圭嘎拉高速公路隧道地應(yīng)力特征及巖爆預(yù)測(cè)

邢 軍，王建斌，蔣 蕾，董小波

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710078；2.西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；3. 西安市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，陜西 西安 710021)

圭嘎拉隧道是我國(guó)青藏高原地區(qū)最長(zhǎng)的深埋特長(zhǎng)公路隧道，隧址區(qū)南側(cè)靠近雅魯藏布江北界斷裂帶，高地應(yīng)力、高地溫?zé)岷Φ忍厥夤こ痰刭|(zhì)問(wèn)題突出。在高地應(yīng)力條件下硬質(zhì)巖掘進(jìn)過(guò)程中極易產(chǎn)生巖爆，嚴(yán)重威脅著建設(shè)者的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。如2010年11月28日發(fā)生于中國(guó)錦屏二級(jí)水電站2 500 m埋深的引水隧洞中的巖爆，導(dǎo)致了7人死亡和掘進(jìn)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。由此可見(jiàn)，對(duì)隧道地應(yīng)力分析及巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性是決定工程設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖爆的發(fā)生機(jī)理、形成機(jī)制等進(jìn)行了大量研究，何滿朝等[2]認(rèn)為巖爆的發(fā)生次數(shù)、強(qiáng)度和規(guī)模與埋深呈正相關(guān)；Jianchao Wang等[3]認(rèn)為剪切作用達(dá)到一定程度時(shí)，采場(chǎng)附近容易發(fā)生巖爆，而這種剪切作用是由巖石裂隙帶原有的非均勻應(yīng)力與采煤工作面超前應(yīng)力共同組成；Yanbo Zhang等[4]對(duì)巖爆的產(chǎn)生條件和表現(xiàn)形式進(jìn)行了歸納和分類，認(rèn)為今后應(yīng)采用多場(chǎng)耦合的方法對(duì)巖爆預(yù)測(cè)進(jìn)行研究；Zengqiang Yang等[5]認(rèn)為在強(qiáng)采礦擾動(dòng)的影響下，采空區(qū)超前段易受動(dòng)、靜聯(lián)合荷載的影響而發(fā)生沖擊地壓。對(duì)于巖爆的預(yù)測(cè)也進(jìn)行了大量的工程實(shí)踐，杜世回[6]對(duì)秦嶺翠華山特長(zhǎng)隧道的高地應(yīng)力巖爆預(yù)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了探討，認(rèn)為基于地應(yīng)力參數(shù)和巖石參數(shù)計(jì)算得出的巖爆可能性結(jié)論具有片面性；鄧小鵬等[7]基于地應(yīng)力測(cè)試、數(shù)值模擬、多種巖爆應(yīng)力判據(jù)等方法對(duì)寶塔山特長(zhǎng)隧道地應(yīng)力場(chǎng)與巖爆進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)；王慶武等[8]采用工程類比、數(shù)值反演等方法對(duì)巴玉隧道地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析，并利用修改后的谷—陶巖爆判據(jù)對(duì)巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè)；劉造寶等[9]提出了一種基于屬性權(quán)重的方法來(lái)量化各巖爆指標(biāo)的巖爆預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用于164個(gè)樣本進(jìn)行了驗(yàn)證。

以上研究成果頗豐，但對(duì)巖爆的發(fā)生機(jī)理、形成機(jī)制仍未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)仍未形成系統(tǒng)的理論。鑒于此，本文依托在建的圭嘎拉隧道工程，在綜合分析區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力測(cè)試成果的基礎(chǔ)上，選取典型斷面構(gòu)建二維隧道數(shù)值計(jì)算模型，并將實(shí)測(cè)地應(yīng)力值輸入模型研究地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行巖爆傾向性試驗(yàn)，探討劃分該隧道可能發(fā)生巖爆的強(qiáng)度等級(jí)。以期為本工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為鄰區(qū)類似工程提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

隧道地處雅魯藏布江斷裂帶的北側(cè)(圖1)，穿越地段無(wú)大型斷裂構(gòu)造，以小規(guī)模壓扭性斷裂與褶皺構(gòu)造為主。隧址區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水和風(fēng)化帶裂隙水，賦存于第四系覆蓋層、風(fēng)化節(jié)理裂隙與構(gòu)造裂隙中，主要接受冰雪消融與大氣降水補(bǔ)給，季節(jié)性變化明顯。鉆孔揭示的地下水埋深0～130 m，抽水試驗(yàn)揭示的流量Q為12.8～26.1 m3/(h·m)，滲透系數(shù)K為0.008～0.014 m/d，屬于強(qiáng)富水區(qū)。

2 隧道地應(yīng)力測(cè)試

2.1 鉆孔地應(yīng)力測(cè)試

本文采用水壓致裂法[11]對(duì)圭嘎拉隧道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，該方法的優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：①測(cè)量深度深；②資料整理時(shí)不需要巖石彈性參數(shù)參與計(jì)算，可避免因巖石彈性參數(shù)取值不準(zhǔn)引起的誤差；③巖壁受力范圍廣，可以避免“點(diǎn)”應(yīng)力狀態(tài)的局限性和巖體各向異性影響；④操作簡(jiǎn)單，測(cè)試周期短。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，該方法廣泛應(yīng)用于水電、交通、礦山等工程領(lǐng)域。

本次地應(yīng)力測(cè)試在4#、5#鉆孔內(nèi)進(jìn)行，其中4#鉆孔位于測(cè)設(shè)里程K19+091.5處，孔口高程5 014.5 m，鉆孔深度759.1 m，地層巖性為板巖，微風(fēng)化，巖體完整性好，較堅(jiān)硬，呈脆性；5#鉆孔位于測(cè)設(shè)里程K21+940處，孔口高程4 772.7 m，鉆孔深度572.3 m，地層巖性為黑云母二長(zhǎng)花崗巖，微風(fēng)化，巖體完整性好，呈堅(jiān)硬狀態(tài)。地應(yīng)力測(cè)試段分布在鉆孔的中、下部，4#鉆孔測(cè)試深度為164.0～740.3 m，5#鉆孔測(cè)試深度為146.0～560.3 m，分別在4#、5#鉆孔進(jìn)行了12段、10段地應(yīng)力測(cè)試與5段定向印模測(cè)試，壓裂段長(zhǎng)0.8 m，地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果[12]見(jiàn)表1，工作區(qū)工程地質(zhì)縱面如圖2所示。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified structural map of the study area

鉆孔編號(hào)測(cè)試段編號(hào)深度/mσH/MPaσh/MPaσv/MPaσp/MPaσH/σvσh/σv(σH+σh)/2σvσH方向4#1164.5～165.38.345.324.281.95 1.57 0.80 1.19 2227.5～228.39.686.685.921.64 1.45 0.89 1.17 3272.5～273.310.337.177.091.46 1.44 0.99 1.21 4326.3～327.110.908.248.481.29 1.32 1.03 1.18 5389.5～390.312.2510.2510.131.21 1.20 0.99 1.09 NE 41°6443.3～444.114.4111.1011.531.25 1.30 1.04 1.17 7497.5～498.315.9712.3312.941.23 1.30 1.05 1.17 NE 43°8551.3～552.118.0613.2614.331.26 1.36 1.08 1.22 9617.5～618.319.8515.3016.061.24 1.30 1.05 1.17 NE 38°10677.3～678.122.2916.8817.611.27 1.32 1.04 1.18 11722.5～723.323.3017.4818.791.24 1.33 1.07 1.20 NE 39°12740.3～741.123.8118.0619.251.24 1.32 1.07 1.19 NE 40°平均值1.351.351.011.18NE 40.2°5#1146.5～147.310.436.893.882.69 1.51 0.56 1.04 2200.3～201.111.777.755.312.22 1.52 0.69 1.10 3254.5～255.312.618.766.741.87 1.44 0.77 1.10 4308.3～309.115.3410.608.171.88 1.45 0.77 1.11 NE 43°5362.5～363.316.4311.889.611.71 1.38 0.81 1.10 6410.3～411.118.3913.1510.871.69 1.40 0.83 1.11 NE 39°7461.5～462.319.3313.9512.231.58 1.39 0.88 1.13 8506.3～507.120.7714.6413.421.55 1.42 0.92 1.17 NE 42°9542.5～543.321.5515.3214.381.50 1.41 0.94 1.17 NE 40°10560.3～561.121.7815.6514.851.47 1.39 0.95 1.17 NE 44°平均值1.811.430.811.12NE 41.6°

注：σH、σh、σv分別為最大、最小水平主應(yīng)力和根據(jù)上覆巖體埋深計(jì)算的垂向主應(yīng)力。

圖2 隧道工程地質(zhì)縱斷面簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological profile of the tunnel engineering

在4#鉆孔測(cè)試深度(741.1 m)范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力最大值為23.81 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為18.06 MPa；5#鉆孔測(cè)試深度(561.1 m)范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力最大值為21.78 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為15.65 MPa。從圖3可知，側(cè)壓系數(shù)在淺部較大，測(cè)點(diǎn)達(dá)到一定深度后，其側(cè)壓系數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定；各測(cè)試孔側(cè)壓系數(shù)均大于1，主應(yīng)力大小關(guān)系均為σH>σh>σv，說(shuō)明隧道埋深處地應(yīng)力特征以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

圖3 側(cè)壓力系數(shù)隨深度變化曲線Fig.3 Change in the lateral pressure coefficient with depth

表1中分析了2個(gè)鉆孔的最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值、最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值、最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值、水平主應(yīng)力平均值與垂直應(yīng)力比值。最大水平主應(yīng)力方向約為NE40.9°，隧道洞軸線方向?yàn)?33°，兩者呈正交關(guān)系，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定性。當(dāng)水平主應(yīng)力平均值與垂直應(yīng)力比值為1.0時(shí)，圍巖的應(yīng)力分布會(huì)比較均勻，對(duì)圍巖穩(wěn)定性有利，但測(cè)試結(jié)果表明兩者比值的平均值為1.12，圍巖應(yīng)力分布不均。同時(shí)，由于σH/σv的比值較大(1.20～1.57，均值1.39)，最大水平主應(yīng)力絕對(duì)值也較大(23.81 MPa)，具備產(chǎn)生巖爆的條件。

2.2 地應(yīng)力與埋深關(guān)系

將所得水平最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力進(jìn)行線性擬合，得圖4。可知，地應(yīng)力隨深度增加而增大，呈近似線性關(guān)系。

圖4 應(yīng)力與深度測(cè)試線性擬合曲線Fig.4 Linear fitting curve of stress and depth test

3 地應(yīng)力特征數(shù)值分析

本隧道涉及的地層巖性可概化為黑云母二長(zhǎng)花崗巖、板巖、變質(zhì)砂巖三種巖性，其中黑云母二長(zhǎng)花崗巖的飽和抗壓強(qiáng)度最大，普遍埋深也較大，高-極高應(yīng)力段落長(zhǎng)度最長(zhǎng)，發(fā)生巖爆的可能性最大。進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試的兩個(gè)鉆孔中，5#鉆孔的地層巖性為黑云母二長(zhǎng)花崗巖。由于篇幅有限，這里以5#鉆孔所在里程斷面為例，通過(guò)建立隧道二維數(shù)值計(jì)算模型，將巖石物理力學(xué)試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果輸入計(jì)算模型，對(duì)隧道開(kāi)挖前后地應(yīng)力場(chǎng)及開(kāi)挖后的凈空位移場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)巖爆等級(jí)。

3.1 數(shù)值模型的建立

該斷面位于測(cè)設(shè)里程K21+940，隧道埋深560 m，地層巖性以黑云母二長(zhǎng)花崗巖為主，洞身為微風(fēng)化，局部夾少量變質(zhì)砂巖俘虜體，地表覆蓋層厚度小于5 m，建立二維數(shù)值計(jì)算模型如圖5。

圖5 二維計(jì)算模型Fig.5 2D computation model

為了更加真實(shí)地反映隧道地應(yīng)力分布情況，根據(jù)實(shí)測(cè)斷面確定模型范圍：水平方向(x軸)長(zhǎng)度取160 m，垂直方向(y軸)兩側(cè)取值均為600 m。根據(jù)鉆孔實(shí)測(cè)資料，地層可概化為中-微風(fēng)化黑云母二長(zhǎng)花崗巖。模型類型為二維平面應(yīng)變模型，網(wǎng)格的劃分采用四邊形+三邊形相結(jié)合的形式，共劃分網(wǎng)格592個(gè)，節(jié)點(diǎn)627個(gè)，屈服準(zhǔn)則選取Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，本構(gòu)模型采用彈塑性莫爾—庫(kù)倫模型，該模型參數(shù)包括彈性模量E、泊松比λ、黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ。邊界條件定義為：左右邊界均施加法向約束，底部邊界施加固定約束，地表為自由邊界。荷載采用自重、地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與擬合函數(shù)(圖6)，由于最大水平主應(yīng)力方向與隧道呈90°交角，地應(yīng)力荷載可施加于左側(cè)邊界。

圖6 地應(yīng)力荷載函數(shù)曲線Fig.6 Geostress load function curve

在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探、地應(yīng)力測(cè)試與室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合確定計(jì)算參數(shù)(表2)。

表2 地層計(jì)算參數(shù)Table 2 Stratigraphic parameter

3.2 計(jì)算結(jié)果

從圖7可知，主應(yīng)力分布呈橢圓狀不均勻分布，這是由水平應(yīng)力與自重應(yīng)力疊加后的應(yīng)力不均導(dǎo)致的，而地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明隧道以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，數(shù)值分析與地應(yīng)力測(cè)試所得規(guī)律一致。隧道開(kāi)挖后易在洞室周邊形成應(yīng)力集中(圖7b)，由于圍巖屬于脆性堅(jiān)硬巖類，自身及周邊圍巖儲(chǔ)存的能量需要迅速釋放，這就導(dǎo)致巖體獲得了動(dòng)能，以應(yīng)力波的形式釋放，進(jìn)而產(chǎn)生巖爆。

圖7 開(kāi)挖前后主應(yīng)力分布等值線圖Fig.7 Contour map of the principal stress distribution before and after excavation

從圖8(a)、(c)可知，在水平地應(yīng)力下，隧道凈空位移、等效應(yīng)變均呈不對(duì)稱分布。由于受力不均勻，隧道施工可能產(chǎn)生左側(cè)邊墻、仰拱及拱腳的嚴(yán)重變形、破壞，施工中應(yīng)引起足夠的重視。

從圖9可知，開(kāi)挖后隧道洞身3～5倍洞徑范圍內(nèi)的剪應(yīng)力變化較大，開(kāi)挖后應(yīng)力較開(kāi)挖前增大了14%，可見(jiàn)這部分增加的應(yīng)力與凈空條件是產(chǎn)生巖爆的主要原因。

圖8 凈空位移、應(yīng)力應(yīng)變等值線圖Fig.8 Contour map of displacement and stress strain

3.3 數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從整體上看，圍巖應(yīng)力大小與隧道埋深呈正相關(guān)。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)比深孔實(shí)測(cè)結(jié)果(表3)，隧址區(qū)存在水平構(gòu)造應(yīng)力，4#孔為23.81 MPa，5#孔為21.78 MPa，水平構(gòu)造應(yīng)力與隧道軸向呈正交關(guān)系，隧道開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致洞室圍巖應(yīng)力狀態(tài)的二次調(diào)整，邊墻、仰拱及拱腳部位有明顯的應(yīng)力集中，開(kāi)挖過(guò)程中可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的巖爆。

表3 數(shù)值計(jì)算與地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison between the simulated andmeasured ground stress

圖9 最大剪應(yīng)力隨深度變化曲線Fig.9 Change in the maximum shear stress with depth

4 彈性應(yīng)變能指數(shù)法測(cè)試

該方法由波蘭學(xué)者A Q Kidybin-shi提出，該方法認(rèn)為巖爆是由于開(kāi)挖卸荷后原本在初始應(yīng)力場(chǎng)下聚集的彈性應(yīng)變能突然釋放的結(jié)果，而彈性應(yīng)變能的大小通常與初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，可通過(guò)巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算彈性應(yīng)變能指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)巖爆發(fā)生的可能。彈性應(yīng)變能指數(shù)計(jì)算的示意圖見(jiàn)圖10，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wet——彈性應(yīng)變能指數(shù)；

φsp——卸載后釋放的彈性應(yīng)變能，對(duì)應(yīng)圖中ABC所圍面積；

φst——開(kāi)挖卸荷后圍巖發(fā)生的破裂與塑性變形耗散的應(yīng)變能，對(duì)應(yīng)圖中AOB所圍面積；

εp——塑性應(yīng)變；

εs——彈性應(yīng)變；

σ0——0.7～0.9倍巖石單軸抗壓強(qiáng)度，一般取0.8倍。

圖10 巖石試樣彈性應(yīng)變能計(jì)算示意圖Fig.10 Diagram showing calculation of the elastic strain energy of the rock sample

國(guó)內(nèi)外大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究表明[13-16]，彈性應(yīng)變能指數(shù)越大，開(kāi)挖時(shí)圍巖釋放的沖擊能量就越大，可代表發(fā)生巖爆的可能。波蘭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建議的能量預(yù)測(cè)判據(jù)如下[17]：

Wet<2.0，不會(huì)產(chǎn)生巖爆

2.0≤Wet<5.0,形成中、低等巖爆

Wet≥5.0,形成嚴(yán)重巖爆

本次試驗(yàn)選取了10組能夠代表隧道圍巖特征的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，巖性包括板巖、變質(zhì)砂巖、黑云母二長(zhǎng)花崗巖，得到的彈性應(yīng)變能指數(shù)表4。三種巖性的代表性試驗(yàn)單軸加載、卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖11。

圖11 巖石單軸加載、卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curve of rock under uniaxial loading and unloading

鉆孔編號(hào)取樣深度巖性與編號(hào)天然密度ρ/(g·cm-3)天然抗壓強(qiáng)度R/MPa飽和抗壓強(qiáng)度Rc/MPa黏聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)卸載值/破壞值彈性應(yīng)變能指數(shù)Wet判定結(jié)果4#733.4～734.0板巖12.6543.135.26.9742.90.671.93無(wú)巖爆4#740.2～740.8板巖22.6046.638.74.9041.70.622.45低巖爆4#743.6～35.9板巖32.5938.029.76.4243.30.581.42無(wú)巖爆4#749.2～749.8板巖42.5646.338.46.1342.60.662.38低巖爆3#151.2～151.8變質(zhì)砂巖12.5843.735.67.1743.50.552.68低巖爆3#176.0～176.6變質(zhì)砂巖22.4646.138.36.4643.30.524.41中等巖爆3#520.2～520.8變質(zhì)砂巖32.4545.037.36.0542.90.463.89中等巖爆5#543.4～544.0二長(zhǎng)花崗巖12.7486.479.511.5847.50.497.45嚴(yán)重巖爆5#553.0～553.6二長(zhǎng)花崗巖22.7377.370.310.9745.80.624.98中等巖爆5#561.2～561.8二長(zhǎng)花崗巖32.7185.778.111.3546.70.476.38嚴(yán)重巖爆5#570.4～571.0二長(zhǎng)花崗巖42.7283.175.411.0546.10.735.96嚴(yán)重巖爆

根據(jù)以上分析，該隧道黑云母二長(zhǎng)花崗巖段落長(zhǎng)度3 km，且埋深均大于500 m，處于高-極高地應(yīng)力水平，具備發(fā)生中等-嚴(yán)重巖爆的儲(chǔ)能與釋放條件；板巖段僅局部可能發(fā)生低巖爆

5 巖爆預(yù)測(cè)綜合分析與處治建議

5.1 地應(yīng)力條件

隧道位于雅魯藏布江斷裂帶附近，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造顯著，該區(qū)具備了高地應(yīng)力條件。隧道穿越圭嘎拉主峰，最大埋深1 200 m，埋深500 m以上區(qū)段長(zhǎng)度達(dá)6.3 km，占整個(gè)隧道長(zhǎng)度的48.8%，自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力共同形成了復(fù)雜的高地應(yīng)力場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明：測(cè)試段(埋深大于500 m)應(yīng)力絕對(duì)值處于高水平，為15.97～23.81 MPa，且水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值均值為1.35～1.43，反應(yīng)了應(yīng)力分布極不均勻。綜上，圭嘎拉隧道具備了形成巖爆的地應(yīng)力條件。

5.2 巖性與結(jié)構(gòu)特征

圭嘎拉隧道以新鮮的板巖夾砂巖、黑云母二長(zhǎng)花崗巖、片麻花崗巖等脆性硬質(zhì)巖類為主，巖體風(fēng)化程度弱，巖質(zhì)新鮮，現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭示巖芯的RQD>83%，巖芯采取率>95%，多為長(zhǎng)柱狀，巖芯完整性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，具備了較好的儲(chǔ)能條件。彈性應(yīng)變能指數(shù)試驗(yàn)表明，黑云母二長(zhǎng)花崗巖的Wet基本上大于5，可能產(chǎn)生嚴(yán)重巖爆；片麻花崗巖與黑云母二長(zhǎng)花崗巖的巖性特征類似，同樣具備產(chǎn)生強(qiáng)巖爆的可能；板巖夾變質(zhì)砂巖段因巖性不穩(wěn)定，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖爆等級(jí)以低巖爆為主。

5.3 地下水影響

圭嘎拉隧道洞身段地下水主要以基巖裂隙水為主，但由于洞身段巖體完整性好，裂隙發(fā)育很微弱，基巖裂隙水主要在隧道進(jìn)口、出口段發(fā)育較為豐富，洞身段地下水的存在對(duì)圍巖起到一定的軟化作用，降低圍巖的脆性，在一定程度上能夠減弱巖爆，但由于洞身段圍巖完整性好，原生節(jié)理裂隙不發(fā)育，因此地下水對(duì)隧道巖爆的減弱效果很有限。

5.4 巖爆綜合分析結(jié)果

通過(guò)地質(zhì)環(huán)境的分析、數(shù)值模擬、巖體彈性應(yīng)變能以及地應(yīng)力場(chǎng)特征的綜合判斷，圭嘎拉隧道埋深大于500 m時(shí)，板巖夾變質(zhì)砂巖段以低巖爆為主(長(zhǎng)度約3.3 km)，黑云母二長(zhǎng)花崗巖與片麻花崗巖段以中等-嚴(yán)重巖爆為主(長(zhǎng)度約3.0 km)。

5.5 處治措施建議

建議隧道斷面采用圓順的低邊墻斷面，盡可能使洞室周邊處于應(yīng)力均勻狀態(tài)。

低巖爆段落，建議在開(kāi)挖面上灑水，軟化表層。初期支護(hù)采用網(wǎng)噴混凝土、超前錨桿的聯(lián)合加固措施。

中等-嚴(yán)重巖爆段落，建議采用超前應(yīng)力解除法、高壓注水等主動(dòng)防護(hù)措施降低洞壁切向應(yīng)力，初期支護(hù)采用噴鋼纖維混凝土、格柵拱架等加固措施。

6 結(jié)論及建議

(1) 圭嘎拉隧道所處的地應(yīng)力狀態(tài)總體上為σH>σh>σv，地應(yīng)力狀態(tài)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。實(shí)測(cè)地應(yīng)力最大值為23.81 MPa，數(shù)值計(jì)算對(duì)應(yīng)值為24.68 MPa，二者分布規(guī)律基本一致。

(2) 最大水平主應(yīng)力方向約為NE40.9°，隧道洞軸線方向?yàn)?33°，兩者呈正交關(guān)系，隧道施工中邊墻、仰拱與拱腳可能產(chǎn)生嚴(yán)重變形、破壞。

(3) 從巖石的應(yīng)變能指數(shù)測(cè)試可知，黑云母二長(zhǎng)花崗巖儲(chǔ)釋能性質(zhì)具備發(fā)生中等-嚴(yán)重巖爆，板巖的儲(chǔ)釋能性質(zhì)具備發(fā)生低巖爆。

(4) 圭嘎拉隧道具備產(chǎn)生中等-嚴(yán)重巖爆的條件，工程設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。