嚴(yán) 健，何 川，汪 波，徐國(guó)文，吳枋胤，潘 朋

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

地處青藏高原的川藏鐵路全長(zhǎng)1 551 km，是目前我國(guó)重點(diǎn)建設(shè)的項(xiàng)目之一。沿線高地應(yīng)力隧道35座、高地溫隧道13座，高地溫高地應(yīng)力共存的隧道有12座[1]。在已開工建設(shè)的拉(薩)林(芝)段及毗鄰的拉(薩)日(喀則)鐵路隧道中高溫?zé)岷蛶r爆現(xiàn)象十分突出，例如拉日鐵路吉沃西嘎隧道巖溫最大值為57 ℃，桑珠嶺隧道巖溫最大達(dá)到89.5 ℃。在桑珠嶺隧道中，巖爆里程占到了總里程的55%。巖爆具有發(fā)生突然性、高危性特點(diǎn)和動(dòng)力失穩(wěn)特征，在高地應(yīng)力隧道及地下工程開挖過(guò)程中發(fā)生頻率極高[2]。

圍繞巖爆的發(fā)生機(jī)制、發(fā)生條件、影響因素等方面，國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛深入研究。Ortlepp等[3]、馮夏庭等[4]系統(tǒng)研究了巖爆機(jī)制和巖爆孕育過(guò)程；徐林生[5]深入研究了巖爆爆源機(jī)制、破壞機(jī)制以及巖爆產(chǎn)生條件；He等[6]利用深部巖爆過(guò)程試驗(yàn)系統(tǒng)從應(yīng)力強(qiáng)度角度對(duì)巖爆分類、巖爆判據(jù)進(jìn)行了研究。針對(duì)高地溫隧道，李天斌等[7]等研究了硬脆性巖石熱-力-損傷模型， 蒙偉等[8]通過(guò)疊加原理，將溫度應(yīng)力場(chǎng)疊加到重力及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中得到了與高地溫相符的巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)；蘇國(guó)韶等[9]、胡躍飛等[10]、趙國(guó)凱等[11]分別就高溫后、高溫和應(yīng)力循環(huán)作用下花崗巖巖爆、巖石力學(xué)特性做了分析；嚴(yán)健等[12]就高地溫對(duì)隧道巖爆發(fā)生的影響性做了探討；宮鳳強(qiáng)等[13]就深部直墻拱形隧洞圍巖板裂破壞開展了模擬試驗(yàn)研究。在利用工程現(xiàn)場(chǎng)資料統(tǒng)計(jì)分析方面，相關(guān)學(xué)者分別對(duì)桑珠嶺隧道和巴玉隧道[14]、錦屏二級(jí)水電站引水隧洞[15]等大型工程的巖爆特征和巖爆機(jī)理進(jìn)行了分析。上述成果對(duì)研究不同環(huán)境下的隧道巖爆特征和成因機(jī)制提供了借鑒。

本文以川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道巖爆為研究對(duì)象，就隧道開挖過(guò)程中觀察記錄的190組巖爆數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)據(jù)反演分析和數(shù)值計(jì)算，就隧道巖爆高發(fā)里程段內(nèi)巖爆基本特征、初始地應(yīng)力、開挖卸荷洞周二次應(yīng)力、高地溫以及洞壁溫降量等特征展開研究，最后基于熱力耦合計(jì)算探討了高地溫隧道巖爆機(jī)制。

1 工程概況

川藏鐵路拉(薩)林(芝)段桑珠嶺隧道位于西藏自治區(qū)山南市桑加峽谷區(qū)、雅魯藏布江縫合帶，全長(zhǎng)16.449 km。受印度板塊向歐亞板塊相俯沖碰撞影響，桑珠嶺隧道高地溫特征顯著[16]。

桑珠嶺隧道設(shè)計(jì)之初即判定為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。在隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生十分頻繁、輕微到劇烈程度不等的巖爆災(zāi)害。

在D1K179+740—D1K189+420段里程內(nèi)(隧道第二橫通道大小里程方向)，隧道埋深在300～1 500 m之間，且全隧最大深埋和最小深埋均位于該里程段，同時(shí)，受沃卡斷層、巴玉斷層地質(zhì)構(gòu)造作用影響，該里程段初始地應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜且多變，見(jiàn)圖1。

圖1 桑珠嶺隧道縱斷面圖

地質(zhì)背景調(diào)查顯示，沃卡斷層全長(zhǎng)約60 km，寬近150 m，呈W、NW傾向、近SN—NE向展布；巴玉斷層呈近南北向展布，斷裂帶寬10～20 m，于DK183+645里程處與隧道洞身垂直相交。在上述斷層兩側(cè)，巖體均為中細(xì)粒角閃黑云英石閃長(zhǎng)巖(K2M)，就巖體脆性系數(shù)和巖體儲(chǔ)存最大彈性應(yīng)變能分析顯示，該類圍巖具有輕微—中等級(jí)別的巖爆傾向性。

2 巖爆及巖爆特征分析

巖爆的發(fā)生機(jī)制極其復(fù)雜，相關(guān)學(xué)者從不同角度對(duì)巖爆進(jìn)行了定義。Russenes[17]認(rèn)為只要巖體破壞時(shí)有聲響、有新鮮破裂面，且產(chǎn)生片幫、爆裂松脫、剝離甚至彈射等現(xiàn)象即可稱為巖爆(一般的冒頂、塌方、掉塊和片幫如不具有相應(yīng)的聲響特征且無(wú)新鮮破裂面則不屬于巖爆)；譚以安[18]認(rèn)為只有產(chǎn)生彈射、拋擲性破壞者才能稱為巖爆(無(wú)動(dòng)力彈射現(xiàn)象的破裂歸屬于靜態(tài)下的脆性破壞)；從巖爆引發(fā)地層震動(dòng)以及巖爆對(duì)工程的損傷角度，Cai等[19]總結(jié)認(rèn)為只有以突然、劇烈的方式發(fā)生的，且引起地層震動(dòng)、會(huì)對(duì)隧道或礦井的開挖造成破壞的圍巖損傷才能被稱為巖爆(僅產(chǎn)生地震但本身不造成破壞的不屬于巖爆)。徐林生等[20]基于川藏公路二郎山隧道巖爆研究，從巖爆的力學(xué)機(jī)制出發(fā)認(rèn)為：因開挖卸荷引起高地應(yīng)力地下硐室圍巖產(chǎn)生應(yīng)力分異造成巖石內(nèi)部破裂、彈性應(yīng)變能突然釋放，進(jìn)而引起的巖體爆裂剝落、彈射甚至拋擲性破壞現(xiàn)象均為巖爆。

目前，對(duì)涉及高溫高地應(yīng)力隧道的巖爆研究正在開展，所涉及的巖爆烈度分級(jí)及分級(jí)依據(jù)還沒(méi)有專題報(bào)道，為此，借鑒Russenes[17]、譚以安[18]、徐林生等[20]學(xué)者研究成果，巖爆烈度分級(jí)及主要分級(jí)依據(jù)見(jiàn)圖2。參考圖2中的巖爆烈度分級(jí)依據(jù)，綜合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)錄的巖爆形跡、發(fā)生范圍、發(fā)生和持續(xù)時(shí)間、巖爆影響深度、聲響，將桑珠嶺隧道巖爆分為輕微、中等、強(qiáng)烈、劇烈4個(gè)等級(jí)(分別以數(shù)字1～4代表以上等級(jí))。

現(xiàn)場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，桑珠嶺隧道全隧巖爆次數(shù)高達(dá)9萬(wàn)多次，且同一里程處巖爆呈現(xiàn)多形式、多層次錯(cuò)綜復(fù)雜的特征。為厘清主次并方便統(tǒng)計(jì)分析，將從打鉆開始到近掌子面圍巖發(fā)出聲響同一時(shí)段內(nèi)連續(xù)發(fā)生的巖爆記作一組，以該組巖爆的最高烈度及最顯著破壞特征作為巖爆的主體特征。現(xiàn)對(duì)2016年11 月—2017年11月施工期間，桑珠嶺隧道第二橫通道工區(qū)D1K183+000—D1K186+500段(共3 500 m)190組巖爆實(shí)錄資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 巖爆基本特征統(tǒng)計(jì)

2.1.1 不同烈度巖爆發(fā)生位置分布特征

在截取的隧道3 500 m范圍內(nèi)，隧道橫斷面內(nèi)不同位置巖爆發(fā)生概率分布圖和各部位不同烈度巖爆統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3(小里程方向正對(duì)開挖面)。分析可見(jiàn)：巖爆發(fā)生組數(shù)由多到少的位置分別是：掌子面、拱頂、右拱腰、邊墻以及其他位置，對(duì)應(yīng)發(fā)生組數(shù)分別是71組、65組、14組、8組。同時(shí)，隧道傍河谷一側(cè)右拱肩、右邊墻和右拱腳位置巖爆烈度更高，巖爆次數(shù)亦明顯多于同一里程段內(nèi)隧道左側(cè)巖爆組次。

分析認(rèn)為：在空間上，巖爆發(fā)生在掌子面及其附近，該范圍在工程開挖卸荷效應(yīng)影響內(nèi)；受雅魯藏布江谷坡地形、河道兩岸巖性及地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，隧道傍河谷一側(cè)巖體內(nèi)部地應(yīng)力將部分釋放，從而在地層中形成初始應(yīng)力分異帶，進(jìn)而影響隧道巖爆發(fā)生的空間分布。

2.1.2 不同烈度巖爆發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間特征

巖爆發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間分析見(jiàn)圖4(a)，開挖12 h內(nèi)的巖爆次數(shù)與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖4(b)。

由圖4(a)、圖4(b)可見(jiàn)，桑珠嶺隧道研究里程段內(nèi)以即時(shí)性應(yīng)變型巖爆為主，其主要體現(xiàn)在以下幾方面：時(shí)間上發(fā)生在開挖后6 h內(nèi)，69.3%的巖爆集中發(fā)生在掌子面開挖后的2～4 h；巖爆次數(shù)隨開挖后暴露時(shí)間的增大呈現(xiàn)先增加后逐漸減小的趨勢(shì)。

2.1.3 不同位置巖爆破壞特征

巖爆形跡實(shí)錄顯示，發(fā)生在隧道不同位置的巖爆具有不同烈度和破壞特征。拱腳處巖爆頻率小，但巖爆后形成規(guī)模較大、棱錐形的爆坑，爆坑最深可達(dá)3 m，爆坑內(nèi)破裂面整齊如刀切，破裂面大致垂直于隧道軸線，見(jiàn)圖 5(a)。在完整性差、結(jié)構(gòu)面發(fā)育的洞段邊墻和大部分的拱頂處，巖爆以板裂化破壞為主。參考周輝等[21]基于錦屏二級(jí)水電站開挖過(guò)程中圍巖板裂化機(jī)制的相關(guān)研究，板裂破壞通常表現(xiàn)為隧道洞壁圍巖出現(xiàn)密集分布的同心圓、洋蔥皮層狀裂紋。在桑珠嶺隧道高地溫高應(yīng)力洞段，以張拉型為主的裂紋切割圍巖形成近似平行于開挖面的巖板，受開挖擾動(dòng)進(jìn)而剝離母巖，形成規(guī)律性的板裂化破壞。片狀巖體直接剝落，片幫剝落具有明顯薄板狀或片狀特征，巖片厚度在18～25 cm之間，最大巖塊長(zhǎng)度達(dá)到0.6 m，見(jiàn)圖5(d)。

在完整性較好、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育或局部發(fā)育的洞段，掌子面和拱頂發(fā)生強(qiáng)烈和劇烈?guī)r爆時(shí)發(fā)出炮彈發(fā)射的巨響聲，產(chǎn)生劇烈的爆裂彈射、拋擲性破壞，見(jiàn)圖5(b)、圖5(c)。由于這部分里程內(nèi)巖爆具有突發(fā)性，會(huì)迅速向圍巖深部發(fā)展，影響深度在2～3 m。現(xiàn)場(chǎng)記錄顯示該類型巖爆造成了隧道掌子面附近臺(tái)架嚴(yán)重毀壞，施工人員受傷的安全事故。

圖5 桑珠嶺隧道典型巖爆破壞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)錄

2.2 初始地應(yīng)力分布特征

根據(jù)桑珠嶺隧道地應(yīng)力反演結(jié)果，得到第二橫通道巖爆高發(fā)段沿隧道軸線方向的初始地應(yīng)力分布。其中，主應(yīng)力值(最大、最小主應(yīng)力，自重應(yīng)力)分布規(guī)律見(jiàn)圖6，由圖6可知，地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力聯(lián)合作用為主。在埋深較大的D1K183+000—D1K185+800段以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，豎向主應(yīng)力總體上與隧道埋深的變化趨勢(shì)一致，量值變化范圍為36.094～36.275 MPa，最大豎向應(yīng)力位于D1K183+300里程；里程段內(nèi)最小水平主應(yīng)力變化不大，量值在2.3～11.5 MPa。

隧道軸線上最大水平主應(yīng)力量值普遍較高，在埋深較淺的D1K185+800—D1K186+500段以水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。由于埋深降低且靠近河谷，地質(zhì)構(gòu)造的影響較大，其值隨著隧道埋深的減小而逐漸減小，但最大水平主應(yīng)力整體上大于自重應(yīng)力；隧道工程區(qū)域整體應(yīng)力場(chǎng)的分布整體較線性，只在近斷層處出現(xiàn)突變。

圖6 D1K183+000—D1K186+500隧道軸線主應(yīng)力分布圖

2.3 開挖卸荷洞周二次應(yīng)力特征

采用洞壁二次應(yīng)力解除法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開挖后巖壁的切向應(yīng)力。量測(cè)點(diǎn)選定在隧道開挖掌子面附近洞壁，要求能最大限度保證試驗(yàn)人員安全、方便現(xiàn)場(chǎng)操縱且?guī)r體完整、受爆破影響不大?，F(xiàn)場(chǎng)鉆一深度為50 mm的孔，用鉆頭將孔底磨平、磨光后在孔底粘貼電阻應(yīng)變片，見(jiàn)圖7。利用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀讀初始讀數(shù)后，套鉆取下長(zhǎng)度為50 mm的巖芯，讀取解除后的巖芯應(yīng)變值。根據(jù)彈性力學(xué)理論，代入巖石彈性常數(shù)、測(cè)試應(yīng)變值，進(jìn)而推算測(cè)試處巖體所受各向應(yīng)力大小。

圖7 洞壁二次應(yīng)力解除

結(jié)合相關(guān)判據(jù)[22-23]，將現(xiàn)場(chǎng)巖爆高發(fā)段洞壁二次應(yīng)力解除法測(cè)試并計(jì)算得到的洞周應(yīng)力情況直觀形象地展示見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)：D1K183+000—D1K186+500段均處在中等—強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察認(rèn)為，桑珠嶺隧道的巖爆發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，包含了眾多類型的巖爆機(jī)制特征。在斷面埋深最大、自重應(yīng)力場(chǎng)最高的位置，以拱腳處發(fā)生圍巖內(nèi)部影響深度大、爆坑規(guī)模大的破壞，屬于剪切斷裂型巖爆；在斷面埋深迅速降低的里程區(qū)域，隨著隧道埋深變化，地應(yīng)力也出現(xiàn)復(fù)雜變化，在自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生交替過(guò)渡段，碎裂圍巖經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造反復(fù)作用，內(nèi)部能量已得到一定的釋放，拱頂、拱腰、邊墻等部位多以密集的輕微—中等巖爆為主，呈現(xiàn)低烈度、高頻次的特征，屬于應(yīng)變型巖爆；在近巴玉斷層附近，應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)突變，開挖卸荷過(guò)程中掌子面和拱頂處產(chǎn)生了以爆裂彈射、拋擲形跡為主的劇烈?guī)r爆破壞，屬于斷層滑移型巖爆。

圖8 圍巖洞壁二次應(yīng)力分布圖

2.4 高溫分布及溫降特征

為了進(jìn)一步掌握隧道巖爆高發(fā)段高地溫分布以及開挖中巖體內(nèi)部、洞壁面溫降特征，揭示巖爆-高地溫-溫降量之間可能的聯(lián)系，獲得熱力耦合計(jì)算中的溫度邊界，課題組在施工中就隧道不同埋深時(shí)的原始地溫分布情況、以及正常通風(fēng)情況下不同時(shí)間的巖石壁面溫度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案包括：利用布設(shè)在隧道兩側(cè)邊墻處的紅外測(cè)溫儀測(cè)試洞壁面溫度，通過(guò)不同深度測(cè)溫孔測(cè)試圍巖中的溫度。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪出桑珠嶺隧道不同里程、不同埋深掌子面初始地溫分布，不同通風(fēng)時(shí)間內(nèi)的圍巖壁面溫降，以及開挖后不同時(shí)間洞壁溫度變化與巖爆分布見(jiàn)圖9。由圖9(a)可知，在隧道巖爆高發(fā)段，隧道圍巖溫度分布與埋深較為一致。由圖9(b)可知，在最大埋深處圍巖最高溫度89.6 ℃，在正常通風(fēng)3 h后其壁面溫度依然有40 ℃；在埋深為780 m處的圍巖溫度也在32 ℃左右，正常通風(fēng)后依然高于鐵路隧道施工安全要求的上限溫度(28 ℃)；由圖9(c)可知，巖爆發(fā)生頻率最高的區(qū)域與溫降急劇降低的區(qū)域存在較大的重疊。可見(jiàn)高溫在深埋段隨通風(fēng)雖有所降低但依然嚴(yán)峻，同時(shí)，高地溫隧道開挖過(guò)程中的溫降與巖爆的發(fā)生之間存在一定聯(lián)系。

圖9 初始巖溫及圍巖壁面溫降與巖爆分布

3 桑珠嶺隧道巖爆機(jī)制探討

結(jié)合以上統(tǒng)計(jì)分析，考慮高地應(yīng)力、開挖卸荷和溫度作用，利用開挖卸荷-溫降耦合數(shù)值模型，對(duì)高地溫高地應(yīng)力下巖爆破壞機(jī)制進(jìn)行探討。

3.1 開挖過(guò)程中的洞周溫度場(chǎng)

借助Ansys有限元軟件，采用間接熱力耦合分析方法，先進(jìn)行熱分析再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。其中，結(jié)構(gòu)分析部分采用DP屈服準(zhǔn)則，利用二維平面應(yīng)變計(jì)算模型模擬隧道開挖應(yīng)力釋放過(guò)程中的開挖應(yīng)力釋放-溫降耦合計(jì)算。建立熱模型見(jiàn)圖10。其中模型幾何尺寸為100 m×120 m(高×寬)，模型單元26 136個(gè)。為模擬開挖引起的溫度分布情況，模型上下左右溫度邊界設(shè)定為89 ℃，并以多組溫度作為隧道洞壁面溫度邊界，進(jìn)而簡(jiǎn)化計(jì)算。模型參數(shù)見(jiàn)表1，通過(guò)瞬態(tài)熱分析得到隧道開挖后的節(jié)點(diǎn)溫度，得到隧道開挖后不同邊界條件時(shí)的溫度云圖，見(jiàn)圖11。

表1 模型相關(guān)物理力學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)

圖10 數(shù)值計(jì)算模型

圖11 隧道開挖后洞周溫度分布云圖(單位：℃)

選取隧道洞壁15、65 ℃邊界條件時(shí)的溫度云圖，見(jiàn)圖11。由圖11可知，相對(duì)模型尺寸而言，溫度變化只在洞壁較薄的一層發(fā)生，變溫區(qū)在15～30 cm之間，且變溫區(qū)的尺寸與洞壁邊界溫度量值關(guān)系不大。計(jì)算結(jié)果與2.1節(jié)現(xiàn)場(chǎng)巖爆巖塊的板狀或片狀特征以及巖片18～25 cm厚度相一致。

參考文獻(xiàn)[24]并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)錄可見(jiàn)，在近隧道開挖面的降溫區(qū)內(nèi)，由于巖體內(nèi)外大溫差影響，圍巖由臨空面向內(nèi)部切割形成多組近似平行的、近同心圓狀的溫度裂縫，這些溫度裂紋受逐漸增大的切向應(yīng)力作用，進(jìn)而擴(kuò)大并連接形成新的結(jié)構(gòu)面，見(jiàn)圖12。

圖12 降溫區(qū)內(nèi)圍巖板裂化破壞結(jié)構(gòu)面形成示意圖

3.2 開挖過(guò)程中的熱力耦合分析

固定洞壁邊界溫度量值為25 ℃，根據(jù)2.4節(jié)反演得到的地溫梯度計(jì)算出不同埋深時(shí)的模型溫度邊界。假設(shè)花崗巖的物理力學(xué)參數(shù)保持不變，利用ETCHG命令，將熱單元轉(zhuǎn)換作結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行求解。根據(jù)表2定義結(jié)構(gòu)材料特性，上邊界豎直向下施加σy，右邊界水平向左施加σx，其中σx和σy的大小根據(jù)埋深進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 桑珠嶺隧道區(qū)段地溫及構(gòu)造應(yīng)力表

對(duì)隧道附近圍巖進(jìn)行彈塑性有限元分析。采用平面四邊形等參單元，并在計(jì)算模型的下邊界施加豎向約束，左邊界施加水平約束。求解隧道開挖前的初始地應(yīng)力場(chǎng)，并提取洞壁等效節(jié)點(diǎn)力；在隧道開挖過(guò)程中，通過(guò)施加等效節(jié)點(diǎn)力來(lái)模擬圍巖應(yīng)力釋放情況，其中應(yīng)力釋放率按20%遞增。

在模型上分別施加等效節(jié)點(diǎn)力以及從熱分析中讀取的節(jié)點(diǎn)溫度。求解荷載步，實(shí)現(xiàn)隧道開挖溫降過(guò)程熱力間接耦合計(jì)算，進(jìn)而得到隧道開挖應(yīng)力釋放過(guò)程中的洞周切向應(yīng)力σθ及最大主應(yīng)力σ1分布云圖。限于篇幅，論文僅給出地溫85 ℃，洞壁溫25 ℃時(shí)的洞周應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖13。

圖13 85 ℃時(shí)不同應(yīng)力釋放率時(shí)σ1、σθ云圖(單位：Pa)

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，繪出2組不同埋深、不同應(yīng)力情況和不同溫降量時(shí)隧道不同位置在洞周應(yīng)力釋放過(guò)程中的最大主應(yīng)力，和洞周切向應(yīng)力變化曲線，見(jiàn)圖14。

圖14 不同溫差時(shí)洞周最大主應(yīng)力和洞周切向應(yīng)力分布變化曲線

由圖13、圖14可知：

(1)隧道開挖，應(yīng)力釋放率從20% 增加到100% 過(guò)程中圍巖整體受壓且受壓范圍逐漸收窄，同時(shí)，就壓應(yīng)力增加情況來(lái)看，在以自重應(yīng)力場(chǎng)為主的埋深段(埋深1 400 m)側(cè)壓力系數(shù)λ=σx/σy<1，壓應(yīng)力隨溫度升高而增大，且拱腳處增長(zhǎng)最快，拱頂次之；在以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主的淺深段(埋深600 m)側(cè)壓力系數(shù)λ=σx/σy>1，應(yīng)力在兩邊墻、拱腰處增長(zhǎng)最快。

(2)溫降量越高，σθ及σ1增長(zhǎng)越快；當(dāng)應(yīng)力釋放率達(dá)到100%時(shí)，溫差60 ℃時(shí)的σθ增加幅度均大幅提升，可見(jiàn)，高溫巖體開挖出現(xiàn)的大溫差使洞周圍巖產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，增加了應(yīng)力釋放過(guò)程中的洞周應(yīng)力發(fā)展速度。

(3)隧道開挖前原巖溫度和開挖后洞壁溫度差越大，對(duì)隧道洞周溫度應(yīng)力變化影響越明顯，當(dāng)溫差分別為15、60 ℃時(shí)，斜率分別在應(yīng)力釋放率達(dá)到60%、40% 時(shí)增加，可見(jiàn)，溫差越大，洞周圍巖最大切向應(yīng)力σθ及最大主應(yīng)力σ1增長(zhǎng)越快。

(4)在隧道洞壁面后15～30 cm，高溫巖體的迅速降溫導(dǎo)致硬脆圍巖開裂，與開挖卸荷作用共同導(dǎo)致圍巖板裂化結(jié)構(gòu)面的形成，在切向集中應(yīng)力的不斷增加過(guò)程作用下，巖板向隧道凈空屈曲變形，在外界擾動(dòng)作用下極易發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)破壞，形成以巖板壓折、巖塊彈射為特征的巖爆現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文對(duì)新建川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道開挖過(guò)程中觀察、記錄的大量巖爆、溫度、應(yīng)力資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并從熱力學(xué)角度就巖爆破壞機(jī)理進(jìn)行了探討，得出如下結(jié)論：

(1)桑珠嶺隧道高地溫高應(yīng)力段主要以即時(shí)型巖爆為主，開挖后4 h以內(nèi)是巖爆高峰期，巖爆頻率隨開挖時(shí)間的推移呈減小趨勢(shì)。

(2)高溫巖體開挖后降溫區(qū)主要分布在掌子面、拱頂和邊墻洞壁15～30 cm范圍內(nèi)，巖爆發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間與溫降量線性相關(guān)，且邊墻處巖石呈現(xiàn)板裂化巖爆特征，破裂板狀、片狀18～25 cm厚度與溫降范圍重合。

(3)高地溫高應(yīng)力隧道的巖爆發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，包含了眾多類型的巖爆機(jī)制特征，其中主要以大埋深位置剪切斷裂型巖爆，自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生交替過(guò)渡段的低烈度、高頻次的應(yīng)變型巖爆和近斷層附近的斷層滑移型巖爆為主。

(4)高地溫在開挖釋熱過(guò)程中使巖體產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力，同時(shí)，較大的溫降量在圍巖較薄區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的較大溫差與開挖卸荷作用共同導(dǎo)致圍巖板裂化結(jié)構(gòu)面的形成，隨著開挖過(guò)程中的最大切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力增加，在熱力耦合作用下加速了巖爆的發(fā)生。