謝卓雄, 高筠涵, 王志偉, 汪 波

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

1 工程概況

鴻圖嶂隧道位于廣東省豐順縣和五華縣境內(nèi)，是大(埔)豐(順)(五)華高速公路的控制性工程，隧道穿越中低山地貌區(qū)，地面標(biāo)高243～1037m，相對高差約794m，山體植被發(fā)育。隧道設(shè)計為雙向分離式，雙線中心間距約40m；隧道全長6175m，隧底標(biāo)高239～358m，隧道最大埋深約740m，如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面圖

隧道設(shè)計行車速度100 km/h。隧道準(zhǔn)斷面凈寬約11.8 m，凈高約7.2 m(見圖2)。隧道按新奧法設(shè)計和施工。隧址區(qū)巖性以花崗巖為主，巖體完整性好，強度高。受區(qū)域構(gòu)造影響，隧址區(qū)原巖應(yīng)力場以水平應(yīng)力場為主，且隨深度變化，各不相同，深埋段巖體因受高圍壓作用，隧道開挖引起洞周應(yīng)力重分布后，可能產(chǎn)生的巖爆將危及洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的安全。因此，為了充分保證施工的安全性，對鴻圖嶂隧道進行巖爆預(yù)測研究具有重要的工程的指導(dǎo)意義。

圖2 隧道斷面圖(單位: mm)

2 隧址區(qū)巖性及應(yīng)力場特征

2.1 隧址區(qū)巖性特征

隧址區(qū)巖性主要為燕山早期花崗巖和侏羅系安山玢巖，呈灰白、淺肉紅色，中～粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，隧道區(qū)基巖表部覆蓋有第四系殘坡積層。洞身主要穿過微風(fēng)化新鮮花崗巖，局部穿越小型斷裂帶，巖石強度高、性脆，據(jù)室內(nèi)試驗測得隧址區(qū)花崗巖飽和單軸抗壓強度平均值Rc約為90 MPa，與單軸抗壓強度平均值相近，設(shè)計中劃定為Ⅱ級圍巖。

2.2 隧址區(qū)應(yīng)力場特征

為準(zhǔn)確獲取隧址區(qū)原始地應(yīng)力場狀況，隧道勘測過程中采用水壓致裂法在隧道軸線附近最大埋深部位進行了地應(yīng)力場測試，測試情況如表1所示。

根據(jù)表1中的地應(yīng)力測試結(jié)果可知，隧址區(qū)水平向主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，最大主應(yīng)力位于隧道洞身位置，量值σhmax為23.2 MPa，應(yīng)力方向N62°E，與隧道軸線約為43°，經(jīng)換算后，垂直隧道軸線方向水平最大應(yīng)力值σmax取19.1 MPa，與鉛直向應(yīng)力值較為接近，同時比較其他埋置深度下垂直隧道軸線的豎向與水平應(yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)(見表1)可知，側(cè)壓力系數(shù)接近于1.0，即隧道近似處于靜水壓力場狀態(tài)。

表1 鴻圖嶂隧道地應(yīng)力測試表Table 1 Hongtuzhang tunnel in-situ stress test table孔深/m最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPa鉛直應(yīng)力/MPa最大水平主應(yīng)力方向隧道軸線方向夾角/(°)隧道軸線方向水平應(yīng)力/MPa垂直隧道軸線方向水平應(yīng)力/MPa側(cè)壓系數(shù)2708.55.76.4N74°E105317.16.41.037414.19.410.1N74°E1053112.910.61.0550422.914.813.6N74°E1053120.816.91.24606.218.911.916.4N67°E1053816.214.60.89680.520.313.018.4N65°E1054017.316.00.87703.823.215.519.0N62°E1054319.619.11.0 注:1.破裂壓力、重張壓力和關(guān)閉壓力為測點孔口壓力值;垂直應(yīng)力取容重為0.027 MN/m3進行計算;2.穩(wěn)定水位約在孔深228 m處。

結(jié)合我國《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50218-2014)中對于地應(yīng)力場等級的劃分如下：Rc/σmax極高地應(yīng)力<4，高地應(yīng)力4～7，一般地應(yīng)力>7，其中Rc為巖石單軸抗壓強度，σmax為工程區(qū)最大主應(yīng)力。計算得Rc/σmax在4～7之間，即鴻圖嶂隧道屬于高應(yīng)力場區(qū)，開挖過程中可能發(fā)生巖爆危害。

3 鴻圖嶂隧道巖爆預(yù)測分析

巖爆預(yù)測問題極為復(fù)雜，目前國內(nèi)外還沒有一整套成熟的理論與方法，目前有多種巖爆預(yù)測方法，但歸結(jié)起來分2類：一類為理論法，另一類為實測法。設(shè)計階段多以理論法為主進行，所謂理論法，即利用已建立的巖爆各種判據(jù)和指標(biāo)，結(jié)合巖體力學(xué)指標(biāo)或根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件、理論分析取得工程場區(qū)的地應(yīng)力值，進行巖爆預(yù)測的方法。目前理論法中最為常用的為應(yīng)力判據(jù)法(見表2)。

表2 巖爆判據(jù)表Table 2 Criteria for rock burst判據(jù)無巖爆輕微巖爆中等巖爆強烈?guī)r爆盧森判據(jù)σθ/Rc<0.20.2-0.3(含0.2)0.3-0.55(含0.3)≥0.55陶振宇判據(jù)Rc/σ1>14.514.5～5.55.5～2.52.5王元漢判據(jù)σθ/Rc<0.30.3-0.5(含0.3)0.5-0.7(含0.5、0.7)>0.7

從表中可以看出，雖不同判據(jù)界限值有所差異，但各判據(jù)均主要考慮2個因素：洞壁最大主應(yīng)力或切向應(yīng)力和巖石單軸抗壓強度?？紤]到埋深是影響應(yīng)力值大小的重要因素，故本文首先依據(jù)侯發(fā)亮教授提出的僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生的臨界深度公式(1)對鴻圖嶂隧道發(fā)生巖爆的臨界深度做大致預(yù)判如下：

(1)

式中:Rc為巖石單軸抗壓強度；μ為巖石泊松比；γ為容重。依據(jù)地勘資料取Rc=90 MPa，μ=0.25，γ=0.027 MN/m3。

經(jīng)式(1)測算得Hcr=397.5 m， 也即鴻圖嶂隧道在埋深大于397.5 m時可能存在巖爆活動。

為準(zhǔn)確預(yù)測鴻圖嶂隧道可能產(chǎn)生的巖爆危害，結(jié)合表2中的不同判據(jù)對隧道開挖過程中可能發(fā)生的巖爆狀況進行綜合預(yù)測是非常必要的。為此，根據(jù)不同埋深段的應(yīng)力場分布情況，采用數(shù)值分析手段對鴻圖嶂隧道開挖后巖體應(yīng)力場重分布情況進行了研究，建立的數(shù)值分析模型如圖3所示，計算中采用的物理力學(xué)參數(shù)如下：花崗巖巖石重度27 kN/m3,彈性模量E為5.44×104MPa,泊松比μ為0.26,內(nèi)聚力C為5.4 MPa,內(nèi)摩擦角45°。

圖3 數(shù)值分析模型

通過分析，獲取了不同埋深情況(即不同應(yīng)力場分布)下的圍巖最大主應(yīng)力σ1和切向應(yīng)力σθ分布云圖(圖中單位為MPa)。如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著埋深增大(即地應(yīng)力場增大)，圍巖的最大主應(yīng)力與切向應(yīng)力隨之增大。由于隧道并未設(shè)計仰拱，隧道輪廓線型發(fā)生突變，在拱腳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，但根據(jù)以往工程經(jīng)驗，拱腳通常不會產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，由此最大應(yīng)力的提取點應(yīng)不考慮拱腳附近位置。

(a) 埋深270 m

(c) 埋深504 m

根據(jù)應(yīng)力分布云圖和相關(guān)數(shù)據(jù)獲得了不同埋深條件下最大主應(yīng)力與切向應(yīng)力如圖4所示，根據(jù)圖4并結(jié)合表2中的巖爆應(yīng)力判據(jù)法，獲得了鴻圖嶂隧道不同埋深條件下應(yīng)力強度比，見表3。

表3 不同埋深條件下巖爆各判據(jù)的應(yīng)力強度比Table 3 Stress intensity ratio of each criterion of rockburst under different burial depth conditions選取的計算斷面隧道埋深/mσθ/MPaσ1/MPaσθ/RcRc/σ1ZK90+54527014.514.60.166.16ZK90+64837422.522.50.254.00ZK91+51950427.827.80.313.28ZK92+02560639.338.00.442.37ZK92+82868144.443.50.492.07ZK93+28470443.343.30.482.08

依據(jù)表2中的巖爆發(fā)生判據(jù)指標(biāo)，預(yù)測各埋深條件下巖爆發(fā)生烈度如表4所示。

根據(jù)表4，結(jié)合式(1)的計算結(jié)果，綜合得出鴻圖嶂隧道不同埋深條件下巖爆發(fā)生烈度情況如下：350 m以下無巖爆發(fā)生，350～500 m將可能產(chǎn)生輕微巖爆，500 m(含)以上將可能產(chǎn)生中等巖爆。

綜合鴻圖嶂隧道各區(qū)段的埋深狀況，預(yù)測各區(qū)段可能發(fā)生的巖爆烈度如表5所示。

表4 不同埋深條件下巖爆發(fā)生烈度Table 4 Rockburst intensity at different burial depths選取的計算斷面里程隧道埋深/m盧森判據(jù)σθ/Rc陶振宇判據(jù)Rc/σ1王元漢判據(jù)σθ/Rc綜合判斷ZK90+545270無巖爆輕微巖爆無巖爆無巖爆ZK90+648374輕微巖爆中等巖爆無巖爆輕微巖爆ZK91+519504中等巖爆中等巖爆輕微巖爆中等巖爆ZK92+025606中等巖爆強烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆ZK92+828681中等巖爆強烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆ZK93+284704中等巖爆強烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆

表5 計算區(qū)段巖爆最終預(yù)測結(jié)果Table 5 Calculates the final predicted results section rockburst巖爆發(fā)生的類型范圍巖爆可能發(fā)生部位(可能性從高到低排序)無巖爆發(fā)生ZK89+353～ ZK90+728ZK94+110～ ZK95+528—輕微巖爆ZK90+728～ ZK92+224邊墻、拱頂、拱肩中等巖爆ZK93+641～ZK94+110ZK92+224～ZK93+641邊墻、拱頂、拱肩

從表5中可以看出，鴻圖嶂隧道輕微巖爆和中等巖爆均可能發(fā)生，輕微巖爆發(fā)生于ZK90+728～ ZK92+224，中等巖爆發(fā)生于ZK93+641～ZK94+110、ZK92+224～ZK93+641區(qū)段范圍，發(fā)生部位主要在邊墻。

4 鴻圖嶂隧道巖爆防治對策

鴻圖嶂隧道巖爆防治按照“安全第一、全面設(shè)防、防治結(jié)合、多種手段、綜合治理”的原則進行設(shè)計，施工中巖爆防治從改善圍巖洞周應(yīng)力狀態(tài)與變形特性、逐步釋放圍巖儲存的應(yīng)變能、改變圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和對圍巖進行加固等幾個方面入手。

具體如下：

a.改善圍巖物力性能：對于輕微～中等烈度的巖爆地段應(yīng)在掌子面和洞壁經(jīng)常噴灑冷水，一定程度上降低表層圍巖的強度。中等～強烈烈度的巖爆地段可采用超前鉆孔向巖體深部高壓注水，該方法可以通過3方面作用來防治巖爆：一是可以釋放應(yīng)變能并將最大切向應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體的強度，三是高壓注水產(chǎn)生了新的脹裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴展，從而降低了巖體儲存應(yīng)變能的能力。

b.改善圍巖應(yīng)力條件：根據(jù)目前國內(nèi)施工實踐經(jīng)驗，巖爆地段采用鉆爆法施工時，應(yīng)采用短進尺掘進，減小藥量，控制光爆效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動。強烈?guī)r爆段，必要時采用分部開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度。在中等～強烈和以上烈度的巖爆地段還應(yīng)結(jié)合采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放。

c.加固圍巖：針對鴻圖嶂隧道可能出現(xiàn)的巖爆等級，結(jié)合工程類比設(shè)計了巖爆地段加固處理措施(如圖5、表6所示)。

圖5 鴻圖嶂隧道防巖爆支護參數(shù)圖

表6 鴻圖嶂隧道防巖爆支護參數(shù)表Table 6 Hongtuzhang Tunnel rockburst support parameter table 巖爆等級預(yù)留變形量/cm噴射砼C25砼/cm錨桿鋼筋網(wǎng)二襯仰拱厚度直徑/mm長度/cm錨桿布置/cm直徑/mm鋼筋布置/cmC30砼/cm鋼筋/(根·m-1)噴C25砼/cmC30砼/cm掌子面加固噴C25砼/mm輕微巖爆510Φ22藥卷錨桿250100×100(拱墻)Φ620×20(拱墻)35————中等巖爆515Φ25端頭脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿300100×100(拱墻)Φ820×20(拱墻)35———必要時噴混5 cm

從表6中可以看出，較之于輕微巖爆，中等巖爆區(qū)錨桿類型和間距發(fā)生了改變，建議采用脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，隧道開挖后利用該類型的錨桿可快速對洞壁施加徑向力，以改善圍巖應(yīng)力條件，減弱巖爆發(fā)生烈度與范圍。同時中等巖爆段噴射砼的厚度也相應(yīng)增加，以起到較好的防治巖爆的效果。

5 結(jié)論與建議

從鴻圖嶂隧道巖性條件和應(yīng)力場條件出發(fā)，對該隧道巖爆發(fā)生狀況進行了預(yù)測，得到如下結(jié)論：

a.鴻圖嶂隧道巖性以花崗巖為主，巖體強度高，完整性好，具備巖爆發(fā)生的巖性條件。

b.鴻圖嶂隧道隧址區(qū)以水平應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力量值為23.2 MPa，屬于高應(yīng)力場區(qū)，開挖過程中可能發(fā)生巖爆危害隧道。

c.鴻圖嶂隧道輕微巖爆和中等巖爆均可能發(fā)生，輕微巖爆發(fā)生于ZK90+728～ ZK92+224，中等巖爆發(fā)生于ZK93+641～ZK94+110、ZK92+224～ZK93+641區(qū)段范圍。

d.根據(jù)鴻圖嶂隧道巖爆發(fā)生烈度，提出了不同巖爆等級下的防巖爆支護參數(shù)，尤其是針對中等巖爆區(qū)，建議采用可快速對洞壁施加徑向力的脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，以改善圍巖應(yīng)力條件，減弱巖爆發(fā)生烈度與范圍。

本文利用現(xiàn)有的資料，在設(shè)計階段對鴻圖嶂隧道的巖爆發(fā)生狀況進行了預(yù)測，建議后期施工中結(jié)合現(xiàn)場實際情況進一步開展巖爆預(yù)測與防治工作。