鄧媛媛 曲宏略* 張新尚 張曉龍 鄧興洋 張建經(jīng)

（1、西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610500 2、云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明650000 3、云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司市政總承包部，云南 昆明650000 4、西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都610031）

巖爆是高應(yīng)力地區(qū)隧道施工常見的現(xiàn)象，也是深埋硬巖隧道施工中比較嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[1]。巖爆的發(fā)生會對施工人員、施工機械和施工進(jìn)度造成嚴(yán)重的影響，甚至?xí)?dǎo)致隧道廢用。近年來，關(guān)于巖爆的預(yù)測國內(nèi)外眾多學(xué)者做了很多研究，從多個角度提出了眾多的巖爆判據(jù)，目前可對巖爆進(jìn)行預(yù)測的方式主要分為兩大類[2-3]：一類是在地下工程施工過程中使用實驗儀器對其進(jìn)行監(jiān)測和測試的實際試驗方法，巖爆發(fā)生與否根據(jù)測試指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，一般使用的方法有微重力法、流變法、回彈法、微震法等；另一類以巖石的單軸抗壓強度與地應(yīng)力的比值作為巖爆預(yù)測等級的重要指標(biāo)的理論方法，或以切向應(yīng)力、地下洞室軸向應(yīng)力之和與單軸抗壓強度之比作為判據(jù)，理論法將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆以及強烈?guī)r爆三個等級[4-10]。盡管關(guān)于巖爆判據(jù)已經(jīng)有不少的理論研究，但對于巖爆發(fā)生的可能性及巖爆等級的指標(biāo)范圍標(biāo)準(zhǔn)不一，其在實際工程中的適用性還有待進(jìn)一步研究。因此，基于現(xiàn)場空芯包體法和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)力判據(jù)法對草果山隧道進(jìn)行施工期巖爆預(yù)測研究，再根據(jù)現(xiàn)場觀測對應(yīng)力判據(jù)法的適用性進(jìn)行探討。

1 工程概況

草果山隧道為蔓耗至金平高速公路的最長分離式隧道，草果山隧道起訖樁號：左線ZK33+947.04-ZK40+952，右線YK33+955-YK40+960。隧道全長7005m，為特長隧道，海拔高程介于1125.074～2126.000m 之間，相對高差1000.926m，最大埋深903.8m。

屬構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)，隧道區(qū)地形起伏大，地表植被發(fā)育，以喬木、松林及農(nóng)田為主，隧址區(qū)巖性以二長巖、花崗巖為主，隧道地形和地質(zhì)簡圖見圖1。

2 基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的巖爆預(yù)測分析

巖爆的形成與發(fā)生機制復(fù)雜，對工程危害極大。而巖爆預(yù)測能夠針對巖爆防治工作提供關(guān)鍵信息，是指導(dǎo)施工的依據(jù)。為能夠?qū)Σ莨剿淼缼r爆發(fā)生情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，利用空芯包體應(yīng)力解除法對隧道已開挖工作面的地應(yīng)力進(jìn)行實測。因隧道較長施工段較多，且試驗方法相同，擬采取隧道沿線五個工況點的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測對應(yīng)力判據(jù)的適用性進(jìn)行驗證，如圖1 所示。

表1 應(yīng)力判據(jù)表

圖1 草果山隧道地質(zhì)簡圖及擬預(yù)測的測點布置情況

2.1 巖爆應(yīng)力判據(jù)

目前國內(nèi)外的應(yīng)力巖爆判據(jù)有Russense 判據(jù)、Hoke 判據(jù)、Barton 判據(jù)、陶振宇判據(jù)、王蘭生判據(jù)，各個判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)及巖爆等級劃分如表1 所示[11-12]。

2.2 基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的巖爆判據(jù)計算

根據(jù)彈性力學(xué)公式[13]，對上述應(yīng)力判據(jù)所涉及到的參數(shù)進(jìn)行計算，平面主應(yīng)力可表示為：

上式：σ1——最大水平主應(yīng)力（MPa）；σh——為最小水平主應(yīng)力（MPa）

上式：α——最大水平主應(yīng)力與隧道走向的夾角；σv——豎向主應(yīng)力；σmax——橫截面最大主應(yīng)力；σθ——洞壁最大切向應(yīng)力。

通過對現(xiàn)場的測點進(jìn)行空芯包體法測量地應(yīng)力，各測點對應(yīng)的應(yīng)力分量值表如下：

表2 各測點應(yīng)力分量值

表3 對應(yīng)測點的抗壓強度

基于本隧道段巖樣室內(nèi)巖石力學(xué)試驗測試成果，結(jié)合草果山隧道地質(zhì)資料，得到對應(yīng)測點處的抗壓強度，即應(yīng)力判據(jù)中Rc的參考取值，如表3 所示。

基于現(xiàn)場所測得的應(yīng)力分量值，代入以上公式可得σθ和σ1，對現(xiàn)場測點進(jìn)行不同應(yīng)力判據(jù)的巖爆預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如下：

表4 各測點在不同判據(jù)下的巖爆預(yù)測結(jié)果

由上表可知，對同一測點下，不同應(yīng)力判據(jù)所得到的巖爆等級有所差異，例如對于測點K39+440 處，Russenes 和陶振宇判據(jù)得出中等巖爆結(jié)論，王蘭生判據(jù)的結(jié)論為輕微巖爆，Hoek 和Barton 判據(jù)未給出明確的巖爆等級。

3 現(xiàn)場巖爆實際觀測對比分析

結(jié)合K35+140、K35+506 工況點附近的實際觀測情況來看，無任何巖爆發(fā)生的現(xiàn)象，因此判定為無巖爆發(fā)生；左洞出口k36+184 斷面附近巖爆發(fā)生時主要表現(xiàn)特征為：響聲大而急僅三聲，間隔時間2 分鐘，總共持續(xù)10 分鐘。響聲后出現(xiàn)了開裂、掉塊現(xiàn)象。掉塊影響范圍長約2 米，高約2 米，深度約10-30 厘米，方量約1-2 立方米。根據(jù)巖爆發(fā)生的現(xiàn)象以及特點，判定該工況點附近發(fā)生中等巖爆；左洞出口k39+175 右壁附近巖爆發(fā)生時主要表現(xiàn)特征為：響聲大而急，間隔時間5-10 秒，有時間隔時間為30 分鐘，總共持續(xù)2 小時。響聲后出現(xiàn)開裂、掉塊現(xiàn)象。掉塊影響范圍長約3 米，高約2 米，深度約10-30 厘米，方量約1-2 立方米。判定該斷面附近發(fā)生中等巖爆；右洞出口K39+460-K39+440 斷面附近巖爆發(fā)生時主要表現(xiàn)特征為：連續(xù)三天均發(fā)生巖爆，每日持續(xù)3-5 小時。共有13 次響聲，5 次掉塊，最小掉塊直徑約10-12 厘米，最大約30 厘米。判定該斷面附近發(fā)生輕微巖爆；對比分析各測點附近應(yīng)力判據(jù)和現(xiàn)場實際觀測所得到的巖爆等級可知，王蘭生和陶振宇判據(jù)更加符合草果山隧道以及與草果山地質(zhì)情況相近的高地應(yīng)力區(qū)的隧道工程的實際情況。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，用已有的應(yīng)力判據(jù)對草果山隧道在開挖過程中可能會發(fā)生的巖爆情況進(jìn)行預(yù)測，再結(jié)合現(xiàn)場實際開挖過程中所觀測到的巖爆實際發(fā)生情況進(jìn)行對比分析可知，現(xiàn)有的幾種應(yīng)力判據(jù)中，對于本公路隧道，王蘭生和陶振宇判據(jù)預(yù)測的巖爆傾向性和現(xiàn)場開挖過程中實際觀測到的巖爆等級更加接近，因此建議在相似工程高地應(yīng)力區(qū)使用應(yīng)力判據(jù)對待開挖隧道進(jìn)行巖爆預(yù)測時，優(yōu)先考慮使用王蘭生和陶振宇判據(jù)。