雅鲁藏布江峡谷段盆因拉隧道岩爆预测

王喜华，赵志明，尹建勋，黄 秦

（1．西南石油大学 资源与环境学院，四川 成都 610500；2．西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3．中铁二十一局集团有限公司，甘肃 兰州 730015）

0 引 言

岩爆，也称冲击地压，是埋藏深度较大以及在地应力较高状况下的地下工程在开挖过程中或者在开挖之后，储存于围岩体中的弹性应变能突然释放并且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛射现象的一种动力失稳现象，也是一种经常遇到的地质灾害［1－6］，尤其是在坚硬的脆性岩层中，其发生的几率更大。因此，岩爆往往直接造成开挖工作面的严重破坏、设备的损坏、施工人员的伤亡，并影响施工进度，已成为岩石工程和岩石力学领域中的难题之一。

雅鲁藏布江峡谷段在建的盆因拉隧道2＃横洞在施工初期多次发生岩爆。为了保证施工安全，采用水压致裂法进行现场地应力测试，采用Russenes判据对不同埋深处发生岩爆的可能性进行预测，最后对隧道岩爆临界埋深进行分析，为后续隧道的开挖提供理论依据。

1 工程概况

盆因拉隧道进口位于泽朗曲右岸冲洪积台地，出口位于雅鲁藏布江左岸至宗嘎村后的山坡处。隧道最大埋深1 080m，全长10 410m。盆因拉隧道共设1个斜井，3个横洞，其中2＃横洞全长1 335m，与隧道正洞夹角82°，最大埋深为965m，洞径为7m（图1）。2＃横洞按无轨运输设计，采用双车道内轮廓，其净空尺寸为7m（宽）×6m（高）。隧道围岩主要为燕山期黑云母花岗岩和闪长岩，以青灰色、浅灰色为主，局部呈灰绿色或灰黑色，中粗粒结构，块状或碎块状构造，矿物主要成分为角闪石、石英、长石、黑云母等，岩石普遍具有蚀变特征，岩体致密、坚硬，局部夹石英岩脉，节理、裂隙较发育，岩体较完整，以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主。盆因拉隧道局部构造岩为断层角砾，断层破碎带主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断层泥砾。

图1 盆因拉隧道位置（单位：m）Fig．1 Location of Penyinla Tunnel（Unit：m）

2 地应力测试

2．1 水压致裂法测试原理

水压致裂法测试地应力的原理［7－8］是利用一对可以膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔进行施压，再根据压裂过程曲线的压力特征值计算地应力。

2．2 测试孔概况

为了研究盆因拉隧道和横洞在施工开挖过程中发生岩爆的原因，并为后续隧道和横洞开挖提供岩爆防护措施以及提供隧道岩爆治理的技术参数，地应力测试工作在盆因拉隧道2＃横洞地应力钻孔内进行。钻孔部位山顶的高程约4 340m，孔口高程约3 790m，测孔部位埋深约550m，孔深30m，钻孔内岩芯为闪长岩，全孔岩芯较完整，局部略显破碎。

2．3 测试结果分析

2．3．1 应力量值与地应力方位

水压致裂法地应力测试结果见表1，其中σH为最大水平主应力，σh为最小水平主应力，σz为测点上覆岩石的自重应力，λ为最大水平主应力方向的侧压系数（σH／σz）。测试时的水位在孔口，孔口上覆岩体深度按550m计算，岩石重度取27．0kN·m－3。现场地应力测试共成功获得3个测试段压裂资料和相应的围岩压裂印模资料。从图2可以看出，测试曲线形态符合水压致裂法测试的一般规律，各压力特征值比较明显。

表1 水压致裂法地应力测试结果Tab．1 Results of Ground Stress Measured by Hydra－fracturing Method

根据地应力测试结果得出，σH为24．7～27．4MPa，平均为25．6MPa；σh为14．6～15．4MPa，平均为14．9MPa；σz平均为15．5MPa。测试部位最大水平主应力方向为近北东向35°，按照峡谷区地应力重分布的一般规律，岩体内重分布应力的最大主应力为近南北向或北北东向，二者所得出的结论接近（表1中去除了3倍隧道直径应力释放区的数据），即以北北东向的挤压为主。

图2 水压致裂法压力记录曲线Fig．2 Recording Curves of Pressure by Hydra－fracturing Method

2．3．2 侧压系数

测试点最大水平主应力方向的侧压系数为1．6～1．8，平均为1．7。与地应力分布一般规律相比较，测试孔部位水平主应力偏大；结合测试孔所在部位地形地貌和地质构造情况，隧址区地应力受地质构造和河谷地形造成的应力集中影响。

2．3．3 地应力量值与深度的关系

地应力量值的大小往往直接影响地下工程的稳定性；因此，为了探讨地应力随深度变化的关系，便于为盆因拉隧道和横洞后续的施工作参考，将测试范围内σH、σh与σz进行比较。地应力量值拟合公式为

式中：H为岩石埋深；γ为岩石重度，取值为27kN·m－3。

3 隧道内地应力评估

通过地应力实地测试及结果分析，对2＃横洞测孔部位围岩地应力状况有了一定认识。盆因拉隧道和2＃横洞全长将近12km，最大埋深处约1 080m，远远大于测试深度；因此，采用埋深与地应力的拟合关系分析和推测盆因拉隧道和2＃横洞围岩地应力情况。

测试孔部位隧道埋深约550m，围岩为完整闪长岩，测试部位σH为25．6MPa，σh为14．9MPa，σz为15．5MPa。取闪长岩单轴饱和抗压强度Rb为80MPa，则Rb／σmax＝3．9＜4，其中σmax为隧道横断面内的最大初始应力，2＃横洞隧道轴线为北西向10°，最大水平主应力方向为北东向35°，最大水平主应力和2＃横洞隧道轴线夹角为45°。依据文献［9］，岩体应力量级为极高应力水平。

4 2＃横洞岩爆预测

在岩爆的预测研究中，国内外学者根据经验制定了许多岩爆的判据准则。笔者应用Russeness判据［4］对2＃横洞在不同埋深处是否发生岩爆进行预测，同时应用侯发亮临界埋深判据［10］预测发生岩爆的最小埋深，为后续隧道开挖提供理论依据。

4．1 Russeness判据

挪威学者Russeness应用有限元和Kirsch方程计算洞壁最大切向应力σθmax，用σθmax／Rb值来预测岩爆和判定岩爆等级。其判别标准［11－12］为

4．1．1 隧道开挖洞壁切向应力计算

采用数值模拟方法计算隧道开挖洞壁切向应力值σθ，数值模拟模型见图3。根据现场地应力测量数据，将σH施加在水平方向，并在模型上部加载上覆岩体σz；σz主要根据隧道埋深确定，模型底部垂向位移约束。

4．1．2 Russeness判据预测结果

根据Russeness判据对盆因拉深埋隧道进行岩爆预测。预测结果见表2。

图3 隧道开挖数值模拟模型Fig．3 Numerical Simulation Model in Tunnel Excavation

表2 不同埋深Russeness判据岩爆预测结果Tab．2 Predicion Results of Rockbursts with Different Depths by Russeness Criterion

4．2 侯发亮临界埋深判据

侯发亮等在1989年首先提出了侯发亮临界埋深判据，认为岩爆虽多发生在水平构造应力较大的区域，但如果洞室埋深较大，即使没有构造应力，但由于上覆岩体效应的存在，洞室也可能发生岩爆［10］。根据弹性力学求解，推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生的临界深度［12－17］Hcr计算公式

式中：μ为岩石泊松比。

根据式（3）以及盆因拉隧道岩石物理力学参数，计算得出盆因拉隧道发生岩爆的理论临界深度为325m，而实际上2＃横洞发生岩爆的最小埋深是300m（表3）。因此，应密切观察施工过程中出现的异常现象。

表3 侯发亮临界埋深判据计算结果Tab．3 Results of HOU Fa－liang Critical Depth Criterion

4．3 2＃横洞岩爆预测

对于2＃横洞中闪长岩地段，隧道埋深小于200m一般不会产生岩爆，局部可能会产生弱岩爆；埋深在200～400m之间往往是发生岩爆的临界深度，一般会出现弱—中等岩爆；埋深在400～800m范围时，一般会以中—强岩爆为主。

5 结 语

（1）雅鲁藏布江峡谷段盆因拉隧道洞身段属于极高地应力区，最大水平主应力为24．7～27．4MPa，最小水平主应力为14．6～15．4MPa。

（2）最大水平主应力方位总体为近北东向35°，测压系数平均值为1．7，测试区地应力场主要受峡谷区地应力重分布及区域地质构造影响。

（3）地应力量值与深度拟合得到具有一定实践价值的拟合公式，可用来估算围岩应力场，但应注意考虑区域差异性造成的影响。

（4）根据Russeness判据预测分析，该区埋深在200m以下发生岩爆的可能性较小，局部会有弱岩爆发生；200～400m埋深为岩爆发生的临界深度范围，主要发生弱—中等岩爆；埋深大于400m会有强烈的岩爆发生。

（5）根据侯发亮临界埋深判据得到的临界深度为325m，而实际发生岩爆的最小深度为300m，相对于理论值偏小，因此更应时刻注意岩爆危害。

（6）盆因拉隧道2＃横洞处于极高地应力区，横洞围岩在开挖过程中发生岩爆的可能性比较大，同时影响岩爆发生的因素众多。岩爆发生具有很强的随机性，施工中应提高警惕，对于岩体完整、干燥地段应加强监测，采取必要、合适的工程措施以降低岩爆危害。

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