王家祥,周 云,李銀泉,史存鵬

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

巖爆是指地下洞室圍巖中應(yīng)變集中釋放，造成洞壁巖塊(片)爆裂、彈射的現(xiàn)象[1]，是深埋隧洞開挖后常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工人員和設(shè)備安全，影響施工進(jìn)度。

滇中引水工程香爐山隧洞長62.6km，圓形斷面凈洞徑一般8.4m，隧洞埋深大于600m洞段累計長42.2km，占比67%，埋深大于1000m洞段累計長21.4km，占比34%，最大埋深1450m，屬典型深埋長隧洞，且為滇中引水工程控制性工程，隧洞擬采用鉆爆法+TBM組合掘進(jìn)施工。開展香爐山隧洞高應(yīng)力與硬巖巖爆問題的深入勘察和分析研究，對指導(dǎo)隧洞工程設(shè)計和施工，規(guī)避安全風(fēng)險，具有重要工程意義。

1 隧洞區(qū)地質(zhì)概況

香爐山隧洞穿越滇西北金沙江與瀾滄江兩大流域分水嶺地段的橫斷山脈高-中山地貌區(qū)，山頂高程一般為2500～3500m。

隧洞跨松潘-甘孜褶皺系與揚子準(zhǔn)地臺兩個一級大地構(gòu)造單元，區(qū)域性深大斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運動活躍，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性總體為差，地震基本烈度均為8度。

隧洞區(qū)出露泥盆系、二疊系、三疊系、第三系及第四系地層，局部地段發(fā)育侵入巖脈。隧洞穿越變質(zhì)巖(片巖類夾淺變質(zhì)灰?guī)r為主)、巖漿巖(玄武巖、安山巖為主)、沉積巖(碳酸鹽巖和砂泥巖)及第四系累計長度分別為12.696km、24.208km、25.312km、0.380km，占比分別為20.28%、38.67%、40.44%、0.61%。

隧洞區(qū)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，起主要控制作用的斷褶構(gòu)造主要為北北東-北東向、近東西向和少量近南北向三組，與洞線多呈中等-大角度相交。穿越主要褶皺和斷裂各有12條，其中龍蟠-喬后斷裂(F10)、麗江-劍川斷裂(F11)、鶴慶-洱源斷裂(F12)為全新世活動斷裂。

隧洞區(qū)地表碳酸鹽巖分布較廣，沿線地表可溶巖分布長度29.703km，占比47.45%，隧洞穿越可溶巖累計長度17.866km，占比28.54%。碳酸鹽巖區(qū)地表、地下巖溶形態(tài)齊全，主要發(fā)育有白漢場、拉什海、文筆海、鶴慶西山(包括6個子系統(tǒng))、清水江—劍川等巖溶水系統(tǒng)。沿線地下水位埋深一般為100～400m，局部地段發(fā)育承壓含水層。

隧洞大部分洞段位于微新巖帶(局部地段有風(fēng)化加劇)，僅尾段埋深較淺涉及強、弱(溶蝕)風(fēng)化帶。

隧洞區(qū)地溫、有毒有害氣體及放射性測試總體正常，三疊系上統(tǒng)松桂組(T3sn)和二疊系中統(tǒng)黑泥哨組(P2h)地層中所夾煤層含有瓦斯等有害氣體及腐蝕性地下水。

表1 隧洞區(qū)鉆孔地應(yīng)力測試成果統(tǒng)計

2 地應(yīng)力測試和分析

為研究隧洞區(qū)地應(yīng)力特征，先后進(jìn)行14個鉆孔地應(yīng)力測試，方法為水壓致裂法，最大測點深度達(dá)850m，累計153個測點，測試統(tǒng)計成果見表1，代表性鉆孔水平主應(yīng)力測值隨深度變化如圖1所示。測試結(jié)果：隧洞沿線應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，測試深度范圍(133.1～850m)最大水平主應(yīng)力值(σH)2.7～25.9MPa，最小水平主應(yīng)力值(σh)2.4～14MPa，鉛直應(yīng)力值(σZ)3.6～14.6MPa，最大水平主應(yīng)力值側(cè)壓系數(shù)λ(σH/σZ)值0.8～1.6；最大水平主應(yīng)力方向分布頻度如圖2所示，主要為NNE—NE向，與主要斷裂走向近一致，隧洞軸向NNW—NW向，與最大水平主應(yīng)力主要方向呈中等至較大角度相交。

圖1 XLZK16孔測試主應(yīng)力值隨深度變化關(guān)系

圖2 隧洞區(qū)最大水平主應(yīng)力方向分布頻度圖

由于香爐山隧洞普遍埋深大，大部分鉆孔地應(yīng)力測試深度未達(dá)到隧洞高程。根據(jù)隧洞區(qū)地應(yīng)力測試成果回歸分析，得到隧洞區(qū)最大、最小水平主應(yīng)力量值擬合式(垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力)：

(1)

根據(jù)式(1)結(jié)合隧洞圍巖地質(zhì)條件，取巖體平均重度γ=26.5kN/m3計算，隧洞最大埋深處(1450m)圍巖應(yīng)力σH=46.10MPa，σh=28.43MPa，σZ=38.43MPa，應(yīng)力量級為極高地應(yīng)力水平；埋深1000m處圍巖應(yīng)力σH=31.80MPa，σh=19.60MPa，σZ=26.50MPa，應(yīng)力量級為高地應(yīng)力水平；埋深600m處圍巖應(yīng)力σH=19.10MPa，σh=11.77MPa，σZ=15.90MPa，應(yīng)力量級為中等地應(yīng)力水平。

隧洞區(qū)地應(yīng)力場特征與分布規(guī)律同時采用ANSYS程序進(jìn)行大范圍數(shù)值模擬，采用FLAC3D程序進(jìn)行典型洞段初始應(yīng)力場反演分析，模擬計算地應(yīng)力量值與最大主應(yīng)力方向等結(jié)果和測試結(jié)果基本一致，顯示最大水平主應(yīng)力方向主要受NNE—NE向斷裂控制，主要斷裂對應(yīng)力場的“阻斷”效應(yīng)表現(xiàn)明顯。

隧洞區(qū)淺表層應(yīng)力場與NW—NNW向的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場差異較大，可能與隧洞所在馬耳山東西兩側(cè)深槽地貌與隧洞區(qū)主控構(gòu)造等密切相關(guān)。

地應(yīng)力測試和分析結(jié)果表明，深埋隧洞區(qū)具高應(yīng)力環(huán)境，存在硬巖巖爆可能性。

3 巖爆預(yù)測判別標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外對巖爆的分級和判別方法多種多樣，尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[2- 3]。

國內(nèi)水利水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)研究提出了“巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)給出的巖爆四級分類，較符合國內(nèi)已發(fā)生巖爆的工程的實際[3]，采用的巖石強度應(yīng)力比(Rb/σm)判據(jù)易于實際操作應(yīng)用，因此，本研究采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖爆分析預(yù)測。

GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)[4]：

(1)巖體同時具備高地應(yīng)力、巖質(zhì)硬脆、完整性好—較好、無地下水的洞段，可初步判別為易產(chǎn)生巖爆。

(2)巖爆分級可按表2進(jìn)行判別。

根據(jù)香爐山隧洞灰?guī)r類及玄武巖等硬脆性巖石物理力學(xué)試驗及隧洞地應(yīng)力測試分析成果，采用圍巖容重取26.5kN/m3，飽和單軸抗壓強度Rb取80MPa(近均值)分析的隧洞巖爆等級與埋深關(guān)系判據(jù)見表3，結(jié)果表明：隧洞埋深310～630m時，可能發(fā)生輕微巖爆，埋深630～1250m時可能發(fā)生中等巖爆，埋深大于1250m至隧洞最大埋深范圍(1450m)可能發(fā)生強烈?guī)r爆。

4 巖爆綜合預(yù)測評價

4.1 宏觀地質(zhì)分析

香爐山隧洞區(qū)區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運動強烈，場址區(qū)北北東-北東向、近東西向和近南北向三組斷裂與主要北北東-北東向的褶皺構(gòu)造發(fā)育，隧洞圍巖受構(gòu)造影響完整性總體偏差(勘探鉆孔揭露硬質(zhì)巖地層巖芯RQD值>75%，占比一般為15%～21%)，深埋洞段普遍位于地下水位以下，圍巖中地下水量較豐富，硬巖洞段地應(yīng)力難以持續(xù)聚集，因而由高地應(yīng)力引起的巖爆問題總體應(yīng)不突出，但由于巖體完整性與地下水分布的不均一性，不排除局部干燥較完整至完整硬巖在深埋條件下發(fā)生巖爆的可能。

表2 GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》巖爆分級及判別標(biāo)準(zhǔn)

注：表中Rb為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；σm為最大主應(yīng)力。

表3 香爐山隧洞巖爆分級與埋深判別分析

4.2 結(jié)合EH4探測成果綜合預(yù)判

通過工程地質(zhì)測繪和適量勘探鉆孔、特別是超深鉆孔(最深950.43m)的揭示驗證，基本查明了香爐山隧洞地層巖性與結(jié)構(gòu)、主要斷裂構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，但深部巖體的直接勘探揭示有限，表3分析給出了判別巖爆等級及其相應(yīng)隧洞埋深，但如何識別深部巖體完整性和含水狀況進(jìn)行巖爆可能性(有些研究叫巖爆傾向性[5])綜合評判仍是一大技術(shù)難點。

香爐山隧洞勘察期間基本全線進(jìn)行了EH4大地電磁測試工作，其探測深度可達(dá)千余米[6]，通過與地質(zhì)剖面對照，EH4測試成果與地質(zhì)條件有較好的對應(yīng)性，斷裂帶、巖體破碎富水帶低電阻率異常明顯，而高電阻率區(qū)基本對應(yīng)堅硬巖分布地段，也表明其巖體較完整至完整且貧水，因此，在這種深埋長隧洞勘察期間勘探揭露資料有限的情況下，依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖結(jié)合EH4大地電磁測深成果進(jìn)行巖爆可能性綜合評價不不失為一種好的方法。

香爐山隧洞前段板、片巖等變質(zhì)巖段以中硬至堅硬巖為主，夾有絹云微晶片巖等軟巖，板、片理方向性強、與洞向呈大銳角至中等角度相交，綜合評價巖爆可能性較小。

隧洞區(qū)彈脆性堅硬巖主要為灰?guī)r、白云巖類碳酸鹽巖和玄武巖類，從有關(guān)巖爆工程實例來看，這兩類巖石也是易于發(fā)生巖爆的巖石類型。對比隧洞穿越這兩類巖石洞段和EH4探測成果，對高阻區(qū)(相對概念)判定為巖爆可能性較大，低阻區(qū)判定為巖爆可能性小，而兩者間的稍高阻區(qū)判定為巖爆可能性中等，巖爆等級按隧洞埋深標(biāo)準(zhǔn)表3界定，分析示例如圖3所示。

按照前述巖爆綜合判別標(biāo)準(zhǔn)和方法，綜合預(yù)判香爐山隧洞產(chǎn)生巖爆可能性較大的洞段共6段(見表4)，累計長度4.494km，隧洞占比7.18%，其中強烈?guī)r爆有1段，長0.356km，占比僅0.57%，其他5段均為中等巖爆。

另外，還判別共有9段巖爆可能性中等洞段，巖性主要為碳酸鹽巖，個別段為玄武巖，累計長度7.093km，隧洞占比11.33%，巖爆等級輕微、中等、強烈程度分別占比1.96%、7.29%、2.08%。

5 結(jié)語

(1)香爐山隧洞普遍深埋，經(jīng)地應(yīng)力測試與分析表明，隧洞區(qū)具有高應(yīng)力環(huán)境，存在硬巖巖爆問題。依據(jù)GB 50487—2008巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)，以隧洞軸線工程地質(zhì)剖面圖、地應(yīng)力測試及三維模擬成果為基礎(chǔ)，結(jié)合大地電磁測深EH4探測成果，對該隧洞巖爆問題進(jìn)行綜合預(yù)判，結(jié)果表明：隧洞區(qū)硬巖巖爆問題總體不突出，預(yù)判產(chǎn)生中、強巖爆可能性較大的洞段共6段，隧洞占比7.18%，其中強烈?guī)r爆1段(占比0.57%)，其他5段為中等巖爆。需采取針對性工程措施。

(2)香爐山隧洞預(yù)測產(chǎn)生巖爆可能性較大的洞段均位于汝南河以南的鶴慶、劍川盆地所夾持寬厚馬耳山脈深埋洞段，因無施工支洞布置條件，布置2臺敞開式TBM掘進(jìn)，應(yīng)根據(jù)有關(guān)工程經(jīng)驗采取諸如：做好超前地質(zhì)預(yù)報、噴水軟化、快速加固圍巖、應(yīng)力釋放鉆孔、McNally系統(tǒng)加強支護(hù)、鋼纖維或仿鋼纖維噴射混凝土、主動防護(hù)和規(guī)避[7，8]等綜合應(yīng)對措施進(jìn)行防護(hù)，以確保TBM施工順利和安全。

圖3 香爐山隧洞結(jié)合EH4探測成果進(jìn)行巖爆可能性綜合判別示意圖注：1.三疊系上統(tǒng)松桂組泥質(zhì)砂巖泥(頁)巖;2.三疊系上統(tǒng)中窩組灰?guī)r與砂泥巖;3.三疊系中統(tǒng)北衙組上段灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等;4.二疊系中統(tǒng)峨眉山后組玄武巖;5.斷裂及編號;6.強、弱(溶蝕)風(fēng)化帶及分界線;7.弱(溶蝕)風(fēng)化帶、微新巖體及分界線;8.地下水位線;9.鉆孔及編號(虛線為投影孔)

表4 香爐山隧洞發(fā)生中強巖爆可能性較大洞段統(tǒng)計