中条山深埋隧洞地应力及岩爆防治措施

2013-10-20韩锐敏

山西水利 2013年11期

韩锐敏

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

1 工程概况及地质条件

中条山引水隧洞横跨中条山中南段，隧洞长约48 km，洞经约5 m，设计为无压自流隧洞，洞底高程485 m左右。

工程区东部与中部在大地构造上处于豫皖断块之中条山块隆。干线隧洞横跨近东西向的中条山山埋，沿线地面高程500～1 500 m，为剥蚀构造高中山区，山顶高程1 300～1 500 m，为本区南、北向的地形分水岭。其中桩号35+200—39+000段地面高程在1 220～1 330 m，隧洞埋深 770～840 m，为整个洞线埋深最大段。

该段隧洞桩号33+000—37+000段主要经过涑水群卫家岭组（Asw）混合岩化黑云斜长片麻岩夹多层斜长角闪岩、磁铁石英岩、大理岩，岩性较硬，多属坚硬岩。岩层及片麻理产状为 N6°～35°WNE∠40°～56°。桩号37+000—47+150段隧洞主要经过涑水群小岭组（Asx）黑云斜长片麻岩、浅粒岩、混合花岗岩、斜长角闪岩夹白云片岩、磁铁石英岩等，岩性较硬，多属坚硬岩。岩层及片麻理产状为 N10°～30°WNE∠33°～37°。本段岩性复杂，经历过强烈的区域变质及混合岩化作用，岩层、片麻理走向与洞轴线夹角25°～30°。在桩号33+900—33+950段发育F23正断层，延伸长度约1.3 km，地表可见断层破碎带宽2～5 m，断层产状N10°～35°E/SE∠72°。与洞线夹角约 60°～85°。

据地表地质测绘，该段至少有3条后期角闪石岩类侵入岩（φ22）、辉绿（长）岩（βμ22）等倾入岩脉、岩墙，其中桩号39+780—40+120段孙峪村处2号角闪石侵入岩，岩墙长2.5～7 km，出露宽度一般150～200 m，走向NEE，与洞线夹角约55°。

本段隧洞围岩以黑云斜长片麻岩、黑云斜长角闪岩夹黑云母片麻岩为主饱和单轴强度一般在70 MPa左右。中下部孔内岩石质量指标RQD值为0～100%，平均值为76%，岩体质量较好。据孔内声波测试中下部岩体纵波速Vp值为2 857～5 263 m/s，平均值为4 248 m/s，岩体完整性系数Kv为0.64，岩体较完整。隧洞位于地下水位以下30～500 m，地下水主要赋存于隧洞段表层风化带，地下水类型主要为变质岩类裂隙水，下部微风化及新鲜基岩为相对隔水层。隧洞围岩主要位于新鲜岩层内，透水性总体较弱。围岩类别总体为Ⅲ类。

本区从太古代直至中生代的构造形迹，共同构成了垣曲—三门新华夏系褶断带。从构造形迹来看，其轴向均平行于中条山主脉的衍射方向，燕山运动以来主要受中条山隆起侧向挤压影响。总体上本区晚新生代以来中条山块隆强烈抬升，构造活动强烈，地应力高度集中。

2 隧洞围岩地应力与岩爆

岩爆是在一定的地应力环境中发生的，高地应力易产生强岩爆，而高地应力的形成关键是要有较高的初始地应力及开挖产生的应力重分布。影响地下洞室岩体初始地应力的最大因素是区域性构造应力。若工程区位于以构造应力为主的强烈上升区（产生岩爆物临界深度）或洞室埋深大于500 m以上的以自重应力为主的地区，或洞室地处高山峡谷区、属边坡应力集中的傍山洞室，并具备围岩岩质硬脆、完整性（较）好、无地下水等基本条件，则可能产生岩爆。

目前对可能产生岩爆的高应力和极高应力的界定尚无统一标准，常用的判定标准如下：

以初始地应力值划分，一般认为最大主应力值达到20～30 MPa时即可认为岩体处于高地应力状态。

以岩石单轴抗压强度（Rb）与最大主应力σm的比值判别：当4

本工程通过钻孔水压致裂法进行了隧洞围岩地应力测试，本区段最大水平主应力（SH）值为13.54～20.05 MPa，最小水平主应力（Sh）值为 7.00～9.52 MPa。估算出的各测段的垂直应力（Sv）值为4.29～9.91 MPa。测试结果显示，工程区范围内以构造应力为主，其中SH>Sh>Sv。最大主应力方向为 N27°～32°E。与洞轴线夹角 85°左右。

根据孔内实测值进行线性回归计算，得出最大、最小主应力线性回归关系表达式为：SH=（h+239.5）/39，Sh=（h-98.8）/37.26。根据线性回归关系表达式推算不同隧洞埋深段的地应力值及岩爆判别结果见表1。

由计算判别结果可知，桩号33+00—42+500段洞顶围岩厚度在330～840 m，推算该段隧洞岩体处于极高应力状态，可能产生中等岩爆。桩号42+500—47+150段洞顶围岩厚度在140～330 m，推算该段隧洞岩体处于高应力状态，可能产生轻微岩爆。其中桩号36+500—40+100段隧洞埋深在500～840 m，推算最大水平主应力SH值大于20 MPa，特别是在桩号35+200—39+000段隧洞埋深770～840 m，推算最大水平主应力SH值为25.37～27.68 MPa，隧洞围岩有较强的应力集中现象，且最大主应力与洞轴线夹角约85°，岩爆发生的可能性较大。设计施工时应注意对本段隧洞围岩岩爆防治。