闽西南某隧道高地应力特征及隧道岩爆预测研究

张建忠

(中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京 100043)

0 引言

高地应力地区进行地下洞室开挖极易产生破坏性岩爆［1－3］。如何更好地进行岩爆预测是国内外研究人员一直关心的问题。国内外科学家提出了很多岩爆判据，包括陶振宇判据［4］、Barton 判据［5］、Russense 判据［6］、Hoek 判据［7］以及能量法、刚度法、岩性法及临界深度法［8］等。多数判据以洞室围岩的应力为参考指标，地应力大小成为预测岩爆的重要参数［9－10］。由于原地应力测试费用高昂，利用有限的地应力数据预测整个工程区的应力状态便成为岩爆预测的关键问题，数值模拟方法成为主要的研究方法［11－12］。为了更加方便地进行地应力场和岩爆预测，本文按照工程区地应力实测、围岩应力状态和岩爆预测方法展开，并用预测结果与工程实例进行对比分析，具体流程见图1。

1 地应力预测与评价理论

岩爆的发生与工程区地应力状态有直接的关系，高地应力区域极易发生岩爆。国内外对高地应力的含义迄今还未达成统一的认识。王成虎等［13－15］在对国内外地应力评价方法进行总结和分析的基础上，提出了岩体强度应力比高地应力评价指标，见表1。高地应力评价需要确定原位岩体强度和地应力大小。原位岩体的强度很难直接测得，可以利用Heok－Brown岩体强度理论进行估算。地应力的大小以实测应力为基础，结合修正后的Sheorey模型进行估算。

图1 地应力评价和岩爆预测体系流程图Fig.1 Flowchart of ground stress evaluation and rock burst prediction

表1 岩体强度应力比高地应力评价指标［15］Table 1 Index for evaluation of ground stress by strength-to-stress method

1.1 Hoek－Brown岩体强度估算理论

1980年，E.Hoek和 E.T.Brown在分析 Griffith理论和修正的 Griffith理论的基础上，提出了狭义的Hoek－Brown(H －B)准则［16］。此后，H －B 准则经过多次修正［17－19］，由于其充分考虑了岩体的工程地质方面的特征，被世界各国学者广泛接受。众多文献已经对该准则进行了分析和讨论，本文中不再赘述。E.Heok等［20］于 2002 年推出 RocLab软件，可以计算岩体力学参数，包括岩体抗剪断峰值强度、变形模量、单轴抗压强度、整体抗压强度和单轴抗拉强度等，为H－B准则的推广使用奠定了良好的基础。RocLab软件的计算流程如图2所示。

图2 RocLab软件计算流程图Fig.2 Flowchart of calculation by RocLab software

GSI是H－B准则的一个重要参数，该参数考虑了岩体结构和结构面等地质因素对岩体力学参数的影响，大量的文献曾对GSI的取值进行过研究［21－22］。

1.2 地应力预测理论—Sheorey模型

Sheorey模型［23］中将地球假设为一个球形壳体，将地壳、地幔和地核分别当作不同物态的物质分层考虑，考虑不同深度地壳和地幔的岩体弹性模量、泊松比、地温梯度、岩体热膨胀系数以及岩体密度随地壳深度增加而增加等问题。地壳水平应力随深部的变化可以表达为

式中:σh为地壳中的水平应力;β为岩石线性热膨胀系数;ν为泊松比;E为岩石弹性模量;G为地壳中地温梯度。

根据众多文献对岩石线性膨胀系数的研究可知，浅层地壳水平应力均值与垂直应力的比值k随深部的变化可以表达为

式中:Eh为特定深度上岩石的平均水平弹性模量，GPa;Z为距地表深度，m。

因此，对于同一构造区域，如果岩性不同，深度不同，可以利用式(2)和有限的原地应力实测数据进行原地应力状态的预测。

式中:E1，E2为基准点和预测点岩石的平均水平弹性模量，GPa;Z1，Z2为基准点和预测点距地表的深度，m;k1，k2为基准点和预测点的水平应力均值与垂直应力的比值。

根据王艳华等［24］的统计结果，中国大陆地壳浅部k值的范围为

而绝大多数实测应力数据显示，中国大陆地壳浅部k值的最优范围为［24］

式中Z为距地表深度，km。

通过对式(2)分析可知，当深度较浅(Z＜100 m)时，由Sheorey模型预测的k值偏大。图3表明，当岩石的平均水平弹性模量大于35 GPa时，Sheorey模型预测的k值大于实测k值的最优范围。P.R.Sheorey也指出本式仅适用于138.87 m～33.73 km的地壳深度范围，故需要对公式进行修正。

由式(2)可知，当Eh变小时，就可以较好地拟合现场实测数据，Sheorey在研究过程中并没有明确岩石弹性模量、岩体弹性模量与岩体变形模量三者之间的区别。按照Sheorey模型的基本原理和对原地应力场的认识，王成虎等［25－26］认为式(2)中的 Eh应使用“原位岩体”的变形模量。因此，根据实测地应力资料确定实测点k1，通过H－B准则和现场地质调查获得基准点和预测点的岩体变形模量E1和E2，进一步确定预测点的k2，从而获得预测点应力值。

图3 地壳浅部Sheorey模型和实测k值Fig.3 Sheorey model for ground stress in shallow crust and measured“k”value

2 工程概况

2.1 基本地质条件

隧道位于闽西南剥蚀中低山区，地形起伏较大，自然坡度20°～50°，相对高差100～750 m。隧道为双线隧道，轴线方向为N24°W，桩号DK215+970～DK229+750，全长15 780 m，其中本次研究区桩号为DK224+855～DK229+750，最大埋深695 m。现场调查和钻探资料表明，工程区以Ⅲ和Ⅳ级围岩为主，主要岩性为粉砂岩和花岗岩。根据现场点荷载试验和室内岩石力学实验的结果可知，岩石强度较高，单轴抗压强度为140～160 MPa。工程区发育2条断层，1处节理密集带和4条岩性接触带，如图4所示。

2.2 地应力特征

工程区在大地构造上属于闽西南拗陷带，北东—北东东向及北北东向断裂最为发育，基本控制着本区构造格局。世界应力图项目关于该区域应力状态的数据显示最大水平主应力方向为NE—NEE向［27］。在隧道中(图4中星号所示，埋深460 m)布置了2个钻孔进行水压致裂原地应力测试，测试结果表明最大主应力的优势方位为 N71°—86.7°E。

图4 隧道沿线剖面图Fig.4 Profile of tunnel

2个钻孔揭示的实测应力值相对较高，最大水平主应力值范围为22.89～23.47 MPa，最小水平主应力范围为10.78～11.70 MPa。在测试过程中，2个钻孔布置距离很近，所揭露的岩性也相同，因此2个钻孔所反映的应力状态也类似。具体实测结果见表2。

总体上看，工程区实测地应力方向以NEE向为主，地应力水平较高，三向主应力之间的大小关系表现为:SH＞SV＞Sh，该地应力状态符合地质构造背景及局部地形地貌所反映的区域地应力场特征。

3 岩爆预测结果与实际岩爆对比分析

3.1 钻孔周边岩体强度估算

对钻孔周边的岩体进行详细地质调查，确定其GSI值。进一步结合室内岩石力学实验结果，利用RocLab软件对钻孔周边的岩体强度以及变形模量进行估算，结果如表3所示。

3.2 隧道沿线岩体强度估算及地应力计算

在取得钻孔周边岩体强度的基础上，首先根据工程区围岩基本岩体质量，利用RocLab软件对整个工程区隧道围岩强度进行估算，得到原位岩体变形模量Erm。以钻孔实测地应力为基准值，并且利用式(3)对整个工程区地应力水平进行计算，结果见表4。由表4可知，DK225+803～DK228+018为高地应力区域，DK228+018～DK229+750为中等地应力区域，局部地段为低地应力区域。

3.3 隧道沿线岩爆预测

国内外学者提出了很多岩爆判据和岩爆分级标准，本次研究主要利用地应力指标进行岩爆预测，因此参考地应力以及应力强度比方面的判据。根据王成虎等［9］对岩爆和脆性破坏时应力特征的研究，将隧道围岩切向最大应力与岩石单轴抗压强度比作为岩爆判据，预测岩爆发生的可能性，预测结果见表4。

表2 ZK1和ZK2钻孔水压致裂测量结果Table 2 Stresses measured in test boreholes ZK1 and ZK2

表3 基于Hoek－Brown准则的钻孔岩体强度估算结果Table 3 Rock strength estimated on basis of Hoek－Brown criterion

续表

从岩爆预测结果来看，隧道 DK224+885～DK228+018均存在岩爆发生的高应力条件，岩爆发生的程度为轻微至中等，特别当埋深超过500 m后，发生中等程度岩爆的可能性非常大。而DK228+018～DK229+750基本不会发生岩爆灾害，但是不能排除局部地段发生岩爆灾害的可能性。

3.4 隧道施工过程中岩爆分析

前面对工程区地应力状态进行了分析，对可能发生的岩爆进行了预测。本节结合隧道施工过程中发生的岩爆情况，对前面的预测进行分析和讨论。表5为进入正洞段施工以来，部分比较典型的发生岩爆情况统计。

表5 施工过程中典型岩爆情况统计Table 5 Typical rock bursts occurring during excavation

从表5中可知，实际发生岩爆的区域均位于预测的中等岩爆区域，地应力水平为25～33 MPa，属于高应力区。工程区应力状态主要受局部地质构造、岩体强度和地形地貌的影响［28］。地形地貌对地应力的影响有一定范围，一般越接近地表或谷坡，影响越大，对深埋隧道围岩应力状态无明显影响［29－32］。在静应力场中，断层构造对地应力大小和方向的影响是局部的。在同一个构造单元体内，被断层或其他大结构面切割的各个大块岩体中的地应力方向、大小均较一致［32］。研究资料表明在同一工程区内，由于岩体强度的不同，测得的地应力往往不同，地应力值随岩石杨氏模量增大而增大［33－37］。岩体强度与地应力既是独立又是统一的，强度较高的岩体才能够积累高应力，积蓄高应变能，从而导致岩爆的发生。从表4中可知，岩体强度对应力水平的影响比较显著，强度大的区域，地应力水平较高，说明以上的预测是合理的。

区域的应力方向为NE—NEE向，与梅花山隧道的轴线方向近于垂直，由于最大水平主应力的作用，在隧道洞身断面的拱顶形成了压应力集中，在断面的拱肩部位形成了剪应力集中，这些应力集中导致洞壁围岩发生脆性破坏，进而形成岩爆;与此同时，后续的开挖作业会影响先前开挖成型的洞段，导致应力集中作用更为明显，会加重围岩的破坏。

4 结论与讨论

本文基于实测地应力结果，利用修正后的Sheorey模型预测了隧道沿线的地应力状态。按照高地应力评价指标对应力状态进行评价，并且根据隧道围岩切向最大应力与岩石单轴抗压强度比的岩爆预测方法对隧道沿线可能发生的岩爆进行了预测，发现与已发生的岩爆一致性较好，证明了本文所阐述的工程区地应力和岩爆预测方法的可靠性和可行性。

区域应力资料和实测应力资料都表明，工程区最大主应力的优势方向为NEE向，与隧道轴线接近垂直，对隧道施工不利。实测地应力数据表明，钻孔及其周边区域属于高地应力区，最大水平主应力22.89～23.47 MPa，最小水平主应力 10.78 ～ 11.70 MPa。基于修正后的Sheorey模型的地应力预测结果表明，工程区地应力相对较高，其中DK225+803～DK228+018，埋深为400～700 m，最大水平主应力为16.48～32.98 MPa，最小水平主应力为 8.25 ～16.49 MPa，属于高地应力区域，占隧道总里程的45%。

利用隧道围岩切向最大应力与岩石单轴抗压强度比的岩爆预测结果表明，高地应力区有发生轻微至中等岩爆的可能性，尤其是埋深超过500 m的区域，发生中等程度岩爆的可能性非常大。

本研究重点考虑了高应力作用，这种考虑方便开展岩爆灾害预测，但是对全面认识岩爆问题会有所影响。后续研究中需充分利用多方面的资料进行全面的综合分析，只有这样才能得出更加符合实际的结论。

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