鄧　偉， 劉成禹， 李紅軍， 郭志武

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶　401123； 2. 福州大學， 福建 福州　350116；

3. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽　471009)

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烏茲別克斯坦甘姆奇克隧道巖爆特點及其形成機制

鄧偉1， 劉成禹2， 李紅軍3， 郭志武3

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶401123； 2. 福州大學， 福建 福州350116；

3. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽471009)

摘要：在總結烏茲別克斯坦安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆特點的基礎上，結合隧道工程地質條件，對巖爆的發(fā)生機制進行分析。研究表明： 甘姆奇克隧道的巖爆主要是由于本隧道的花崗閃長巖和正長斑巖屬脆性圍巖及圍巖內賦存很高的水平向構造殘余應力引起的； 隧道在埋深僅40 m的條件下就發(fā)生巖爆，且?guī)r爆發(fā)生在拱頂—拱腰段，主要是由于與隧道軸線接近垂直的水平向地應力為最大主應力的緣故；該隧道的巖爆按形成機制可分為完整巖體的薄片狀彈射、近水平向層狀巖體折斷崩落、巖塊崩出+周邊圍巖塌落和邊墻板狀巖體折斷崩出4種模式。

關鍵詞：隧道； 巖爆； 形成機制； 構造殘余應力

0引言

巖爆是在硬脆巖體內，由于洞室埋深大或地殼運動使巖體中的應變能產生大量聚集，形成很高的初始應力，在施工過程中，聚集在巖體中的應變能突然釋放，巖體發(fā)生猛烈的脆性失穩(wěn)和彈射的現象[1-3]。巖爆直接威脅施工人員和設備的安全，影響施工進度，已成為世界性的地下工程難題之一[4]。

目前深部巖石工程越來越多，隨著埋深的增大，巖體賦存的地質環(huán)境更為復雜，地應力更高，巖爆也更加突出和嚴重[5]。因此，對巖爆的控制技術進行深入研究具有重要的理論和現實意義。

國內外對巖爆的控制大多采用“掌握巖爆形成的條件及其發(fā)生的基本規(guī)律—采用適宜的、多種手段相結合的方法預測和預報巖爆—對可能發(fā)生巖爆的區(qū)段和部位卸壓，減弱或解除巖爆—采取適宜的支護措施對巖爆重點區(qū)段進行支護”的技術路線[6-7]。

為判斷地下洞室在何種情況下發(fā)生巖爆及其嚴重程度，國外學者提出了許多巖爆判據和分級標準，如： E.Hoek與Russense提出的根據洞室最大切向應力σθmax與巖石單軸抗壓強度Rc的比值σθmax/Rc進行巖爆分級的方法；Turchaninov提出的根據洞室切向應力σθmax和軸向應力σL之和與巖石單軸抗壓強度Rc的比值(σθmax+σL)/Rc進行判定的方法；Kidybinski提出的根據巖體的彈性應變能進行巖爆分級的方法等。此外，國內學者還針對具體的工程項目提出過相應的巖爆判據和分級方法，如： 谷明成等[8]提出的基于秦嶺隧道的巖爆判據；徐林生等[9]提出的基于二郎山隧道的巖爆判據等。綜觀這些判據和分級標準，發(fā)現其并不統(tǒng)一，即使判據相同或相似，但標準并不相同。究其原因，主要是由于巖爆活動受多種因素的共同影響。上述學者提出的分級標準大多是針對某一具體工程而言的，考慮的只是誘發(fā)巖爆的一個或幾個因素。不同的工程條件，影響因素存在差異，所以巖爆判據和分級標準也就存在差異。由于巖爆的發(fā)生是多種因素共同作用的結果，不同工程條件誘發(fā)巖爆的因素是不盡相同的；因此，直接套用前人提出的巖爆判據和分級標準，必然產生片面性和局限性。在巖爆預測方面，由于巖爆的復雜性，目前國內外尚無關于巖爆預測和預報公認的、成熟的理論和方法[10]。從國內外研究現狀看，無論是巖爆的判據和分級標準，還是巖爆的預測方法和防治措施，目前都沒有公認的、成熟的理論和方法，仍需進行深入地研究。在分析和總結前人研究成果的基礎上，針對工程的具體特點，對施工期間發(fā)生的巖爆進行分析，掌握巖爆發(fā)生的條件及規(guī)律，進而采取針對性措施，仍是目前巖爆控制的主要途徑[11-13]。

本文對烏茲別克斯坦安格連至琶布鐵路甘姆奇克隧道巖爆的特點進行總結，在此基礎上結合隧道的工程地質條件，對該隧道巖爆的發(fā)生機制和模式進行分析。

1工程概況

烏茲別克斯坦安革連(Angren)—琶布(Pop)鐵路甘姆奇克隧道是安—琶鐵路的控制性工程，有“中亞第一長隧”之稱，由主隧道和安全隧道組成。隧道走向S64°E，主隧道為單線隧道，長19 200 m；安全隧道位于主隧道左側，長19 268 m，作為運營期間隧道檢修和人員疏散通道；兩隧中心相距29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超過700 m的地段總長達7 km；全隧設3座無軌運輸斜井(1#、2#、3#斜井)，斜井長度分別為1 532、3 500、1 845 m。

隧址區(qū)地質構造主要在海西造山運動時形成，其后受阿爾卑斯山造山運動進一步影響。受地質構造運動的影響，隧址區(qū)發(fā)育與隧道軸線基本平行或呈小角度相交的西北走向大斷裂帶。

隧道埋深超過700 m的地段長達7 km，最大埋深達1 275 m。大埋深地段圍巖為石英斑巖、花崗斑巖及花崗正長巖等脆性巖層，發(fā)生巖爆的可能性極高。工程地質勘察表明，地應力最大主應力方向為水平方向。按照GB 50287—2006《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》[14]附錄P.0.1的規(guī)定，圍巖強度應力比

S=Rc/σmax。

(1)

式中：Rc為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；σmax為最大主應力，MPa。

由于地應力的最大主應力方向為水平方向，依據隧址區(qū)工程地質條件，按完整考慮，取σmax=1.2γH[14](H為隧道最大埋深，m；γ為巖石的容重，kN/m3)。根據隧道各區(qū)段的埋深H和巖性及巖樣的飽和單軸抗壓強度Rc，計算各區(qū)段的圍巖強度應力比S。計算結果表明： 隧道MK42+430～MK52+272，總長近10 km的區(qū)段圍巖強度應力比S為2～7。按照TB 10012—2007《鐵路工程地質勘察規(guī)范》[15]條文說明表4.3.2-7的評估基準，本隧道MK42+430～MK52+272硬巖段存在高地應力或極高地應力，開挖時發(fā)生巖爆的可能性很大。自2014年2月隧道進口出現巖爆開始，隧道各工作面相繼發(fā)生不同程度的巖爆。巖爆已成為該隧道施工中的常態(tài)，對施工安全和進度造成了嚴重影響。

2巖爆特點

從巖爆出現開始，現場技術人員就對施工過程中發(fā)生的巖爆進行認真記錄。以此為基礎，對巖爆的特點進行總結。統(tǒng)計分析表明，甘姆奇克隧道的巖爆具有下列特征。

2.1巖爆出現部位

不同部位巖爆出現次數的統(tǒng)計表明： 95%以上的巖爆出現在拱頂—拱腰段，只有少量巖爆出現在隧道邊墻。

2.2巖爆段巖性及巖體結構

甘姆奇克隧道巖爆段巖性及巖體結構具有以下特征。

1)巖爆段巖性為花崗閃長巖和正長斑巖，巖塊單軸抗壓強度Rc≥120 MPa，最大強度接近180 MPa，屬典型的硬巖。

2)巖爆段地下水不發(fā)育。巖體結構有2種類型： ①巖體完整，結構面不發(fā)育。這種巖體結構，巖爆以片狀巖塊剝落、彈射為主。②巖體發(fā)育2組節(jié)理，節(jié)理密閉。其中一組與隧道縱向或橫向接近平行，另一組接近水平。這種巖體結構，以板狀巖體彎折爆出或塊狀巖石崩出為主。

2.3巖爆段隧道埋深

甘姆奇克隧道圍巖為花崗閃長巖或正長斑巖。隧道縱向地形陡峻，在橫向兩側均為連綿陡峭高山，裸露地表即為完整花崗閃長巖的隧道進口區(qū)段。埋深超過40 m后開始出現輕微巖爆；埋深超過80 m后開始出現中等巖爆；埋深超過115 m后開始出現強烈?guī)r爆。巖爆總體呈現出隨埋深增大出現頻率增高，中等和強烈?guī)r爆出現頻次增多的特點。

1#斜井工區(qū)隧道主洞已施工段隧道埋深450～950 m，圍巖為花崗閃長巖，施工過程中出現輕微-中等巖爆。圖1和圖2為1#斜井工區(qū)隧道主洞已施工段不同埋深下的巖爆次數和中等巖爆次數的直方圖。

圖1　1#斜井工區(qū)隧道主洞各埋深下的巖爆次數

Fig. 1Rockburst frequency in different cover depths of main tunnel in inclined shaft division No. 1

圖2　1#斜井工區(qū)隧道主洞各埋深下中等巖爆次數

Fig. 2Medium rockburst frequency in different cover depths of main tunnel in inclined shaft division No. 1

從圖1和圖2可看出： 巖爆次數與隧道埋深并沒有明顯的相關性，但當埋深>750 m時，巖爆次數及中等巖爆的次數均隨埋深增大而增多。

此外，巖爆還表現出間歇發(fā)生的特點。即，在埋深差異不大的地段，巖爆并非連續(xù)發(fā)生，往往這幾個循環(huán)發(fā)生巖爆，接下來的幾個循環(huán)不發(fā)生巖爆；這幾個循環(huán)是強烈?guī)r爆，接下來的幾個循環(huán)則是中等巖爆或輕微巖爆。

目前，國內學者對由大埋深引起的巖爆的判別，大多采用侯發(fā)亮教授于1989年按彈性力學原理推導出的僅考慮上覆巖體自重時巖爆發(fā)生的最小埋深(即巖爆臨界深度)[16]

Hcr=0.318Rc(1-μ)/γ(3-4μ)。

(2)

式中μ為巖石泊松比。

根據式(2)及巖爆段巖石的物理力學參數(Rc為120～180 MPa，μ=0.2，γ=26.6 kN/m3)計算出甘姆奇克隧道僅考慮上覆巖體自重時，可能發(fā)生巖爆的臨界深度Hcr為522～782 m。這一深度比甘姆奇克隧道出現巖爆的最小埋深40 m大得多。這說明，促使甘姆奇克隧道巖爆發(fā)生的主因并非埋深。

2.4巖爆表現形式及主要特點

根據巖爆規(guī)模及其危害，將其分為輕微巖爆、中等巖爆和強烈?guī)r爆3種。3種巖爆的表現形式及主要特征如下。

1)輕微巖爆。輕微巖爆以圍巖表層爆烈脫落，片狀、薄片狀巖塊彈射為主。時間集中，聲響密集、清脆。爆破后剝落、彈射最頻繁，聲響最大，出渣過程中逐漸減緩，找頂后間或有應力釋放聲響和薄片狀巖塊剝落、彈射，隨后趨于穩(wěn)定。

2)中等巖爆。中等巖爆以板狀巖塊彎折斷裂、崩出、彈射為主。巖爆發(fā)生在更深處，爆落巖塊以10～30 cm厚的板狀巖石為主，掉塊平面尺寸先大后小。

3)強烈?guī)r爆。強烈?guī)r爆以圍巖塊狀崩出或大片爆裂脫落為主，巖塊崩出后周邊巖體隨之大量垮落。爆落巖塊厚度大多超過30 cm，爆坑深度超過1 m。

上述巖爆的出現時間、持續(xù)時間、巖爆點距掌子面距離、爆落巖塊及爆坑大小等主要特征見表1。

3巖爆形成機制

通過對隧址區(qū)區(qū)域地質條件及巖爆發(fā)生特點的綜合分析，可得出促使甘姆奇克隧道巖爆發(fā)生的主要因素。

3.1脆性圍巖

甘姆奇克隧道巖爆段圍巖巖性為花崗閃長巖和正長斑巖。巖塊單軸抗壓強度Rc≥120 MPa，最大強度接近180 MPa，屬典型的硬巖。這2種巖石敲擊時響聲清脆，開挖后易發(fā)生脆性斷裂和產生微裂隙，屬典型的脆性巖石。在高地應力作用下可有效積聚彈性應變能。

3.2高水平向地應力

高地應力是促使脆性巖體發(fā)生巖爆的主要原因。因此，對甘姆奇克隧道的地應力方向進行分析，對揭示該隧道巖爆的形成機制及特點并采取針對性防治措施具有重要意義。由于沒有該地區(qū)的地應力實測資料，所以只能根據區(qū)域地質資料及巖爆出現部位進行分析。

隧道所在區(qū)域的斷裂帶都是與隧道軸線基本平行或呈小角度相交的西北走向斷裂帶，隧址區(qū)的斷層都是傾角大于70°的陡傾逆斷層。按照構造地質學中斷層的形成機制，逆斷層的應力狀態(tài)為： 最大主應力σ1和中間主應力σ2為水平方向，最小主應力σ3為豎直方向(中間主應力σ2與斷層走向平行[17])。按此分析，隧址區(qū)構造應力的方向為：

1)水平方向為最大主應力σ1和中間主應力σ2的方向，豎直方向為最小主應力σ3的方向；

2)最大主應力σ1的方向與隧道軸線接近垂直，中間主應力σ2的方向與隧道軸線接近平行。

相關的研究表明，巖爆多出現在洞室周邊與地應力最大主應力方向平行的部位[7-8，11]。甘姆奇克隧道95%以上的巖爆出現在拱頂—拱腰段，也說明地應力最大主應力的方向為近水平方向。

構造應力在大規(guī)模構造運動結束后仍然殘留于巖體內部，成為地應力。設與上述構造應力σ1和σ3對應的地應力分別為p1和p3，如圖3所示。由于σ1>σ3，相應地有p1>p3，即，水平向地應力比豎向的大。

表1　巖爆的主要特征

圖3　隧道應力分析圖

按照巖石力學的相關理論，在圖3所示應力狀態(tài)下，圓形隧道開挖后洞壁的徑向應力σr和剪應力τ為0，只有切向應力σθ在斷面上不同的部位有變化。洞壁上平行大主應力p1的拱頂(圖3中A點)出現最大切向應力，平行小主應力p3的邊墻(圖3中B點)出現最小切向應力。拱頂和邊墻的切向應力分別為拱頂σθ=3p1-p3，邊墻σθ=3p3-p1[18]。

由于水平向地應力比豎向的大，在其作用下隧道開挖后拱頂的切向應力最大。這正是甘姆奇克隧道巖爆都發(fā)生在拱頂及其附近的主要原因。也正是由于水平向地應力比豎向的大，隧道開挖后洞壁的最大切向應力主要受水平向地應力的控制。所以，甘姆奇克隧道在埋深僅40 m的地段就發(fā)生了巖爆。

3.3巖爆形成機制

在上述地應力分析的基礎上，結合隧道巖爆發(fā)生的實際情況，可得出甘姆奇克隧道巖爆的形成機制為： 受強烈地質作用的影響，甘姆奇克隧道圍巖內賦存很高的水平向構造殘余應力，在其作用下，脆性圍巖花崗閃長巖和正長斑巖在隧道開挖前積聚了大量的彈性應變能，隧道開挖后應變能突然釋放，完整巖體發(fā)生薄片狀巖塊彈射，板狀巖體折斷、崩落，巖塊崩出等巖爆現象。

由于隧址區(qū)水平向地應力比豎向的大，受其影響，隧道開挖后拱頂的切向應力最大，且最大應力主要受水平向地應力的控制；所以，甘姆奇克隧道的巖爆基本上都發(fā)生在拱頂—拱腰段，并在埋深不大的條件下就發(fā)生了巖爆。

4巖爆模式及埋深的影響

4.1巖爆模式

甘姆奇克隧道的巖爆，按形成機制可分為以下4種模式。

1)完整巖體的薄片狀彈射型。這種類型的巖爆發(fā)生于拱頂圍巖較完整，水平向地應力很高的條件下。表現特征為拱頂或拱頂—拱腰段圍巖表層巖塊呈薄片狀剝落、彈射，如圖4所示。這種類型的巖爆以輕微-中等巖爆為主，危害性相對較小。

巖爆發(fā)生的力學機制類似于完整的脆性巖塊在高水平向應力作用下的單軸壓縮破壞。壓縮破壞過程中，與受力方向平行的臨空面巖塊發(fā)生片狀剝落、彈射。

圖4　拱頂完整巖體薄片狀彈射型巖爆

2)近水平向層狀巖體折斷崩落型。這種類型的巖爆發(fā)生于拱頂有接近水平的薄層狀巖層，水平向地應力很高的條件下。表現特征為拱頂或拱頂—拱腰段薄層巖層折斷、崩落、彈射，崩落、彈射巖塊呈板塊，先期尺寸較大，隨后逐漸減小，如圖5所示。這種巖爆以中等巖爆為主。

圖5　拱頂層狀巖層折斷崩落型巖爆

Fig. 5Rockburst mode of bedded rock breakdown on tunnel crown

巖爆發(fā)生的力學機制為層狀薄板的脆性斷裂失穩(wěn)。如圖6所示，拱頂水平層狀巖層在隧道開挖后部分臨空(寬l)。該層巖層的受力可簡化為厚度為t、無支承段長度為l的層狀薄板受水平向地應力p的作用。當層狀薄板厚度較小，水平向地應力p較大的情況下，無支承段會發(fā)生折斷、崩落、彈射。

圖6　拱頂層狀巖層折斷的力學機制

該型巖爆是否發(fā)生主要受層狀巖層強度、厚度、水平向地應力的大小以及無支承段長度控制。

3)巖塊崩出+周邊圍巖塌落型。這種類型的巖爆發(fā)生于圍巖發(fā)育1組與隧道軸線接近平行或垂直的陡傾構造節(jié)理、1組近水平向節(jié)理，近水平向地應力很高的條件下。表現特征為拱頂或拱頂—拱腰段個別巖塊先崩出，隨后崩出巖塊周邊巖體塌落。巖爆(巖塊崩出)+周邊圍巖塌落的組合如圖7所示。這種類型的巖爆大多為中等-強烈?guī)r爆，危害大，塌落物多。

巖爆發(fā)生的力學機制為受結構面切割的巖塊組合體在高水平向擠壓應力的作用下崩出。該型巖爆是否發(fā)生主要受結構面產狀、間距以及水平向地應力的大小控制。

圖7　拱頂巖塊崩出型巖爆

4)邊墻板狀巖體折斷崩出型。這種類型的巖爆主要出現在邊墻，發(fā)生于圍巖受一組走向與隧道軸線接近平行的陡傾節(jié)理切割成薄板，埋深較大的條件下。表現形式為隧道開挖后，豎層狀巖體從邊墻中部及其附近突然折斷、崩出、彈射，如圖8所示。這種類型的巖爆雖然出現不多，但大多為強烈?guī)r爆，危害性很大。

圖8　邊墻豎向板狀巖體折斷崩出型巖爆

Fig. 8Rockburst mode of vertical platy rock breakdown in side wall

巖爆發(fā)生的力學機制為豎向層狀薄板的脆性斷裂失穩(wěn)，類似于大長細比的壓桿失穩(wěn)。如圖9所示，邊墻近似為直立的厚度為Δ、高度為H的層狀巖層，在隧道開挖后，如果層厚Δ較小、豎向應力T較大則發(fā)生折斷、崩落、彈射。

該型巖爆是否發(fā)生主要受近直立的層狀巖層的厚度Δ、高度H和埋深控制。高度越高，厚度越小，埋深越大，越容易出現巖爆。

圖9　邊墻直立層狀巖層折斷的力學機制

4.2埋深對巖爆的影響

埋深對巖爆的影響主要體現在下列3方面。

1)埋深越大，隧道開挖后豎向卸荷回彈越大，拱頂近水平向節(jié)理和隱性裂紋越易張開。此外，埋深越大，圍巖開挖前所受豎向應力越大，在巖性及水平向應力相同的條件下，聚集的彈性應變能越大，本文4.1所述的第1)—3)種類型的巖爆越易發(fā)生。

2)埋深越大，豎向應力越高，圖9中直立層狀巖層所受豎向應力越大，在巖性、巖層厚度Δ和高度H相同的條件下，直立層狀巖層越易折斷、崩出。本文4.1所述的第4)種類型的巖爆越易發(fā)生。

3)在巖性及水平向地應力相同的條件下，埋深越大，自重應力越大，巖體儲存的彈性應變能越高，隧道開挖后應變能突然釋放越多，巖爆越強。

正是受上述埋深的影響，甘姆奇克隧道總體表現出巖爆隨埋深增大出現頻率增高，中等和強烈?guī)r爆出現頻次增多的特點。

5結論與討論

1) 甘姆奇克隧道的巖爆主要是由于本隧道的花崗閃長巖和正長斑巖屬脆性圍巖，在高地應力作用下可有效積聚彈性應變能以及圍巖內賦存很高的水平向構造殘余應力引起的。

2) 甘姆奇克隧道在埋深僅達40 m的條件下就發(fā)生巖爆，且?guī)r爆發(fā)生在拱頂—拱腰段主要是因為與隧道軸線接近垂直的水平向地應力為最大主應力的緣故。

3) 甘姆奇克隧道的巖爆按其形成機制可分為完整巖體的薄片狀彈射、近水平向層狀巖體折斷崩落、巖塊崩出+周邊圍巖塌落以及邊墻板狀巖體折斷崩出4種模式。

4) 本文基于烏茲別克斯坦安革連—琶布鐵路甘姆奇克隧道巖爆的工程實踐，結合巖爆的國內外研究成果對該隧道的巖爆特點、形成機制及巖爆類型等進行了研究。研究成果除對本隧道的建設有一定的指導意義外，還對巖爆這一巖石力學世界性難題的深入研究提供了工程實踐資料。由于巖爆的復雜性，本文對巖爆機制方面的研究尚不夠深入，今后仍需結合工程實踐進行深入研究。

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Mechanism of Rockburst of Qamchiq Tunnel in Uzbekistan

DENG Wei1, LIU Chengyu2, LI Hongjun3, GUO Zhiwu3

(1.TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;3.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:The rockburst mechanism of Qamchiq tunnel on Angren to Pop railway in Uzbekistan is analyzed on the basis of rockburst laws and the geological conditions of the tunnel. The study results show: 1) The surrounding rocks (granodiorite and syenite porphyry) and horizontal residual tectonic stress in the surrounding rocks are the main causes for the rockburst of Qamchiq tunnel. 2) The rockburst occurs to the tunnel beneath the cover depth of 40 m. 3) The rockburst occurs to the crown-hance is mainly related to the maximum principal stress (horizontal ground stress). 4) The rockburst mode of the tunnel can be divided into 4 types， i.e. fiaky rock ejection, breakdown of nearly horizontal bedded rock, rock breakout+rock collapse and platy rock breakdown in side wall.

Keywords:tunnel; rockburst; forming mechanism; residual tectonic stress

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)03-0275-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.005

作者簡介：第一 鄧偉(1981—)，男，四川三臺人，2004年畢業(yè)于蘭州鐵道學院，給水排水工程專業(yè)，本科，工程師，從事隧道與地下工程的技術和生產管理工作。E-mail: 353195338@qq.com。

基金項目：中鐵隧道集團科技創(chuàng)新計劃重大課題(隧研合2014-23)

收稿日期：2015-06-23; 修回日期： 2015-08-08