王永福

(中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

高原地區(qū)高地應(yīng)力隧道巖爆預(yù)判方法

王永福

(中鐵二十一局集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

盆因拉隧道是新建拉薩至日喀則鐵路的關(guān)鍵性控制工程，在盆因拉隧道的施工時(shí)巖爆頻發(fā)。對(duì)隧道巖爆地質(zhì)段的巖性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別采用巖石彈性應(yīng)變指數(shù)、最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變指標(biāo)、強(qiáng)度脆性系數(shù)等指標(biāo)對(duì)巖爆傾向進(jìn)行了預(yù)測(cè)，可對(duì)工程施工予以指導(dǎo)。

高原 深埋長(zhǎng)大隧道 地應(yīng)力 動(dòng)力失穩(wěn) 巖爆預(yù)判

由中鐵二十一局承建的拉薩至日喀則鐵路TJ5標(biāo)盆因拉隧道全長(zhǎng)10 410 m，最大埋深1 080 m。該隧道洞身巖體存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，處于高地應(yīng)力區(qū)，被列為重大危險(xiǎn)源。由于巖爆發(fā)生時(shí)間、位置具有不確定性，如何有效地預(yù)判巖爆成為盆因拉隧道快速、安全施工的關(guān)鍵。中鐵二十一局拉日鐵路指揮部進(jìn)行了高原地區(qū)高地應(yīng)力隧道巖爆地段施工技術(shù)攻關(guān)，使整個(gè)施工過程均處于受控狀態(tài)，并提高了巖爆區(qū)域隧道的施工作業(yè)效率。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪研究，盆因拉隧道及斜井通過區(qū)出露的地層為燕山期閃長(zhǎng)巖，局部地表覆蓋0～3 m的粗、細(xì)角礫土。其中燕山期閃長(zhǎng)巖以青灰色、淺灰色為主，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀或碎塊狀構(gòu)造。其礦物主要成分為角閃石、石英、長(zhǎng)石、黑云母等，巖體致密、堅(jiān)硬，局部夾石英巖脈，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整。強(qiáng)風(fēng)化層厚1～5 m，Ⅳ級(jí)軟石，Ⅳ ～Ⅴ級(jí)圍巖，σ0=500 kPa。弱風(fēng)化層，Ⅵ級(jí)堅(jiān)石，Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖為主，局部為Ⅳ級(jí)圍巖，σ0=800 kPa。

1.2 工程地質(zhì)構(gòu)造

線路走行于岡底斯 念青唐古拉板塊(南緣)、喜馬拉雅板塊(北緣)和兩者之間的雅魯藏布江縫合帶，呈近東西向展布。印度板塊在新生代早期(漸新世—中新世)完成了雅魯藏布江縫合帶的拼合后，仍在向北運(yùn)動(dòng)，使得本區(qū)仍存在整體抬升、斜掀和差異性的上升運(yùn)動(dòng)，因此所在地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍。

1.3 區(qū)域地應(yīng)力特征

盆因拉隧道位于雅魯藏布江峽谷區(qū)，地應(yīng)力有明顯的重分布現(xiàn)象，從谷坡至山體內(nèi)部，可分為應(yīng)力釋放帶、應(yīng)力集中帶、應(yīng)力穩(wěn)定帶。該隧道在雅江河谷呈近東西向展布。由于線路走向與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線近于平行，最大主應(yīng)力、斜坡應(yīng)力集中帶，傍山偏壓，深埋等特點(diǎn)對(duì)隧道工程的設(shè)置及圍巖的穩(wěn)定不利。

2 地應(yīng)力測(cè)試及分析

2.1 鉆孔圍巖應(yīng)力狀態(tài)

采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試時(shí)，對(duì)巖體作了下列假定:圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體;圍巖為多孔介質(zhì)，注入的流體按達(dá)西定律在巖體孔隙中流動(dòng)。另外，當(dāng)鉆孔為鉛直方向時(shí)(如本次測(cè)試孔)，假定鉛直向應(yīng)力(主應(yīng)力之一)大小等于上覆巖層的自重壓力，則水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試的力學(xué)原理可以簡(jiǎn)化為彈性平面問題［1-2］。

2.2 測(cè)試步驟

在進(jìn)行水壓致裂測(cè)試之前，必須對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查，包括巖芯獲得率RQD、透水率ω、鉆孔傾斜度等。然后根據(jù)工程的需要選擇合適的壓裂段。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)每根加壓鉆桿進(jìn)行密封檢驗(yàn)。水壓致裂法測(cè)試步驟如下:

1)坐封。通過鉆桿將2個(gè)可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段加壓使其膨脹、坐封于孔壁上，形成承壓段空間。

2)注水加壓。通過鉆桿推動(dòng)轉(zhuǎn)換閥后，液壓泵對(duì)壓裂段注水加壓(此時(shí)封隔器壓力保持不變)，鉆孔孔壁承受逐漸增強(qiáng)的液壓作用。

3)巖壁破裂。在足夠大的液壓作用下，孔壁沿阻力最小的方向出現(xiàn)破裂，該破裂將在垂直于截面上最小主應(yīng)力平面內(nèi)延伸。當(dāng)泵壓上升到臨界破裂壓力后，由于巖石破裂導(dǎo)致壓力值急劇下降。

4)關(guān)泵。關(guān)閉壓力泵，隨著壓裂液滲入到巖層，泵壓緩慢下降。當(dāng)壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態(tài)時(shí)的壓力，稱為瞬時(shí)關(guān)閉壓力。

5)卸壓。打開壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄為0。

6)重張。按以上2～5步驟連續(xù)進(jìn)行多次加壓循環(huán)，以便取得合理的壓裂參數(shù)，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過程。

7)解封。壓裂完畢后，通過鉆桿拉動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，使封隔器內(nèi)液體通過鉆桿排除，此時(shí)封隔器收縮恢復(fù)原狀，即封隔器解封。

8)破裂縫方向記錄。采用定向印模器，通過擴(kuò)張印模筒外層的生橡膠和能自動(dòng)定向的定向器記錄破裂縫的長(zhǎng)度和方向。

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

地應(yīng)力測(cè)試工作在盆因拉隧道2#橫洞的地應(yīng)力鉆孔內(nèi)進(jìn)行，采用水壓致裂法。測(cè)試部位布置于鉆孔巖芯較完整部位。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在2012年10月完成，共成功獲得3個(gè)測(cè)段壓裂資料、1個(gè)測(cè)段印模資料。

地應(yīng)力鉆孔布置在盆因拉隧道2#橫洞 H5+50處，孔深30 m，測(cè)試時(shí)水位在孔口?？變?nèi)巖芯為閃長(zhǎng)巖，全孔巖芯整體較完整，局部略破碎。鉆孔部位山頂高程約4 340 m，孔口高程約3 790 m，測(cè)孔部位埋深約550 m。實(shí)測(cè)結(jié)果如表1。

表1 盆因拉隧道2#橫洞水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由表1可知，已取得的3個(gè)測(cè)點(diǎn)可以代表該處巖體應(yīng)力狀態(tài)。最大水平主應(yīng)力為24.7～27.4 MPa，平均為25.6 MPa;最小水平主應(yīng)力為14.6～15.4 MPa，平均為14.9 MPa;鉛直應(yīng)力σz平均為15.5 MPa。

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和隧道設(shè)計(jì)資料分析，盆因拉隧道該處埋深為530 m，附近的最大應(yīng)力分布特征一般以 σH≥σz＞σh為主，部分為 σz≥σH＞ σh，σH與σz值相差＞15 MPa，因此判斷該隧道埋深超過530 m以上的巖體均處于高地應(yīng)力狀態(tài)［3-4］。

3 巖石物理力學(xué)性能測(cè)定

3.1 巖芯制備

本次試驗(yàn)全部巖樣用HQM-1型巖芯切磨機(jī)加工成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的圓柱體，兩端切磨平整且與圓柱體軸線垂直，兩端面的不平行度＜0.015 mm。使用 SG-3型恒溫箱，采用90℃以下溫度烘24 h，然后將樣品取出放入干燥皿(底部放有吸濕硅膠)中自然冷卻。將烘干巖芯沿長(zhǎng)軸方向0°和90°的2個(gè)位置，用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量巖芯長(zhǎng)度，取其平均值作為巖芯的有效長(zhǎng)度。在巖芯周向上，用同樣的方法和儀器測(cè)量其直徑，取其平均值作為巖芯的有效直徑。

3.2 巖石單軸壓縮試驗(yàn)

單軸抗壓試驗(yàn)按照規(guī)范分別對(duì)盆因拉隧道2#橫洞、正洞DK138+020，DK138+300處巖樣進(jìn)行了干燥和飽和條件下的測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)有彈性模量、泊松比、縱橫波波速、應(yīng)力值等，結(jié)果見表2。

3.3 單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)

本次巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)通過軸向壓力控制，試驗(yàn)加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強(qiáng)度80%左右的時(shí)候卸載，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

4 巖爆傾向性分析

4.1 巖石彈性應(yīng)變能指數(shù)

巖石試樣彈性應(yīng)變能計(jì)算如圖1所示。從理論上講，在試驗(yàn)中應(yīng)從巖石的峰值強(qiáng)度點(diǎn)開始卸載，以求算彈性應(yīng)變能指數(shù) Wet，但由于試驗(yàn)時(shí)難以控制到峰值點(diǎn)，所以巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度確定卸載荷載。一般先將樣品加載到單軸抗壓強(qiáng)度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強(qiáng)度的5%，根據(jù)加卸載曲線計(jì)算卸載時(shí)釋放的彈性變形能量與耗散的能量之比，計(jì)算彈性應(yīng)變能指數(shù)。

根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)加卸載曲線可以得到Wet

表2 拉日鐵路盆因拉隧道單軸試驗(yàn)測(cè)試

表3 巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)結(jié)果

圖1 巖石試樣彈性應(yīng)變能計(jì)算示意

計(jì)算公式如下

式中:Ee為峰值荷載前的彈性變形儲(chǔ)能(變形后儲(chǔ)存的最大彈性應(yīng)變能);Ep為由塑性變形和內(nèi)部微破裂而消耗的能量(損耗的應(yīng)變能);f(ε)，f1(ε)分別為加載、卸載曲線;εt，εe，εp分別為總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究結(jié)果表明，Wet值越大，巖石破壞的強(qiáng)度越大，釋放的能量也就越多，因此可以很好地反映巖爆的可能性及烈度。用Wet判別巖石巖爆傾向性的標(biāo)準(zhǔn)為:Wet≥5.0，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向;3.5≤Wet＜5.0，中等巖爆傾向;2.0≤Wet＜3.5，弱巖爆傾向;Wet＜2.0，無(wú)巖爆傾向［5-6］。

本次巖石單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)通過軸向壓力控制，試驗(yàn)加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強(qiáng)度80%左右的時(shí)候卸載。試驗(yàn)結(jié)果如表4，從中可以看到，巖體在壓縮過程中儲(chǔ)存的能量主要為彈性能 Ee，卸載后儲(chǔ)存在巖石中的應(yīng)變能仍然較高。由表4可以得出盆因拉隧道2#橫洞及正洞有中等—強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

表4 巖石彈性應(yīng)變能計(jì)算結(jié)果

4.2 最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)

巖石儲(chǔ)存的最大彈性應(yīng)變能Es可由巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rb與巖石的彈性模量E計(jì)算，公式為

按最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)Es判別巖爆傾向性強(qiáng)烈程度的標(biāo)準(zhǔn)如下［7］:Es＜0.20 MJ/m3，無(wú)巖爆傾向;0.20≤Es＜0.50 MJ/m3，微弱巖爆傾向;0.50≤Es＜0.75 MJ/m3，中等巖爆傾向;Es≥0.75 MJ/m3，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 巖石試樣最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能計(jì)算結(jié)果

4.3 強(qiáng)度脆性系數(shù)法

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rb與抗拉強(qiáng)度Rt之比稱為強(qiáng)度脆性系數(shù)B，它反映了巖石的脆性程度。計(jì)算公式為

國(guó)內(nèi)外已有研究表明［7-8］:B≥40.0，無(wú)巖爆傾向;26.7≤B ＜40.0，弱巖爆傾向;14.5≤B ＜26.7，中等巖爆傾向;B＜14.5，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，依據(jù)巖石脆性指標(biāo)，進(jìn)行盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石脆性系數(shù)B的計(jì)算，結(jié)果見表6。由表6可知，無(wú)論干燥還是飽和狀態(tài)下，盆因拉隧道2#橫洞和正洞均有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

表6 巖石試樣強(qiáng)度脆性系數(shù)B計(jì)算結(jié)果

4.4 變形脆性系數(shù)法

巖石的峰值強(qiáng)度前的總變形與峰值強(qiáng)度前的永久變形或塑性變形之比稱為變形脆性系數(shù)，變形脆性系數(shù)Ku的計(jì)算公式為

式中:U為巖石峰值強(qiáng)度前的總變形;U1為巖石峰值強(qiáng)度前的永久變形或塑性變形。

國(guó)內(nèi)外已有研究表明［7-10］:Ku≤2.0，無(wú)巖爆傾向;2.0≤Ku＜6.0，弱巖爆傾向;6.0≤Ku＜9.0，中等巖爆傾向;Ku≥9.0，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

試驗(yàn)時(shí)，一般先將樣品加載到單軸抗壓強(qiáng)度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強(qiáng)度的5%，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的巖石峰值強(qiáng)度前的總變形與峰值強(qiáng)度前的永久變形或塑性變形。對(duì)盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石變形脆性系數(shù)Ku進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 巖石試樣變形脆性系數(shù)Ku計(jì)算結(jié)果

5 巖爆預(yù)判

Barton將巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rb與最大地應(yīng)力σH的比值作為預(yù)測(cè)巖爆的判據(jù)，并認(rèn)為 Rb/σH≥5時(shí)無(wú)巖爆發(fā)生2.5≤Rb/σH＜5.0時(shí)有輕微—中等巖爆發(fā)生，Rb/σH＜2.5時(shí)有嚴(yán)重巖爆發(fā)生。

采用Barton判據(jù)對(duì)隧道圍巖巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明:盆因拉隧道將發(fā)生輕微～中等巖爆。預(yù)測(cè)結(jié)果如表 8 所示［11］。

表8 Barton判據(jù)(Rb/σH)預(yù)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

針對(duì)拉日鐵路盆因拉隧道的地質(zhì)特征，在施工中對(duì)可能出現(xiàn)巖爆的地段提前預(yù)判，采用理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的手段，判定掌子面前方一定范圍內(nèi)巖爆發(fā)生的可能性。主要結(jié)論如下:

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)水壓致裂試驗(yàn)，最大主壓應(yīng)力實(shí)測(cè)值(埋深為550 m)為24.7～27.4 MPa。

2)盆因拉隧道圍巖以花崗巖、閃長(zhǎng)巖為主，巖石存在不同程度蝕變，巖石為硬脆性。

3)根據(jù)巖石的彈性應(yīng)變能指數(shù)進(jìn)行巖爆的傾向性分析，巖石存在中等～強(qiáng)烈?guī)r爆傾向;依據(jù)最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能判斷，巖石有微弱巖爆傾向;依據(jù)巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)判斷，巖石有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向;根據(jù)巖石變形脆性系數(shù)Ku判斷，巖石有中～強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。Barton判據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與傾向性分析結(jié)果一致，為現(xiàn)場(chǎng)采取防護(hù)措施提供了依據(jù)。

［1］長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院．盆因拉隧道地應(yīng)力測(cè)試研究報(bào)告［R］．武漢:長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2012．

［2］李焯芬，王可鈞．高水平地應(yīng)力對(duì)巖石工程的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996，15(1):26-31．

［3］梁圣彬，陽(yáng)文通．巖爆形成的力學(xué)機(jī)理與施工防治淺談［J］．重慶建筑，2009(2):37-40．

［4］天斌，肖學(xué)沛．地下工程巖爆預(yù)測(cè)的綜合集成方法［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2008(5):97-104．

［5］唐春安．巖石的破裂、失穩(wěn)及巖爆［C］//王思敬，楊志法，傅冰駿．中國(guó)巖石力學(xué)與工程世紀(jì)成就．南京:河海大學(xué)出版社，2004:324-335．

［6］谷明成．秦嶺隧道巖爆的研究［J］．水電工程研究，2001(3/4):19-26．

［7］呂慶，孫紅月，尚岳全，等．深埋特長(zhǎng)公路隧道巖爆預(yù)測(cè)綜合研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(16):2982-2988．

［8］王文，任光明，左三勝，等．深埋長(zhǎng)大隧道圍巖分類評(píng)價(jià)的探討與應(yīng)用［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1997，8(4):14-21．

［9］杜旭妹，王旭，蔣鵬程，等．富地表水淺埋暗挖隧道圍巖穩(wěn)定性分析［J］．鐵道建筑，2013(12):35-38．

［10］彭愛紅，張小雷，黃紅元，等．巖爆地段隧道施工技術(shù)研究［J］．鐵道建筑，2013(12):52-54．

［11］周瑞忠．巖爆發(fā)生的規(guī)律和斷裂力學(xué)機(jī)理分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17(6):111-117．

Prognosis method of rockburst in tunnel with high geostress in plateau areas

WANG Yongfu

(China Railway 21th Bureau Group Corporation，Xianyang Shaanxi 712000，China)

The PenYinLa Tunnel is a key project of the new Lhasa-Shigatse Railway．The Rockburst occurred frequently during the construction．The lithology analysis was conducted with a field test and a lab test．Based on the test results，three parameters were used to predict the rockburst:the index of rock elastic strain，the index of the maximum storage of elastic strain and the brittleness coefficient．This prediction can be applied to the engineering construction．

Plateau;Deeply-buried long tunnel;Crustal stress;Dynamic instability;Rockburst prediction

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．06

1003-1995(2014)10-0022-05

2014-06-15;

2014-08-20

王永福(1986— )，男，河南洛陽(yáng)人，助理工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)