九嶺山深埋長(zhǎng)大隧道巖爆問(wèn)題預(yù)測(cè)

周龍茂， 龔育齡， 楊普濟(jì)， 葉騰飛， 黎劍華

(1.東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000;2.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330029)

九嶺山深埋長(zhǎng)大隧道巖爆問(wèn)題預(yù)測(cè)

周龍茂1， 龔育齡1， 楊普濟(jì)2， 葉騰飛1， 黎劍華2

(1.東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000;2.南昌工程學(xué)院，江西南昌 330029)

巖爆是深埋長(zhǎng)大隧道主要的工程地質(zhì)問(wèn)題之一，對(duì)隧道工程的危害很大，巖爆的預(yù)測(cè)研究對(duì)于隧道的設(shè)計(jì)和施工有著重要的意義。通過(guò)對(duì)九嶺山隧道初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)兩階段工程地質(zhì)勘察成果的研究，分析該隧道的工程地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)及地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，并運(yùn)用現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外多種巖爆判別準(zhǔn)則對(duì)其在施工期間可能發(fā)生的巖爆問(wèn)題進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明，九嶺山隧道在施工期間不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的巖爆，但在埋深大于450 m的洞段可能會(huì)產(chǎn)生低巖爆活動(dòng)。

九嶺山;深埋隧道;地應(yīng)力;巖爆;預(yù)測(cè)

巖爆作為深埋長(zhǎng)大隧道的重大工程地質(zhì)問(wèn)題之一，多是由于圍巖開(kāi)挖卸荷發(fā)生脆性破壞導(dǎo)致儲(chǔ)存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，使圍巖產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射等破壞現(xiàn)象，它直接威脅人員、設(shè)備安全，影響工程進(jìn)度，已成為世界性的地下工程難題之一(黃潤(rùn)秋等，1997;徐林生等，1996;徐則民等，2004)。九嶺山隧道是大慶至廣州高速公路在江西境內(nèi)北段為穿越九嶺山脈而擬建的一條雙拱分離式隧道，位于江西省銅鼓縣與宜豐縣交界處，設(shè)計(jì)隧道軸線(xiàn)總體方向 N47°W，底板標(biāo)高376.40 m(北)～ 284.28 m(南)，起訖里程樁號(hào):K97+126 ～ K102+598.5，全長(zhǎng) 5472.5 m，最大埋深887 m。隧道圍巖巖石質(zhì)地堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密，具備發(fā)生巖爆的巖性條件(李庶林等，2001)。筆者對(duì)九嶺山隧道在施工時(shí)可能發(fā)生巖爆問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 隧道區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)

隧道圍巖主要巖性為中元古界雙橋山群的下亞群(pt2sh1)弱風(fēng)化及微風(fēng)化砂質(zhì)板巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬且性脆，微風(fēng)化砂質(zhì)板巖室內(nèi)外試驗(yàn)獲得的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physico-mechanical characteristics of tunnel surrounding rock mass

1.2 隧道圍巖分級(jí)

隧道圍巖巖體較破碎——較完整，圍巖級(jí)別Ⅳ～Ⅱ級(jí)，構(gòu)造破碎帶巖體破碎，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)(周龍茂等，2008)。

1.3 地應(yīng)力特征

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所在隧道洞身ZK1(K98+096 m，孔深為 243.50 m)和 ZK2(K100+669 m，孔深度為627.18 m)兩鉆孔采用水壓致裂法對(duì)隧道洞身圍巖最大水平主應(yīng)力σH及最小水平主應(yīng)力σh進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)①丁立豐，侯硯和，郭啟良.2006.大慶至廣州高速公路江西武寧至吉安段九嶺山隧道ZK1、ZK2孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量報(bào)告［R］.北京:中國(guó)地質(zhì)局地殼應(yīng)力研究所.，由σ2=rH估算垂直主應(yīng)力(表2)。

2 巖爆分析與判據(jù)

2.1 巖爆發(fā)生的基本條件

根據(jù)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐及學(xué)者研究成果表明，巖爆是巖體中應(yīng)變能的突然釋放過(guò)程，產(chǎn)生巖爆的原因眾多，其影響因素有巖性、初始應(yīng)力狀態(tài)、埋深、地形地貌、開(kāi)挖斷面形式及開(kāi)挖方式等，但作為巖爆形成發(fā)生的基本條件(張志強(qiáng)等，1998;徐成光，2005)，一是巖性，即要有能積聚應(yīng)變能的巖石;二是高的地應(yīng)力，即要有能量的來(lái)源;三是洞室開(kāi)挖，即要有引起應(yīng)變能釋放的觸發(fā)條件。

表2 九嶺山隧道地應(yīng)力實(shí)測(cè)值Tab.2 Geostress values of tests for the Jiuling shan tunnel

(1)巖性。國(guó)內(nèi)外大量巖爆記錄資料顯示，巖爆幾乎都發(fā)生在新鮮、較完整、較干燥、裂隙極少或僅有隱裂隙的圍巖中，巖石強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度Rc＞80 MPa，巖體整體上屬堅(jiān)硬脆性介質(zhì)。九嶺山隧道弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度Rc=99～127 MPa，屬堅(jiān)硬脆性介質(zhì)，該隧道圍巖具備巖爆發(fā)生的巖性特征。

(2)地應(yīng)力。地應(yīng)力值是表示巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能的具體指標(biāo)。地應(yīng)力越高，巖體內(nèi)積聚的彈性應(yīng)變能越大，應(yīng)變能隨著洞室開(kāi)挖而釋放，當(dāng)巖石峰值強(qiáng)度前的彈性應(yīng)變能的積聚量達(dá)到巖石巖爆臨界彈性能時(shí)，就將發(fā)生巖爆。90%以上的巖爆都發(fā)生在這樣的高地應(yīng)力洞段(谷明成等，2002)。

(3)洞室開(kāi)挖。只有在具備巖性和地始應(yīng)力條件的巖體中開(kāi)挖洞室形成臨空面，使洞壁附近巖體應(yīng)力將重新分布，由原來(lái)的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，且局部應(yīng)力產(chǎn)生高度集中，洞壁附近集中的最大切向應(yīng)力達(dá)到巖爆發(fā)生的臨界應(yīng)力，巖爆才會(huì)發(fā)生。因此，工程施工是巖爆發(fā)生的觸發(fā)條件。

2.2 預(yù)測(cè)巖爆主要判據(jù)

有關(guān)巖爆發(fā)生的機(jī)理國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量探索與研究分析，主要有強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、失穩(wěn)理論等(王元漢等，1998)，判別指標(biāo)十余種。目前被較多地用于工程實(shí)踐中的有臨界深度判據(jù)、應(yīng)力判據(jù)等。

2.2.1 臨界深度判據(jù)

侯發(fā)亮(1989)提出巖爆臨界深度判據(jù)。該方法認(rèn)為，巖爆雖然多發(fā)生在水平構(gòu)造應(yīng)力較大的地區(qū)，但如果硐室埋深較大，即使沒(méi)有構(gòu)造應(yīng)力，由于上覆巖體效應(yīng)，硐室也可能會(huì)發(fā)生巖爆。根據(jù)彈性力學(xué)求解，推導(dǎo)出僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生臨界深度Hcr的計(jì)算公式:

式中μ為巖石泊松比;γ為巖石重度(kN/m3)。

2.2.2 應(yīng)力判據(jù)

(1)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判別法。我國(guó)工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)完整地考慮了地應(yīng)力因素對(duì)地下洞室的成洞性及影響，并評(píng)價(jià)了地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生巖爆的可能性(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1994)，其判據(jù)式為:Rc/σθmax＜ 4，極高應(yīng)力，硬質(zhì)巖開(kāi)挖過(guò)程中有巖爆發(fā)生;4≤Rc/σθmax≤7，高應(yīng)力，硬質(zhì)巖開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)爆。Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度;σmax為垂直洞軸線(xiàn)方向的最大初始應(yīng)力。

(2)陶振宇判別準(zhǔn)則。陶振宇(1987)在總結(jié)了多個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，修正了挪威曾采用的巴頓法，提出了一組新的判別臨界值:

Rc/σ1＞ 14.5，無(wú)巖爆發(fā)生，巖爆級(jí)別 Ⅰ;

5.5 ≤Rc/σ1＜ 14.5，低巖爆活動(dòng)，有輕微聲發(fā)射現(xiàn)象，巖爆級(jí)別Ⅱ;

2.5 ≤ Rc/σ1≤ 5.5，中等巖爆活動(dòng)，有較強(qiáng)的爆裂聲，巖爆級(jí)別Ⅲ;

Rc/σ1＜ 2.5，高巖爆活動(dòng)，有很強(qiáng)的爆裂聲，巖爆級(jí)別Ⅳ。σ1為隧道開(kāi)挖后洞壁最大主應(yīng)力。

(3)Turchaninov判據(jù)。前蘇聯(lián)Turchaninov根據(jù)科拉半島希賓地塊的礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提出了巖爆活動(dòng)性由硐室切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σL的和與單軸抗壓強(qiáng)度Rc之比確定:

(σθ+ σL)/Rc≤3，無(wú)巖爆;

0.3 ＜ (σθ+ σL)/Rc≤0.5，有巖爆可能;

0.5 ＜ (σθ+ σL)/Rc≤0.8，肯定發(fā)生巖爆;

(σθ+ σL)/Rc＞ 0.8，有嚴(yán)重巖爆。

上述諸多有關(guān)巖爆發(fā)生預(yù)測(cè)判別準(zhǔn)則，是學(xué)者從不同角度、利用不同手段及不同的理論體系對(duì)巖爆機(jī)理進(jìn)行廣泛研究中得出的，且在一定程度上投入了工程實(shí)際應(yīng)用，并取得了一定的成效。以下主要運(yùn)用應(yīng)力判據(jù)對(duì)九嶺山隧道巖爆問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 巖爆預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)參數(shù)

巖爆分析判別以圓形隧道為基礎(chǔ)，根據(jù)九嶺山隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo)(表1)及不同深處實(shí)測(cè)初始地應(yīng)力(表2)，由彈性力學(xué)中關(guān)于“圓孔的對(duì)應(yīng)力分布的影響”求解圓形隧道圍巖應(yīng)力，得到九嶺山隧道巖爆預(yù)測(cè)需要的圍巖力學(xué)參數(shù)(表3)。

3.2 巖爆預(yù)測(cè)

利用表3巖爆預(yù)測(cè)參數(shù)，采用應(yīng)力判據(jù)對(duì)九嶺山隧道巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)(表4)。由表4可知，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判別法預(yù)測(cè)該隧道在工程施工過(guò)程中無(wú)巖爆活動(dòng)發(fā)生，而其余三種巖爆判別準(zhǔn)則預(yù)測(cè)均可能發(fā)生巖爆活動(dòng)。

表3 巖爆預(yù)測(cè)圍巖參數(shù)Tab.3 Parameters for the rockburst prediction

表4 巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.4Predictive result of rockburst

根據(jù)隧道施工期間收集到的巖爆發(fā)生情況表明，2007年7月11日至2007年7月13日，隧道施工至k98+506～k98+514洞段，隧道埋深500 m左右，圍巖內(nèi)部有噼啪的炸裂聲響，表層有巖塊掉落、松脫現(xiàn)象，屬弱巖爆活動(dòng)，該段洞室圍巖為完整性較好、較干燥、硬脆的砂質(zhì)板巖。

因此，綜合對(duì)比分析隧道施工時(shí)實(shí)際巖爆情況，陶振宇判別準(zhǔn)則預(yù)測(cè)結(jié)果較符合該隧道工程實(shí)際情況。根據(jù)陶振宇判別準(zhǔn)則，結(jié)合實(shí)際發(fā)生巖爆活動(dòng)洞段的工程地質(zhì)條件，對(duì)九嶺山巖爆問(wèn)題進(jìn)行綜合預(yù)測(cè):九嶺山隧道無(wú)嚴(yán)重的強(qiáng)巖爆活動(dòng)發(fā)生;隧道埋深小于450 m的洞段無(wú)巖爆活動(dòng)發(fā)生，隧道埋深雖大于450 m但圍巖破碎、地下水豐富的洞段亦無(wú)巖爆活動(dòng)發(fā)生;隧道埋深大于450 m且洞室圍巖巖體完整性較好、干燥、巖石硬脆的洞段可能會(huì)發(fā)生低巖爆活動(dòng)。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)九嶺山隧道巖爆問(wèn)題的預(yù)測(cè)分析，可以得到以下基本結(jié)論:

(1)九嶺山隧道埋深大、洞程長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)綜合預(yù)測(cè)，九嶺山隧道無(wú)嚴(yán)重的強(qiáng)巖爆活動(dòng)發(fā)生，隧道在埋深大于450 m且洞室圍巖巖體為完整性較好、干燥、巖石硬脆的洞段有產(chǎn)生低巖爆活動(dòng)可能性。

(2)巖爆預(yù)測(cè)問(wèn)題極為復(fù)雜，影響巖爆發(fā)生的因素很多，判別準(zhǔn)則存在著片面性和局限性，預(yù)測(cè)結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生偏差，在應(yīng)力判據(jù)中，根據(jù)理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際狀況對(duì)比分析后認(rèn)為，陶振宇判別準(zhǔn)則預(yù)測(cè)結(jié)果較符合該工程實(shí)際情況，建議在隧道施工過(guò)程中的巖爆預(yù)測(cè)以其為主要判據(jù)，同時(shí)輔以其他判據(jù)綜合分析，并根據(jù)實(shí)際巖爆情況修正巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取有效措施解決問(wèn)題。

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On forecasting the Questions of Rock-burst in the Jiuling Shan Deep and Long Highway Tunnel

ZHOU Long-mao1， GONG Yu-ling1， YANG Pu-ji2， YE Teng-fei1， Li Jian-hua2
(1.East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China;2.Nanzhang Institute of Technology，Nanchang，JX 330029，China)

Forecasting the rock-burst of the deep and long highway tunnel is helpful for tunnel design and construction，because rock-burst is harmful to tunneling engineerings and it is the one of main engineering geological problems in the deep and long highway tunnel.Two-phase engineering geological survey results of the Jiuling shan tunnel preliminary design and construction drawing design were studied.Engineering geological condition，rock mechanical properties and stress test results had been analyzed.It forecasted the rock-burst questions which may occur during the construction by using domestic and overseas varieties of rock burst criterions.The study results show that there is not serious rock-burst，but threr will be have a low rock burst activity in the depth of greater than 450m.

Jiuling shan;deep-seated tunnel;geostress;rock-burst;forecast

U456.3+3

A

1674-3504(2010)02-169-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.02.010

2010-03-15

周龍茂(1968—)，男，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)土木工程師(巖土)。