巴福隆

(中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧沈陽 111000)

巖爆是深埋硬巖隧道施工中比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。巖爆預(yù)測分為兩大類[1]：一類是實(shí)測法，使用實(shí)驗(yàn)儀器對地下工程的巖體進(jìn)行監(jiān)測和測試，并以此判別巖爆，常用的方法有微重力法、流變法、回彈法、微震法等；另一類是理論法，將巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值作為巖爆預(yù)測的重要指標(biāo)，或以切向應(yīng)力、地下洞室軸向應(yīng)力之和與單軸抗壓強(qiáng)度之比作為判據(jù)，這些應(yīng)力判據(jù)方法將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆以及強(qiáng)烈?guī)r爆三個(gè)等級[2]。目前存在的應(yīng)力判據(jù)方法眾多，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，給設(shè)計(jì)和施工帶來很大的不確定性。各判據(jù)方法見表1。

以九嶺山隧道為例，探討各應(yīng)力判據(jù)方法在九嶺山隧道巖爆預(yù)測中的適用性，并根據(jù)現(xiàn)場情況選擇適宜的應(yīng)力判據(jù)方法，對九嶺山隧道做出巖爆預(yù)測。

表1 巖爆應(yīng)力判據(jù)法統(tǒng)計(jì)

注：σθ—洞壁切向應(yīng)力;Rc—巖石單軸抗壓強(qiáng)度;σ1—最大主應(yīng)力 。

1 工程概況

九嶺山隧道位于江西省宜春市境內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)形式為單洞雙線，進(jìn)口里程為DK1680+697，出口里程為DK1696+068，全長15 371 m。隧道經(jīng)過區(qū)域最高山峰的高程為1 404.6 m。

隧道位于中低山區(qū)，山體陡峭，流水侵蝕切割劇烈，地形起伏較大，自然坡度約30°～60°，相對高差約1 000 m，植被發(fā)育。隧道穿越地層較復(fù)雜，主要有花崗巖、花崗閃長巖，局部發(fā)育有酸性巖脈和石英脈，地表零星分布有第四系坡洪積及殘坡積土層。圍巖完整性好，強(qiáng)度高，在高圍壓條件下，隧道開挖過程中可能發(fā)生巖爆。根據(jù)地質(zhì)水文條件推測，隧道DK1687+260～DK1687+500段存在巖爆可能[5]。

本次現(xiàn)場測試采用應(yīng)力解除法測試洞壁應(yīng)力[6]，采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法測試巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

2 基于應(yīng)力解除法現(xiàn)場洞壁應(yīng)力實(shí)測及巖石強(qiáng)度測試

為科學(xué)預(yù)測九嶺山隧道巖爆的發(fā)生狀況，在隧道已開挖段工作面附近，利用應(yīng)力解除法對隧道開挖后的二次應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測。因施工期預(yù)測段眾多，且原理基本一致，現(xiàn)以DK1687+260～DK1687+500段為例進(jìn)行研究。

2.1 測試斷面的選擇

測試斷面的選擇關(guān)乎巖爆預(yù)測的準(zhǔn)確性。應(yīng)該選擇與預(yù)測段埋深巖性相近的斷面作為地應(yīng)力測試斷面，以保證巖爆預(yù)測的合理性和科學(xué)性。

DK1687+260～DK1687+500段洞身為花崗巖、花崗閃長巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，地下水弱發(fā)育。埋深大致為505 m，縱斷面如圖1所示。根據(jù)前述的測試斷面選擇原則，現(xiàn)場選擇已開挖斷面DK1687+240進(jìn)行洞壁應(yīng)力測試。

選定斷面后，考慮到現(xiàn)場測試中應(yīng)力解除法的可操作性，將測點(diǎn)布設(shè)在邊墻上。再根據(jù)應(yīng)力解除法，測試洞壁二次應(yīng)力和單軸抗壓強(qiáng)度，然后根據(jù)不同的巖爆判據(jù)，對前方未開挖段進(jìn)行巖爆預(yù)測。

圖1 DK1687+240～DK1687+500縱斷面

2.2 現(xiàn)場洞壁應(yīng)力及巖體強(qiáng)度的測試

所謂洞壁二次應(yīng)力解除法，就是在隧道已開挖段洞壁某點(diǎn)安設(shè)傳感器(見圖2)，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應(yīng)力解除，測得約束解除前后巖體的微應(yīng)變變化，根據(jù)應(yīng)變變化狀況及巖石的彈性常數(shù)，利用彈性力學(xué)理論來推算解除部位處巖體所受的各向應(yīng)力，即可求得該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)[7]。

圖2 應(yīng)力解除法時(shí)洞壁應(yīng)變片粘貼示意

圖3 現(xiàn)場洞壁二次應(yīng)力測試

依據(jù)應(yīng)力解除法，在九嶺山隧道DK1687+240斷面進(jìn)行了洞壁二次應(yīng)力測試(見圖3)，獲得的應(yīng)變增量見表2。

表2 應(yīng)力解除法測得應(yīng)變增量

注：表中x方向?yàn)槠叫杏谒矶摧S線方向，y方向?yàn)榇怪庇谒矶摧S線方向，此時(shí)，測得εy即為洞壁邊墻上的切應(yīng)變，計(jì)算獲取的σy即為洞壁切向應(yīng)力σθ；應(yīng)變增量為儀器讀數(shù)值。

從表2可以看出，應(yīng)力解除后，y方向應(yīng)變增量最大，x方向應(yīng)變增量次之， 45°方向應(yīng)變增量最小。其中，y方向(隧道邊墻洞壁切向)的應(yīng)變增量明顯大于x方向(平行于隧道軸向)，據(jù)此可初步判斷，隧道開挖后存在較大的洞壁切向應(yīng)力。

因DK1687+240斷面附近以硬巖為主，隧道開挖后，巖性變形主要為彈性變形，故可依據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算洞壁二次應(yīng)力分布狀況，如式(1)～式(4)所示[8]

(1)

做為中建人的一員，全年在外施工是常態(tài)，對于家里自是無暇顧及，數(shù)次搬家、兩次裝修，撫養(yǎng)孩子，孝敬老人統(tǒng)統(tǒng)甩給了妻子，偶爾回到總部開會(huì)，也是匆匆來匆匆走，老人曾說他就是一個(gè)“野人”。然而，電話的那一頭，卻總是“兒子的胃病好點(diǎn)沒，爹的假牙換了沒……”他對家人的惦念一直留在心里，隨著年齡的增長，他越來越注意抽出時(shí)間與父母嘮家常，倔強(qiáng)的父親也逐漸理解了這個(gè)“不孝”的兒子。

式中：σx—x(水平)方向應(yīng)力；σy—y(豎直)方向應(yīng)力；τxy—xy平面剪應(yīng)力；εx—x(水平)方向應(yīng)變；εy—y(豎直)方向應(yīng)變；ε45°—xy平面45°方向應(yīng)變；σ1—最大主應(yīng)力。

據(jù)式(1)～式(4)可知，為獲取洞壁二次應(yīng)力，需獲取九嶺山隧道相關(guān)巖體的物理力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)《九嶺山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，確定地應(yīng)力測試段巖體的物理力學(xué)指標(biāo)見表3。

表3 測試段巖體的物理力學(xué)指標(biāo)

依據(jù)表3中的物理力學(xué)參數(shù)，綜合式(1)～式(4)，計(jì)算測點(diǎn)DK1687+240斷面的洞壁二次應(yīng)力(見表4)。

表4 DK1687+240斷面的洞壁二次應(yīng)力 MPa

為獲得DK1687+260～DK1687+500區(qū)段處的巖體強(qiáng)度，現(xiàn)場取巖樣進(jìn)行了點(diǎn)荷載試驗(yàn)(見圖4)，通過式(5)～式(10)，計(jì)算獲得點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果(見表5)[10]。

圖4 現(xiàn)場點(diǎn)荷載試驗(yàn)

Is(50)=Is×Kd×KDd(8)

Kd=(De/50)0.4(9)

Rc=26.74×Is(50)(10)

式中：Af—試件的破壞面面積/mm2；D—加荷點(diǎn)間距/mm；Wf—破壞面上垂直加荷最小長度/mm；De—等效圓直徑/mm；Is—試件點(diǎn)荷載強(qiáng)度/MPa；Ip—壓力表讀數(shù)/N；Is(50)—標(biāo)準(zhǔn)試件點(diǎn)荷載強(qiáng)度/MPa；Kd—尺寸效應(yīng)修正系數(shù)；KDd—形狀效應(yīng)修正系數(shù)(采用圓柱狀巖芯時(shí)取1)；Rc—單軸抗壓強(qiáng)度/MPa。

表5 DK1687+240點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《九嶺山隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，DK1687+240～DK1687+500段的巖樣試驗(yàn)結(jié)果為Rc=97.41 MPa，綜合比較巖樣試驗(yàn)結(jié)果與點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果，兩者試驗(yàn)結(jié)果相差較小。

3 九嶺山隧道施工期巖爆預(yù)測

應(yīng)力判據(jù)法大多將圍巖切向應(yīng)力(最大主應(yīng)力)與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值作為發(fā)生巖爆的唯一依據(jù)，但實(shí)際上，巖爆發(fā)生還與許多因素有關(guān):圍巖斷面情況、構(gòu)造節(jié)理、洞室的空間排布等。因此，實(shí)際預(yù)測時(shí)無法將單一的某個(gè)應(yīng)力判據(jù)作為所有隧道的巖爆預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)，要綜合各種應(yīng)力判據(jù)的分析結(jié)果，并根據(jù)現(xiàn)場情況選擇適宜的應(yīng)力判據(jù)準(zhǔn)則，對隧道做出科學(xué)合理的巖爆預(yù)測[11]。

根據(jù)現(xiàn)場測試獲得的洞壁二次應(yīng)力值，結(jié)合點(diǎn)荷載試驗(yàn)所獲取的巖石單軸抗壓強(qiáng)度，采用應(yīng)力判據(jù)法，計(jì)算獲得DK1687+240斷面的洞壁二次應(yīng)力及巖體強(qiáng)度比(見表1)，判別出DK1687+240斷面在不同判據(jù)下的巖爆發(fā)生狀況(見表6)。

表6 巖爆等級判別

由表6可以看出，由不同的巖爆判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得出的巖爆等級差異性較大：對于DK1687+240測試斷面，王元漢判據(jù)和王蘭生判據(jù)得出輕微巖爆的結(jié)論，盧森判據(jù)的結(jié)論為中等巖爆，陶振宇判據(jù)及關(guān)寶樹判據(jù)為強(qiáng)烈?guī)r爆。

結(jié)合DK1687+240斷面附近隧道開挖后巖爆實(shí)際發(fā)生狀況來看(見圖5)，該斷面附近巖爆發(fā)生時(shí)主要表現(xiàn)特征[12]為：清脆的爆裂聲(噼啪聲和撕裂聲)；偶有爆裂松脫及少量彈射，且隨時(shí)間增長向圍巖深部發(fā)展(見圖5)。對比已有巖爆的發(fā)生特點(diǎn)歸納總結(jié)可知，該斷面發(fā)生的巖爆烈度為輕微巖爆。故認(rèn)為，王元漢及王蘭生判據(jù)更適合九嶺山隧道的實(shí)際情況[13-15]。

圖5 現(xiàn)場巖爆照片

4 結(jié)論

(1)此次巖爆預(yù)測過程中，采用應(yīng)力解除法得到測試斷面的應(yīng)力，采用點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到巖石單軸抗壓強(qiáng)度，為準(zhǔn)確預(yù)測施工期的巖爆提供了可靠依據(jù)。

(2)根據(jù)已開挖段的巖爆發(fā)生情況，可初步判斷洞壁二次應(yīng)力間的關(guān)系，進(jìn)而得出現(xiàn)場測試時(shí)應(yīng)變增量的關(guān)系，提高了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，可避免因?qū)嶋H操作的誤差影響巖爆預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)進(jìn)行巖爆預(yù)測時(shí)，除了計(jì)算應(yīng)力判據(jù)法中的應(yīng)力與巖石強(qiáng)度的比值，還要考慮巖石的脆性、堅(jiān)硬程度以及完整性。