖爆判別結(jié)果分析

隧道最大測試深度約為480 m，小于隧道最大埋深610 m，因此，隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析過程中需對隧道埋深較大、測試空白區(qū)的洞身段應(yīng)力值采取一定的外延。由于測孔附近地層相對穩(wěn)定，無明顯構(gòu)造，因此根據(jù)測試結(jié)果，建立隧道圍巖的應(yīng)力場量值式:

以上各種巖爆預(yù)測分析中，因為實際上地應(yīng)力方向與隧道洞軸并不呈正交，因此根據(jù)實測的最大、最小水平主應(yīng)力值及其方向以及垂直方向應(yīng)力值，按下式計算隧道橫斷面上的應(yīng)力分量:

式中:(σθ）頂、(σθ）邊——隧道洞頂和邊墻中點的切向應(yīng)力。

上述判別方法給出了已知應(yīng)力狀況和圍巖力學(xué)參數(shù)推斷圍巖是否發(fā)生巖爆以及巖爆級別的標(biāo)準(zhǔn)。在本文下面的分析中，將式(2）代入式(3）經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，代入式(4）求得隧道圍巖的切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，Rc取80 MPa然后求得各判別方法的結(jié)果如表2所示。

由于該隧道最大埋深為610m左右，綜合以上

式中:σH、σh——水平最大、最小主應(yīng)力;σH'、σL——分別為垂直、平行隧道軸線的水平應(yīng)力; α——σH與σH之間夾角。

隧道周邊圍巖切向應(yīng)力以圓形洞近似估算，洞頂和邊墻中點的應(yīng)力狀態(tài)為:巖爆預(yù)測分析結(jié)果，對于硬質(zhì)脆性巖類地段的圍巖，在隧道埋深＜113 m時，不會發(fā)生巖爆，埋深在113～350 m范圍，有巖爆發(fā)生的可能或發(fā)生輕微巖爆，埋深＞350 m會發(fā)生中等巖爆。因此，在隧道設(shè)計時應(yīng)根據(jù)隧道巖爆強度等級采取有效的防治措施。

表2 巖爆判別表

根據(jù)隧道圍巖分級對易發(fā)生巖爆的區(qū)段進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表3、表4。

表3 隧道左線易發(fā)生巖爆區(qū)段

4 結(jié)論

隧址區(qū)最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，方向為NS向，測試結(jié)果為3.7～15.2 MPa，巖體應(yīng)力量級為中等～高應(yīng)力水平;在隧道埋深小于113 m時，不會發(fā)生巖爆，埋深在113～350 m范圍，有巖爆發(fā)生的可能或發(fā)生輕微巖爆，埋深超過350 m會發(fā)生中等巖爆，應(yīng)采取有效的防治措施。

表4 隧道右線易發(fā)生巖爆區(qū)段

［1］劉佑容，唐明輝.巖體力學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.164－167.

［2］鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.566－571.

［3］將麗麗，林從謀，李偉.深埋長大公路隧道巖爆機理及其評判方法［J］.山西建筑，2011，37(7）:137－138.

［4］李永松，陳建平，尹健民.搶風(fēng)嶺隧道圍巖地應(yīng)力場研究及巖爆預(yù)測分析［J］.人民長江，2011，42(7）:15－18.

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Analysis on Rockburst of Hongtiguan Tunnel Surrounding Rock

LIU Dan-dan1，WANG Yu-lai2，WANG Jun-jie1(1.Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471002，China;2.China Communication Road and Bridge Co.，Ltd.，Beijing 100029，China）

The surrounding rock in Hongtiguan tunnel is mainly hard rock，which is an extra long and deep buried tunnel.The geological structure around the tunnel is developed very well，engineering geological conditions are complicated and there is great possibility for rockburst.Through the analysis on influencing factors of rockburst，hydrofracturing method，Taozhenyu method，shear stress criterion were used to test ground stress，the results show that there are occurrance possibilities of weak-moderate rockbursts in this tunnel.

extra long and deep buried tunnel;rockburst;ground stress test

U452.1+2

:A

:1672－7428(2012）10－0072－04

2012－05－21

劉丹丹(1986－），女(漢族），河南洛陽人，黃河規(guī)劃勘測有限公司地質(zhì)勘探院，地質(zhì)工程專業(yè)，從事工程勘察工作，河南省洛陽市瀍河區(qū)啟明西路34號院，baoyai@163.com。