胡恒千

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

巖爆是一種巖體從母巖脫離，并伴隨能量釋放的物理現(xiàn)象，是一種對人員和設(shè)備存在安全隱患的地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。 國內(nèi)外對其發(fā)生機理、發(fā)生條件和預(yù)判等多個方面進(jìn)行了大量的研究。 萬姜林等[3]在太平驛電站引水隧洞施工現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)查研究，記錄分析了433 次巖爆，研究發(fā)現(xiàn)了巖爆的獨特形成機理；劉立鵬等[4]依托錦屏二級水電站隧洞施工中發(fā)生的巖爆事件，利用FLAC3D 軟件模擬分析，從應(yīng)力釋放率對巖爆發(fā)生機理和特征進(jìn)行了解釋；張津生等[5]以天生橋二級水電站引水隧洞為例，分析了巖爆的特征；吳文平等[6]在劃分深埋硬巖隧洞圍巖的破壞模式的過程中將巖爆分為應(yīng)變型巖爆和結(jié)構(gòu)面型巖爆兩種；馮夏庭[7]、陳炳瑞[8]等人根據(jù)錦屏二級水電站引水隧洞現(xiàn)場巖爆的時空顯現(xiàn)特征，將巖爆分為即時型巖爆和時滯型巖爆兩類。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者對巖爆問題各方面研究做出了很多努力，但隨著地下工程埋深越來越大和巖爆形成過程及影響因素的復(fù)雜性，目前對于巖爆機制和預(yù)測等研究還不十分成熟，所以對工程現(xiàn)場的巖爆數(shù)據(jù)分析就顯得尤為重要，雖然周德培[9]、徐林生[10]等人在太平驛隧洞、二郎山公路隧道等多項工程中對現(xiàn)場巖爆進(jìn)行過統(tǒng)計分析，并研究其發(fā)生規(guī)律，為巖爆研究提供了重要依據(jù)，但是引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞比國內(nèi)外深埋長隧洞更深更長，所處的地質(zhì)條件也更加復(fù)雜。 因此，有必要展開巖爆相關(guān)影響因素的研究，并為進(jìn)一步的巖爆預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。

本文以引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞5 號洞TBM 施工段為工程背景，通過對2018 年下半年內(nèi)現(xiàn)場巖爆統(tǒng)計資料的整理，并結(jié)合微震監(jiān)測分析了巖爆的時空分布特征。

2 工程背景

2.1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺北TBM 施工段位于陜西省周至縣，標(biāo)段全長16 690 m(樁號K46 ＋360 ～K63 ＋050)，隧洞平均坡降1/2 500[11]，高程范圍1 070 ～1 850 m，洞室最大埋深約1 570 m。 原生層理、淺層風(fēng)化節(jié)理、裂隙較發(fā)育，次生構(gòu)造節(jié)理裂隙總體不發(fā)育，節(jié)理、裂隙的充填性較好，洞身段位于弱風(fēng)化-微風(fēng)化巖體中，巖體破碎-較完整[12]。 圖1 為引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺北TBM 施工段5 號洞段地質(zhì)縱斷面圖。

圖1 5 號洞段地質(zhì)縱斷面圖

2.2 巖爆基礎(chǔ)統(tǒng)計

2018 年7 月1 日至2018 年12 月24 日，嶺北5 號洞主洞段有記錄的巖爆統(tǒng)計為82 次，其中強烈?guī)r爆3次，占比3.7%，其余均為中等巖爆和輕微巖爆，占比96.3%，無極強巖爆發(fā)生。 在地應(yīng)力和TBM 掘進(jìn)擾動共同作用下引起該段巖爆事件發(fā)生，在隧洞埋深相對較淺情況下，巖爆受構(gòu)造應(yīng)力影響為主，在隧洞埋深相對較深的情況下，巖爆受TBM 掘進(jìn)速度、巖體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力三個因素共同影響。

3 巖爆空間分布特征

3.1 巖爆軸向分布特征

所研究洞段里程為K47 ＋150 ～K46 ＋360，共790 m，沿里程方向研究巖爆的軸向分布特征。 巖爆軸向分布特征如圖2 所示，此圖為每段里程內(nèi)巖爆發(fā)生次數(shù)、破壞長度、微震事件數(shù)量及能量和巖爆發(fā)生時隧洞垂直埋深的最大值之間的關(guān)系圖。

受工程地質(zhì)影響，隨著里程數(shù)的減少，隧洞垂直埋深逐漸增加。 從圖2 中可以看出，巖爆的發(fā)生數(shù)量和破壞長度也隨里程數(shù)的減少呈現(xiàn)出總體增加的態(tài)勢，但在K46 ＋750 ～K46 ＋365 之間卻出現(xiàn)高位振蕩現(xiàn)象，且?guī)r爆數(shù)量峰值出現(xiàn)在K46 ＋650 ～K46 ＋550 洞段，破壞長度峰值出現(xiàn)在K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段；微震事件數(shù)和微震能量曲線也有沿軸線方向逐漸增加的趨勢，并在K46 ＋550 ～K46 ＋365 洞段出現(xiàn)急劇上升現(xiàn)象。 發(fā)生圖2 這種現(xiàn)象的主要原因為：隨著里程數(shù)的減小，隧洞埋深逐漸增加，垂直應(yīng)力逐漸增大。 巖爆發(fā)生的概率逐漸增加，表明了軸向巖爆的空間分布受垂直應(yīng)力作用影響較大。 巖爆發(fā)生數(shù)量和破壞長度峰值分布于不同里程段的主要原因在于K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段發(fā)生了兩次強烈?guī)r爆，相比于中等及其以下巖爆，強烈?guī)r爆的破壞強度更大，而微震事件及其能量的突增現(xiàn)象表明巖體破裂比較劇烈，擾動程度更強，進(jìn)一步解釋說明了強烈?guī)r爆和中等巖爆的區(qū)別，所以巖爆數(shù)量的震蕩起伏和巖爆數(shù)量及破壞長度峰值出現(xiàn)在不同洞段說明了巖爆在不同洞段會發(fā)生不同類型的巖爆，其破壞程度受巖爆數(shù)量和等級影響，同時也說明微震事件可以很好地解釋現(xiàn)場巖爆發(fā)生過程和破壞強度。雖然K46 ＋750 ～K46 ＋365 巖爆發(fā)生數(shù)量最多，為巖爆高風(fēng)險區(qū)，但是K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段破壞力度較大，為事故高風(fēng)險區(qū)。

綜上所述，秦嶺隧洞5 號洞主洞段的巖爆軸向空間分布特征受垂直應(yīng)力影響作用較大，總體隨著里程數(shù)的減小呈上升趨勢，在K46 ＋750 ～K46 ＋365洞段呈現(xiàn)高位震蕩。 同時研究表明里程K46 ＋750～K46 ＋365 洞段為巖爆高發(fā)洞段，發(fā)生巖爆數(shù)占總巖爆數(shù)量的77%。 里程K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段出現(xiàn)兩次強烈?guī)r爆，對巖體造成的破壞較大，為事故高風(fēng)險洞段。 此外微震監(jiān)測可以很好地解釋現(xiàn)場巖爆發(fā)生過程和破壞強度。

3.2 巖爆橫斷面分布特征

橫斷面巖爆分布特征的研究有利于隧洞的針對性側(cè)面支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)有巖爆位置描述和記錄數(shù)據(jù)(見表1)，繪制不同位置巖爆數(shù)量占比圖，如圖3 所示。根據(jù)表1 和圖3 可以看出巖爆主要發(fā)生在右側(cè)拱肩(面向掌子面方向)位置，占比55%，超過總量的一半以上，且強烈?guī)r爆均發(fā)生在右側(cè)拱肩位置。 拱頂和左側(cè)拱肩位置發(fā)生巖爆數(shù)量不及右側(cè)拱肩一半，其原因為：研究洞段裂隙較發(fā)育，受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，使主應(yīng)力作用于右側(cè)拱肩位置，在相同斷面，巖體的巖性相似，承載能力也相差不多，但由于右側(cè)拱肩承受應(yīng)力較大，導(dǎo)致右拱肩發(fā)生巖爆次數(shù)最多，破壞最嚴(yán)重，且三次強巖爆均發(fā)生在右拱肩位置。

表1 現(xiàn)有巖爆描述和記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖3 橫斷面巖爆位置分布

綜合分析表明：秦嶺隧洞5 號洞主洞段的橫斷面巖爆產(chǎn)生受地應(yīng)力影響作用較大，巖爆發(fā)生位置主要集中在右側(cè)拱肩，且強烈?guī)r爆均位于右拱肩發(fā)生，所以斷面分布中右側(cè)拱肩巖體穩(wěn)定性相對較低，在支護(hù)過程中應(yīng)加強拱頂及右側(cè)支護(hù)，增強巖體穩(wěn)定性。

4 巖爆與掌子面時空關(guān)系研究

根據(jù)第2 章的分析和巖爆記錄數(shù)據(jù)，選取里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 為研究洞段，9 月1 日至12月24 日為研究時間段。 該時間段共發(fā)生巖爆69次。 此處巖爆發(fā)生位置選取破壞長度距離掌子面最近的一端為參照點，并以1 m 為一分段，圍巖揭露時間以掌子面推進(jìn)過程中時間段為參照點，以間隔天數(shù)為單位。 其具體統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，巖爆發(fā)生位置主要是在掌子面位置，發(fā)生頻次34 次，占比49%，接近半數(shù)。 巖爆發(fā)生時間主要在掌子面開挖擾動后一天之內(nèi)，發(fā)生頻次46 次，占比67%。 圖4 為巖爆發(fā)生位置與時間和掌子面之間的關(guān)系圖。

圖4 巖爆發(fā)生位置與時間和掌子面之間的關(guān)系

如圖4 所示，巖爆發(fā)生位置距離掌子面的長度和圍巖開挖擾動后發(fā)生巖爆的時間間隔變化趨勢較為相似，為總體先減小后增大再減小，不同之處為巖爆與掌子面位置關(guān)系曲線的結(jié)尾處有一個向上翹起的“小尾巴”。 圖4a 表明巖爆的發(fā)生位置主要集中在掌子面后方4 m 范圍之內(nèi)，而隨著距離的增加，巖爆發(fā)生的機率逐漸減小，“小尾巴”翹起表明距離掌子面較遠(yuǎn)地方雖然發(fā)生巖爆的可能性較小，但也存在發(fā)生巖爆的可能性。 圖4b 的變化趨勢表明研究洞段的巖爆發(fā)生時間大多數(shù)集中在掌子面開挖后24 h 之內(nèi)，而隨著巖體揭露時間的增加，發(fā)生巖爆的可能性逐漸減小，對于研究洞段，間隔5 d以后沒有巖爆發(fā)生，說明該洞段應(yīng)力調(diào)整時間一般為5 d，但因為隧洞施工條件的復(fù)雜性，并不能否定5 d 以后沒有發(fā)生巖爆的可能。 根據(jù)兩圖的擬合曲線可知，隨著與掌子面之間的距離增加和巖體暴露時間的增長，巖爆發(fā)生的機率都呈逐漸減小的趨勢。 分析圖4 現(xiàn)象的主要原因在于：巖體開挖過程中，掌子面附近的巖體應(yīng)力調(diào)整比較劇烈，在快速調(diào)整的應(yīng)力場中巖體來不及轉(zhuǎn)移或吸收應(yīng)力，在應(yīng)力超過自身極限承載能力后發(fā)生破壞，因此掌子面附近巖體是隧道開挖過程中最容易和最快發(fā)生巖爆的高風(fēng)險區(qū)。 掌子面附近的巖爆釋放了大量的彈性應(yīng)變能后，應(yīng)力向四周調(diào)整的力度有所減小，因而隨著與掌子面距離的增加，發(fā)生巖爆的可能性逐漸減小，但因為巖體自身內(nèi)部組成的復(fù)雜性，應(yīng)力集中并不會隨著與掌子面距離的增加而均勻地調(diào)整，所以在距離掌子面2 m 的位置出現(xiàn)了折線“尖角”。 同樣的道理也說明了巖體剛開挖時，短時間內(nèi)應(yīng)力經(jīng)過劇烈調(diào)整，導(dǎo)致巖體開挖24 h 內(nèi)是巖爆的高發(fā)生時間段。 而隨著時間的推移，應(yīng)力調(diào)整的劇烈程度越來越弱，5 d 之內(nèi)基本完成二次應(yīng)力平衡，隨著巖體暴露時間增長，巖爆發(fā)生的幾率越來越小。 同樣因為巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，應(yīng)力調(diào)整過程中不會以掌子面為中心向四周均勻散射，所以產(chǎn)生了掌子面揭露后2 ～5 d 內(nèi)巖爆發(fā)生頻次高低變化的現(xiàn)象。

綜上所述，秦嶺隧洞5 號洞主洞段里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 洞段巖爆發(fā)生的位置主要集中在掌子面及其4 m 范圍內(nèi)(此處不包含巖爆影響的范圍)，應(yīng)力調(diào)整主要集中在24 h 內(nèi)，5 d 內(nèi)可以基本完成應(yīng)力調(diào)整。

5 微震事件時域分布規(guī)律

微震事件是巖體內(nèi)部活動的表現(xiàn)形式，為了更好地展現(xiàn)微震事件的活動規(guī)律，選取11 月份發(fā)生的一次強烈?guī)r爆來展現(xiàn)微震事件和巖爆的空間演化規(guī)律。 圖5 為掘進(jìn)過程中巖爆事件、震級及其釋放能量的發(fā)生規(guī)律，圖中圓點數(shù)量表示巖爆發(fā)生次數(shù)，圓點大小表示巖爆釋放能量的大小，圓點顏色由紫變紅表示震級由小增大。

圖5 巖爆事件、震級及其釋放能量的發(fā)生規(guī)律

以11 月13 日為初始掌子面的掘進(jìn)位置，11 月19 日為掌子面結(jié)束位置。 從圖5 中可以看出，在11月13 日時，微震事件在掌子面周圍離散分布，且數(shù)量和能量均比較弱勢，沒有明顯的規(guī)律，說明深部巖體正處于應(yīng)力累積狀態(tài)。 在14 日到15 日微震事件逐漸在掌子面周圍聚集，并集中分布，且震級和能量都出現(xiàn)危險預(yù)警，表明此時巖體內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整比較活躍，裂隙數(shù)量增多，有裂隙貫通的可能性，應(yīng)發(fā)出預(yù)警信號，在16 日時，由于掌子面的持續(xù)推進(jìn)，微震事件在掌子面周圍集結(jié)成核，表明此時裂隙發(fā)生貫通，巖體出現(xiàn)大面積破壞現(xiàn)象，實際情況是當(dāng)天在K46 ＋550 ～K46 ＋539 里程段的右側(cè)拱部發(fā)生了強烈?guī)r爆，這與前面分析該洞段易發(fā)生巖爆相符。 17 日時，微震事件分布呈現(xiàn)出長條形離散狀態(tài)，原來的微震集核區(qū)開始“擴漲”，說明此時應(yīng)力正在發(fā)生轉(zhuǎn)移，不會輕易發(fā)生巖爆，但是會有發(fā)生“余震”的可能。 18 日時微震事件數(shù)量迅速減少，于掌子面附近離散分布，且事件能量和震級也較小，說明16 日發(fā)生的巖爆能量釋放比較徹底，且在經(jīng)歷過2 d 的應(yīng)力調(diào)整后，巖體基本趨于穩(wěn)定，這與前面分析的巖爆應(yīng)力調(diào)整時間也十分吻合。

6 結(jié)論

(1)地應(yīng)力對巖爆的空間分布特征影響作用較大。 巖爆的軸向分布受垂直應(yīng)力影響作用較大，橫斷面分布主要集中在拱頂和拱肩位置，受主應(yīng)力方向的影響作用較大。

(2)巖爆發(fā)生的位置主要集中在掌子面及其4 m范圍內(nèi)，應(yīng)力調(diào)整主要集中在24 h 內(nèi)，5 d 內(nèi)可以基本完成應(yīng)力調(diào)整。

(3)微震監(jiān)測系統(tǒng)分析研究結(jié)果可以很好地解釋現(xiàn)場實際巖爆的孕育規(guī)律和時空分布特征。