孫峰偉， 喬棟磊， 安艷軍， 李文杰*

(1. 中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司， 天津 300133； 2. 河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471023)

隨著公路、鐵路建設(shè)逐步向中國(guó)西部地區(qū)推進(jìn)，深埋特長(zhǎng)隧道的建設(shè)需求越來越高，這類隧道因需以深埋形式穿越巨大山嶺，故而巖爆成為深埋特長(zhǎng)隧道建設(shè)過程中最典型的災(zāi)害之一。巖爆是一種在地應(yīng)力較高的巖體處，因隧道開挖使得巖石中積聚的彈性變形勢(shì)能突然猛烈地釋放出來，導(dǎo)致巖石爆裂，松脫，彈射出來的巖體破壞活動(dòng)。巖爆的發(fā)生給施工人員以及設(shè)備造成了嚴(yán)重的安全威脅[1]，因此，在隧道施工之前準(zhǔn)確地反演出地應(yīng)力場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)是保障安全施工的關(guān)鍵[2]。

針對(duì)巖爆分級(jí)和預(yù)測(cè)這類熱門課題，中外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。在巖爆分級(jí)方面，譚以安[3]從力學(xué)和聲學(xué)特征出發(fā)，依據(jù)巖爆危害程度及破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中、強(qiáng)、極強(qiáng)4級(jí)。牛文林等[4]通過巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(basic quality，BQ)法對(duì)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了優(yōu)化，分級(jí)結(jié)果與實(shí)際情況更吻合，優(yōu)化后的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)能更好地應(yīng)用于巖爆隧道中。在巖爆預(yù)測(cè)方面，中外學(xué)者通過強(qiáng)度、能量等理論對(duì)巖爆發(fā)生機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)例，提出了一系列巖爆發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)的判據(jù)與方法[5]。孫曉明等[6]基于多重巖爆判據(jù)，研究了巖體層理傾角對(duì)巖爆發(fā)生的影響，為具有層理結(jié)構(gòu)巖體的巖爆預(yù)測(cè)提供了參考。李波等[7]通過數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試研究了圍巖應(yīng)力環(huán)境，并結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行了巖爆預(yù)測(cè)。孫臣生[8]基于MATLAB-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選取多個(gè)影響巖爆的關(guān)鍵性預(yù)測(cè)指標(biāo)，建立了改進(jìn)的巖爆預(yù)測(cè)模型。劉海濤等[9]針對(duì)巖爆的隨機(jī)性，將數(shù)值模擬與蒙特卡羅方法相結(jié)合，提出了深埋隧道巖爆的抽樣概率預(yù)測(cè)新方法。現(xiàn)階段，雖然巖爆預(yù)測(cè)方法較多，但能將工程地質(zhì)條件、開挖后圍巖具體應(yīng)力環(huán)境與預(yù)測(cè)方法緊密結(jié)合起來的準(zhǔn)確又實(shí)用的方法較少。

因此，現(xiàn)基于巫鎮(zhèn)高速公路重慶段筆架山隧道，在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用巖石脆性系數(shù)和圍巖完整性系數(shù)對(duì)巖石性質(zhì)進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)隧道圍巖的巖爆傾向性；結(jié)合地應(yīng)力資料，利用有限元數(shù)值模擬手段反演出隧址區(qū)完整的地應(yīng)力場(chǎng)，綜合分析地應(yīng)力場(chǎng)特征及隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)雙重巖爆判據(jù)對(duì)巖爆發(fā)生區(qū)段和巖爆等級(jí)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。所得巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果為隧道開挖支護(hù)提供依據(jù)，降低人員、設(shè)備的安全威脅。

1 工程概況及區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 工程概況

筆架山隧道位于巫溪縣白鹿鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道為分離式隧道，南北走向。其中左線里程樁號(hào)為ZK23+248～ZK28+245，右側(cè)里程樁號(hào)為YK23+266～YK28+265，隧道單洞長(zhǎng)度約為5 000 m，為特長(zhǎng)隧道。隧道工程區(qū)地處秦嶺山脈及南麓，位于大巴山構(gòu)造溶蝕中山區(qū)，南瀕長(zhǎng)江、大寧河及支流，北靠中壩河。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)高聳、巖層陡立、山體多為峰叢狀，懸崖陡壁發(fā)育普遍。隧道進(jìn)洞口方向與自然斜坡近乎垂直，斜坡坡度約為35°，地勢(shì)險(xiǎn)峻。工程區(qū)內(nèi)山脊走向以東西為主，隧道最大埋深為1 382 m。

1.2 隧址區(qū)地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，隧道路線范圍內(nèi)發(fā)育有構(gòu)造溶蝕侵蝕地貌、構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌及侵蝕堆積地貌等地形地貌區(qū)，其中以溶蝕地貌為主，地形地貌形態(tài)復(fù)雜。工程區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育，構(gòu)造形跡為一系列向南微突的東西向弧狀跡象，以褶皺構(gòu)造為主。區(qū)域內(nèi)褶皺構(gòu)造平面圖如圖1所示，從南向北主要有貓兒籠背斜、貝母淌向斜、橙子巖背斜以及秀登城向斜。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探結(jié)果，隧道工程區(qū)上覆第四系松散積層碎石土，基巖為三疊系下統(tǒng)、二疊系和志留系灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖和頁(yè)巖夾粉砂巖，隧道沿線巖性分布如圖2所示。由圖2可知隧道在開挖過程中穿過砂巖夾層，在這樣的地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道開挖，施工會(huì)面臨高地應(yīng)力及巖爆災(zāi)害問題。

圖1 區(qū)域內(nèi)褶皺構(gòu)造Fig.1 Regional fold structure

圖2 工程區(qū)地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Geological profile of the engineering area

2 隧址區(qū)巖石性質(zhì)研究

區(qū)域內(nèi)巖石的性質(zhì)是巖爆發(fā)生的內(nèi)因，在完整性好、巖性脆、堅(jiān)硬程度較高的巖體中易發(fā)生巖爆。為保證區(qū)域內(nèi)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)圍巖巖體進(jìn)行分析研究。

2.1 巖體完整性分析

在地質(zhì)勘察過程中對(duì)工程區(qū)節(jié)理裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)各控制性鉆孔進(jìn)行聲波測(cè)井，最終綜合巖體體積節(jié)理Jv以及巖體完整性系數(shù)Kv兩個(gè)量值指標(biāo)對(duì)隧道各區(qū)段圍巖完整程度進(jìn)行定量劃分。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，雖然區(qū)域內(nèi)普遍發(fā)育層面與裂隙，但有72%區(qū)段結(jié)構(gòu)面組數(shù)不超過兩組，發(fā)育程度較低，圍巖巖體較完整，局部區(qū)段由于構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，但所占比例不大，故隧道圍巖巖體整體完整性較好，鉆孔部分巖芯如圖3所示。根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度、巖體的完整程度以及層間結(jié)合情況對(duì)筆架山隧道圍巖級(jí)別進(jìn)行劃分，區(qū)域內(nèi)以Ⅳ圍巖為主，占隧道總長(zhǎng)63.8%，Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)段占隧道總長(zhǎng)17.9%，大多數(shù)巖體單軸抗壓強(qiáng)度較高，巖體較堅(jiān)硬，且隧道埋深大，此類情況下隧道施工發(fā)生巖爆概率較大。

圖3 鉆孔巖芯Fig.3 Core obtained by drilling

2.2 巖爆傾向性評(píng)價(jià)

在工程區(qū)內(nèi)針對(duì)不同地層單元共采取62組巖樣進(jìn)行室內(nèi)抗壓、物性、抗拉、抗剪及變形試驗(yàn),圍巖強(qiáng)度試驗(yàn)值如表1所示。

表1 圍巖強(qiáng)度試驗(yàn)值Table 1 Test value of surrounding rock strength

近年來，中外學(xué)者對(duì)巖爆傾向性指標(biāo)做了進(jìn)一步的發(fā)展與完善，其中巖石脆性系數(shù)B因其較容易獲得，且代表性強(qiáng)，故而在巖爆傾向性評(píng)價(jià)中被廣泛使用[10]。巖石脆性系數(shù)反映了巖石的硬脆程度，巖石越脆，巖爆越容易發(fā)生，計(jì)算公式為

(1)

巖石脆性系數(shù)與巖爆傾向性強(qiáng)烈程度有如下標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)B<14.5時(shí)，強(qiáng)烈?guī)r爆傾向；當(dāng)14.5≤B<26.7時(shí)，中等巖爆傾向；當(dāng)26.7≤B<40時(shí)，弱巖爆傾向；當(dāng)B≥40時(shí)，無巖爆傾向。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域內(nèi)圍巖巖爆傾向性評(píng)價(jià)如表2所示。從巖石脆性系數(shù)判斷，工程區(qū)內(nèi)各區(qū)段巖體有中等-強(qiáng)烈?guī)r爆傾向。

表2 巖爆傾向性評(píng)價(jià)Table 2 Rockburst tendency evaluation

根據(jù)GB/T50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[11]中給出的巖石堅(jiān)硬程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，工程區(qū)內(nèi)T1d1灰?guī)r、S2xj頁(yè)巖、S2xj泥巖以及S1sh頁(yè)巖飽和巖樣單軸抗壓強(qiáng)度Rc<30 MPa，為軟質(zhì)巖，該類巖體通常不發(fā)生巖爆；根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告綜合確定的完整性系數(shù)，K23+543～23+596區(qū)段P2m灰?guī)r以及K23+660～23+765區(qū)段P2q灰?guī)r巖體完整程度較破碎。因此綜合判斷隧址區(qū)內(nèi)除以上區(qū)段，其他范圍內(nèi)巖體較完整、圍巖巖性脆且堅(jiān)硬，具備巖爆發(fā)生的基礎(chǔ)條件。

3 工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)綜合分析

3.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境

工程區(qū)內(nèi)初始應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)共同決定，研究工程區(qū)周圍環(huán)境的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)可以初步掌握地應(yīng)力場(chǎng)的大致規(guī)律，為有限元地質(zhì)模型邊界條件的確定提供參考。依據(jù)區(qū)域震源機(jī)制資料得到的震源機(jī)制解可以估算出最大水平應(yīng)力走向，是分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的重要依據(jù)之一。依據(jù)重慶市震源機(jī)制解提取的區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向分布如圖4所示，由圖4可知，工程區(qū)構(gòu)造作用引起的最大水平主應(yīng)力方向總體表現(xiàn)為北北西(north-north-west，NNW)向[12]。

圖4 區(qū)域最大主應(yīng)力方向分布Fig.4 The distribution of the maximum principal stress in the region

3.2 地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析

采用水壓致裂法選取區(qū)域內(nèi)貝母淌向斜核部處鉆孔，測(cè)量其地應(yīng)力。埋深H在602.62～847.60 m范圍內(nèi)共獲得10個(gè)實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)，不同埋深地應(yīng)力實(shí)測(cè)值如圖5所示，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)測(cè)試深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力σH、最小水平主應(yīng)力σh和豎向應(yīng)力σv進(jìn)行線性回歸分析，所得線性回歸方程為

圖5 應(yīng)力值隨深度變化圖Fig.5 Variation of stress value with depth

(2)

在602.62～847.60 m共10個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，σv為13.18～23.36 MPa，σh為8.94～14.88 MPa，σH為15.64～24.34 MPa，σH>σv，但相差不大，故工程區(qū)內(nèi)該埋深范圍構(gòu)造作用較強(qiáng)，地應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力場(chǎng)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合作用形成；各鉆孔實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)?2°N～35°W，表明測(cè)孔附近地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與震源機(jī)制解所給出的NNW向擠壓應(yīng)力方向基本保持一致。

3.3 地應(yīng)力場(chǎng)的有限元反演分析

3.3.1 三維有限元地質(zhì)模型建立

為消除邊界效應(yīng)，提高計(jì)算精度，綜合工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)適當(dāng)擴(kuò)大模型邊界范圍，沿隧道軸線選取工程區(qū)1 000 m×5 000 m的一塊長(zhǎng)方形區(qū)域作為模型計(jì)算區(qū)域，取標(biāo)高100 m為計(jì)算模型底面，模型高度取至地表，隧道開挖區(qū)位于模型中央。模型的建立考慮主要褶皺構(gòu)造影響。根據(jù)62組巖樣力學(xué)特性試驗(yàn)，所得巖體物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)表Table 3 Rock mechanical parameter table

通過MIDAS-GTSNX建立地質(zhì)模型，模型使用混合四面體單元，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。因地質(zhì)模型尺寸較大，因此在不同位置確定不同的網(wǎng)格尺寸，在地層分界處和隧道洞口處進(jìn)行尺寸控制。三維有限元地質(zhì)模型如圖6所示，模型共計(jì)單元數(shù)256 878個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)229 311個(gè)。

圖6 有限元地質(zhì)模型Fig.6 Finite element geological model

3.3.2 邊界條件確定

筆架山隧道的地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)合隧址區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及重慶地區(qū)內(nèi)震源機(jī)制解確定的構(gòu)造作用方向，采用直接調(diào)整邊界條件的方法，確定地質(zhì)模型邊界條件，綜合分析巖體自重以及地質(zhì)構(gòu)造作用引起的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。地應(yīng)力場(chǎng)反演具體過程為：①參考區(qū)域內(nèi)震源機(jī)制解確定的最大水平主應(yīng)力方向施加不同類型的邊界條件，觀察應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，確定最佳邊界條件類型；②調(diào)整邊界力的作用方向和量值大小，使數(shù)值模擬的結(jié)果與地應(yīng)力實(shí)測(cè)值達(dá)到最佳擬合；③微調(diào)邊界，計(jì)算兩者的方差，確定出方差最小的邊界力。

3.3.3 地應(yīng)力場(chǎng)特征分析

將確定的邊界條件添加到地質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算，得到區(qū)域內(nèi)完整的地應(yīng)力場(chǎng)，提取貝母淌向斜核部埋深608～839 m段x向應(yīng)力σx、y向應(yīng)力σy以及xy平面內(nèi)剪應(yīng)力τx，根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算得到最大水平主應(yīng)力σH為14.3～23.8 MPa，方向α0為N19°～32°W，與工程區(qū)向斜核部地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果15.6～24.3 MPa相近，且方向近似，由此可驗(yàn)證地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的可靠性。

(3)

(4)

最大主應(yīng)力云圖如圖7所示，由圖7可知：在褶皺構(gòu)造處，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力增加，在貝母淌向斜核部應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，最大增量達(dá)12.0 MPa，因此最大主應(yīng)力受褶皺構(gòu)造影響較大。不同巖層最大主應(yīng)力變化云圖如圖8所示，S2xj砂巖Rc=93.1 MPa，P2q灰?guī)rRc=52.9 MPa，S2xj頁(yè)巖Rc=18.4 MPa，由S2xj頁(yè)巖地層到S2xj砂巖地層，最大主應(yīng)力值增加，增量為4.5 MPa；由

圖7 最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress nephogram

圖8 巖層應(yīng)力變化圖Fig.8 Rock stress variation diagram

P2q灰?guī)r、S2xj砂巖到S2xj頁(yè)巖地層，最大主應(yīng)力值突降。因此，相近地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境下，不同巖體其抗壓強(qiáng)度越高，最大主應(yīng)力值越大，巖體中積聚的能量越高，其巖爆傾向性越大。

提取隧道沿線最大主應(yīng)力值σ1、x軸向水平應(yīng)力σx、y軸向水平應(yīng)力σy以及豎向應(yīng)力σz，結(jié)果如圖9所示。

圖9 隧道沿線主應(yīng)力分布圖Fig.9 Distribution diagram of principal stress along the tunnel

(1)隧道沿線K24+175～K26+896區(qū)段，埋深較大，最大主應(yīng)力為18.5～35.1 MPa，根據(jù)GB/T 50218—2014《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》給出的地應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域內(nèi)Rc/σmax=0.74～3.72<4(σmax即為最大主應(yīng)力)，該區(qū)段應(yīng)力處于極高應(yīng)力狀態(tài)。

(2)埋深較小區(qū)段，水平向主應(yīng)力值與豎直向應(yīng)力值較為接近，構(gòu)造作用與重力作用聯(lián)合作用形成地應(yīng)力場(chǎng)；埋深較大區(qū)段，豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于水平向應(yīng)力，且與最大主應(yīng)力值較為接近，故在埋深較大區(qū)段，自重應(yīng)力場(chǎng)在地應(yīng)力場(chǎng)中起主導(dǎo)作用。

(3)隧道沿線x軸方向應(yīng)力為4.2～8.0 MPa，變化幅度較小，總體處于較穩(wěn)定狀態(tài)；y軸方向應(yīng)力為5.6～18.7 MPa，處于較高量值水平，區(qū)域內(nèi)受到較強(qiáng)水平構(gòu)造作用。

(4)y軸方向應(yīng)力大于x軸方向應(yīng)力，故工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用以南北方向擠壓為主；隧道軸線走向?yàn)镹13°W，計(jì)算所得最大主應(yīng)力方向?yàn)镹20°～36°W，與隧道軸線夾角為7°～23°，夾角較小，有利于圍巖穩(wěn)定。

4 隧道開挖圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析及巖爆預(yù)測(cè)

4.1 隧道開挖后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析

隧道開挖過程中，原有的空間應(yīng)力場(chǎng)分布改變，出現(xiàn)二次應(yīng)力狀態(tài)。為保證巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要在所得地應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析隧道開挖后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)[13]。因隧道軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于斷面尺寸，故將其視作平面應(yīng)變問題，建立2D開挖模型。

隧道開挖對(duì)周圍巖體的影響范圍為3～5倍洞徑，隧道尺寸按照設(shè)計(jì)圖選取，最終確定模型尺寸為80 m(x)×80 m(z)，使用混合四面體網(wǎng)格，提高網(wǎng)格質(zhì)量。模型位移邊界為：底部豎向位移約束，模型兩側(cè)界面固定位移約束，頂部為自由面；模型右側(cè)和頂部邊界施加上述計(jì)算所得應(yīng)力σx與σz。

計(jì)算結(jié)果表明：在隧道開挖后，隨著地應(yīng)力環(huán)境的變化隧道開挖斷面的不同部位出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中。區(qū)段內(nèi)隧道開挖斷面最大壓應(yīng)力均發(fā)生在兩側(cè)，沿線最大壓應(yīng)力峰值為63.2 MPa。不同區(qū)段不同地應(yīng)力環(huán)境下隧道開挖斷面最大主應(yīng)力云圖如圖10所示，由圖10可知：當(dāng)?shù)貞?yīng)力場(chǎng)中水平向應(yīng)力與豎向應(yīng)力較為接近時(shí)，壓應(yīng)力集中區(qū)域較??；隨著豎向應(yīng)力的不斷增加，壓應(yīng)力集中區(qū)域沿隧道兩側(cè)壁不斷向外圍擴(kuò)散。

圖10 不同條件下圍巖最大主應(yīng)力Fig.10 Maximum principal stress of surrounding rock under different conditions

4.2 隧址區(qū)巖爆預(yù)測(cè)

綜合分析區(qū)域工程地質(zhì)條件、巖石物理力學(xué)性質(zhì)及開挖圍巖應(yīng)力環(huán)境，在此基礎(chǔ)上采用兩種具有代表性的巖爆預(yù)測(cè)理論判據(jù)，即谷—陶巖爆判據(jù)[14]以及強(qiáng)度應(yīng)力比判據(jù)[15]，兩種判據(jù)如式(5)與式(6)所示。

谷—陶巖爆判據(jù)為

(5)

強(qiáng)度應(yīng)力比判據(jù)為

(6)

式中：σ1為最大主應(yīng)力；Rb為天然巖體單軸抗壓強(qiáng)度；Rc為飽和巖樣單軸抗壓強(qiáng)度。

上述對(duì)巖石性質(zhì)的研究表明，部分區(qū)段圍巖不具備發(fā)生巖爆的基礎(chǔ)條件。其余區(qū)段根據(jù)開挖模型所確定的圍巖二次應(yīng)力情況以及試驗(yàn)所得巖石力學(xué)參數(shù)結(jié)合兩種巖爆判據(jù)綜合評(píng)價(jià)各區(qū)段巖爆發(fā)生的可能性與劇烈程度，預(yù)測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 隧道各區(qū)段巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果Table 4 Prediction results of rock burst in each section of tunnel

工程區(qū)內(nèi)隧道埋深較大，且水平構(gòu)造作用較強(qiáng)，隧道大多數(shù)區(qū)段均處于極高應(yīng)力狀態(tài)，并且部分區(qū)段為巖體堅(jiān)硬且完整的Ⅲ級(jí)圍巖，具有發(fā)生中、高巖爆的基礎(chǔ)條件。筆架山隧道總長(zhǎng)4 999 m，綜合巖體完整程度、硬脆程度以及地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境對(duì)隧道沿線進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)，綜合分析結(jié)果表明：隧道無巖爆活動(dòng)區(qū)段長(zhǎng)度約3 801 m，占隧道總長(zhǎng)76.0%；輕微巖爆活動(dòng)區(qū)段長(zhǎng)度約105 m，占比約為2.1%；中等巖爆活動(dòng)區(qū)段長(zhǎng)度約為278 m，占比約為5.6%；高巖爆活動(dòng)區(qū)段長(zhǎng)度約為815 m，占比約為16.3%。這些區(qū)段內(nèi)隧道開挖后最大主應(yīng)力均發(fā)生在斷面兩側(cè)，圍巖兩側(cè)處于較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，極易發(fā)生巖爆，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注兩側(cè)區(qū)域并采取相應(yīng)防治措施。

5 結(jié)論

(1)筆架山隧道以Ⅳ級(jí)圍巖為主，占隧道總長(zhǎng)63.8%，沿線圍巖總體完整性較好。工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演結(jié)果表明，隧道高程處，豎向應(yīng)力大于水平應(yīng)力，故隧道沿線地應(yīng)力場(chǎng)由自重應(yīng)力場(chǎng)主導(dǎo)；最大埋深處應(yīng)力值達(dá)33.2 MPa，經(jīng)評(píng)估，隧道沿線大多數(shù)區(qū)段處于極高應(yīng)力狀態(tài)；最大水平主應(yīng)力方向隧道夾角為7°～23°，夾角較小。從地應(yīng)力角度來說，隧道軸線布置方位對(duì)圍巖穩(wěn)定有利。

(2)根據(jù)隧道開挖圍巖應(yīng)力分析，開挖后圍巖最大主應(yīng)力均發(fā)生在斷面?zhèn)缺?，全線最大主應(yīng)力峰值為63.2 MPa，極易發(fā)生巖爆。因此在隧道開挖過程中，對(duì)于側(cè)壁部位應(yīng)采取一定的工程措施進(jìn)行防治，盡可能避免巖爆發(fā)生。

(3)根據(jù)巖石性質(zhì)、地應(yīng)力環(huán)境結(jié)合巖爆預(yù)測(cè)判據(jù)綜合分析結(jié)果，在隧道全線，24.0%區(qū)段會(huì)發(fā)生巖爆，以中等-高巖爆活動(dòng)為主，在這些區(qū)段施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)與施工防護(hù)措施。

(4)依據(jù)巖爆發(fā)生的兩個(gè)決定性因素即圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)，對(duì)隧道安全施工有一定的指導(dǎo)性，但巖爆還受到外界復(fù)雜環(huán)境因素的影響。因此在施工期間還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖爆預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)工作，如開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究，以確保隧道施工安全進(jìn)行。