高原地区高地应力隧道岩爆预判方法

王永福

(中铁二十一局集团有限公司，陕西 咸阳 712000)

高原地区高地应力隧道岩爆预判方法

王永福

(中铁二十一局集团有限公司，陕西 咸阳 712000)

盆因拉隧道是新建拉萨至日喀则铁路的关键性控制工程，在盆因拉隧道的施工时岩爆频发。对隧道岩爆地质段的岩性进行了现场测试及室内试验，依据试验结果，分别采用岩石弹性应变指数、最大储存弹性应变指标、强度脆性系数等指标对岩爆倾向进行了预测，可对工程施工予以指导。

高原 深埋长大隧道 地应力 动力失稳 岩爆预判

由中铁二十一局承建的拉萨至日喀则铁路TJ5标盆因拉隧道全长10 410 m，最大埋深1 080 m。该隧道洞身岩体存在较大的构造应力，处于高地应力区，被列为重大危险源。由于岩爆发生时间、位置具有不确定性，如何有效地预判岩爆成为盆因拉隧道快速、安全施工的关键。中铁二十一局拉日铁路指挥部进行了高原地区高地应力隧道岩爆地段施工技术攻关，使整个施工过程均处于受控状态，并提高了岩爆区域隧道的施工作业效率。

1 工程地质条件

1.1 工程地质特征

根据地质调绘研究，盆因拉隧道及斜井通过区出露的地层为燕山期闪长岩，局部地表覆盖0～3 m的粗、细角砾土。其中燕山期闪长岩以青灰色、浅灰色为主，中粗粒结构，块状或碎块状构造。其矿物主要成分为角闪石、石英、长石、黑云母等，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。强风化层厚1～5 m，Ⅳ级软石，Ⅳ ～Ⅴ级围岩，σ0=500 kPa。弱风化层，Ⅵ级坚石，Ⅱ～Ⅲ级围岩为主，局部为Ⅳ级围岩，σ0=800 kPa。

1.2 工程地质构造

线路走行于冈底斯 念青唐古拉板块(南缘)、喜马拉雅板块(北缘)和两者之间的雅鲁藏布江缝合带，呈近东西向展布。印度板块在新生代早期(渐新世—中新世)完成了雅鲁藏布江缝合带的拼合后，仍在向北运动，使得本区仍存在整体抬升、斜掀和差异性的上升运动，因此所在地区新构造运动较活跃。

1.3 区域地应力特征

盆因拉隧道位于雅鲁藏布江峡谷区，地应力有明显的重分布现象，从谷坡至山体内部，可分为应力释放带、应力集中带、应力稳定带。该隧道在雅江河谷呈近东西向展布。由于线路走向与区内主要构造线近于平行，最大主应力、斜坡应力集中带，傍山偏压，深埋等特点对隧道工程的设置及围岩的稳定不利。

2 地应力测试及分析

2.1 钻孔围岩应力状态

采用水压致裂法进行地应力测试时，对岩体作了下列假定:围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体;围岩为多孔介质，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动。另外，当钻孔为铅直方向时(如本次测试孔)，假定铅直向应力(主应力之一)大小等于上覆岩层的自重压力，则水压致裂法地应力测试的力学原理可以简化为弹性平面问题［1-2］。

2.2 测试步骤

在进行水压致裂测试之前，必须对钻孔进行检查，包括岩芯获得率RQD、透水率ω、钻孔倾斜度等。然后根据工程的需要选择合适的压裂段。同时在现场对压力传感器进行标定，对每根加压钻杆进行密封检验。水压致裂法测试步骤如下:

1)坐封。通过钻杆将2个可膨胀的橡胶封隔器放置到选定的压裂段加压使其膨胀、坐封于孔壁上，形成承压段空间。

2)注水加压。通过钻杆推动转换阀后，液压泵对压裂段注水加压(此时封隔器压力保持不变)，钻孔孔壁承受逐渐增强的液压作用。

3)岩壁破裂。在足够大的液压作用下，孔壁沿阻力最小的方向出现破裂，该破裂将在垂直于截面上最小主应力平面内延伸。当泵压上升到临界破裂压力后，由于岩石破裂导致压力值急剧下降。

4)关泵。关闭压力泵，随着压裂液渗入到岩层，泵压缓慢下降。当压力降到使裂缝处于临界闭合状态时的压力，称为瞬时关闭压力。

5)卸压。打开压力阀卸压，使裂缝完全闭合，泵压记录为0。

6)重张。按以上2～5步骤连续进行多次加压循环，以便取得合理的压裂参数，以判断岩石破裂和裂缝延伸的过程。

7)解封。压裂完毕后，通过钻杆拉动转换阀，使封隔器内液体通过钻杆排除，此时封隔器收缩恢复原状，即封隔器解封。

8)破裂缝方向记录。采用定向印模器，通过扩张印模筒外层的生橡胶和能自动定向的定向器记录破裂缝的长度和方向。

2.3 测试结果及分析

地应力测试工作在盆因拉隧道2#横洞的地应力钻孔内进行，采用水压致裂法。测试部位布置于钻孔岩芯较完整部位。现场测试在2012年10月完成，共成功获得3个测段压裂资料、1个测段印模资料。

地应力钻孔布置在盆因拉隧道2#横洞 H5+50处，孔深30 m，测试时水位在孔口。孔内岩芯为闪长岩，全孔岩芯整体较完整，局部略破碎。钻孔部位山顶高程约4 340 m，孔口高程约3 790 m，测孔部位埋深约550 m。实测结果如表1。

表1 盆因拉隧道2#横洞水压致裂法地应力测试结果

由表1可知，已取得的3个测点可以代表该处岩体应力状态。最大水平主应力为24.7～27.4 MPa，平均为25.6 MPa;最小水平主应力为14.6～15.4 MPa，平均为14.9 MPa;铅直应力σz平均为15.5 MPa。

根据地应力测试结果和隧道设计资料分析，盆因拉隧道该处埋深为530 m，附近的最大应力分布特征一般以 σH≥σz＞σh为主，部分为 σz≥σH＞ σh，σH与σz值相差＞15 MPa，因此判断该隧道埋深超过530 m以上的岩体均处于高地应力状态［3-4］。

3 岩石物理力学性能测定

3.1 岩芯制备

本次试验全部岩样用HQM-1型岩芯切磨机加工成标准长度的圆柱体，两端切磨平整且与圆柱体轴线垂直，两端面的不平行度＜0.015 mm。使用 SG-3型恒温箱，采用90℃以下温度烘24 h，然后将样品取出放入干燥皿(底部放有吸湿硅胶)中自然冷却。将烘干岩芯沿长轴方向0°和90°的2个位置，用精度为0.01 mm的游标卡尺测量岩芯长度，取其平均值作为岩芯的有效长度。在岩芯周向上，用同样的方法和仪器测量其直径，取其平均值作为岩芯的有效直径。

3.2 岩石单轴压缩试验

单轴抗压试验按照规范分别对盆因拉隧道2#横洞、正洞DK138+020，DK138+300处岩样进行了干燥和饱和条件下的测试，测试数据有弹性模量、泊松比、纵横波波速、应力值等，结果见表2。

3.3 单轴循环加卸载试验

本次岩石单轴循环加卸载试验通过轴向压力控制，试验加卸载速率3 kN/m，加载到单轴抗压强度80%左右的时候卸载，试验结果见表3。

4 岩爆倾向性分析

4.1 岩石弹性应变能指数

岩石试样弹性应变能计算如图1所示。从理论上讲，在试验中应从岩石的峰值强度点开始卸载，以求算弹性应变能指数 Wet，但由于试验时难以控制到峰值点，所以岩石单轴循环加卸载试验根据单轴抗压强度确定卸载荷载。一般先将样品加载到单轴抗压强度的70% ～90%，然后再卸载到单轴抗压强度的5%，根据加卸载曲线计算卸载时释放的弹性变形能量与耗散的能量之比，计算弹性应变能指数。

根据岩石单轴压缩试验加卸载曲线可以得到Wet

表2 拉日铁路盆因拉隧道单轴试验测试

表3 岩石单轴循环加卸载试验结果

图1 岩石试样弹性应变能计算示意

计算公式如下

式中:Ee为峰值荷载前的弹性变形储能(变形后储存的最大弹性应变能);Ep为由塑性变形和内部微破裂而消耗的能量(损耗的应变能);f(ε)，f1(ε)分别为加载、卸载曲线;εt，εe，εp分别为总应变、弹性应变和塑性应变。

国内外现场试验与研究结果表明，Wet值越大，岩石破坏的强度越大，释放的能量也就越多，因此可以很好地反映岩爆的可能性及烈度。用Wet判别岩石岩爆倾向性的标准为:Wet≥5.0，强烈岩爆倾向;3.5≤Wet＜5.0，中等岩爆倾向;2.0≤Wet＜3.5，弱岩爆倾向;Wet＜2.0，无岩爆倾向［5-6］。

本次岩石单轴循环加卸载试验通过轴向压力控制，试验加卸载速率3 kN/m，加载到单轴抗压强度80%左右的时候卸载。试验结果如表4，从中可以看到，岩体在压缩过程中储存的能量主要为弹性能 Ee，卸载后储存在岩石中的应变能仍然较高。由表4可以得出盆因拉隧道2#横洞及正洞有中等—强烈岩爆倾向。

表4 岩石弹性应变能计算结果

4.2 最大储存弹性应变能指标

岩石储存的最大弹性应变能Es可由岩石单轴抗压强度Rb与岩石的弹性模量E计算，公式为

按最大储存弹性应变能指标Es判别岩爆倾向性强烈程度的标准如下［7］:Es＜0.20 MJ/m3，无岩爆倾向;0.20≤Es＜0.50 MJ/m3，微弱岩爆倾向;0.50≤Es＜0.75 MJ/m3，中等岩爆倾向;Es≥0.75 MJ/m3，强烈岩爆倾向。试验结果如表5所示。

表5 岩石试样最大储存弹性应变能计算结果

4.3 强度脆性系数法

岩石的单轴抗压强度Rb与抗拉强度Rt之比称为强度脆性系数B，它反映了岩石的脆性程度。计算公式为

国内外已有研究表明［7-8］:B≥40.0，无岩爆倾向;26.7≤B ＜40.0，弱岩爆倾向;14.5≤B ＜26.7，中等岩爆倾向;B＜14.5，强烈岩爆倾向。

根据试验测得的结果，依据岩石脆性指标，进行盆因拉隧道2#横洞和正洞的岩石脆性系数B的计算，结果见表6。由表6可知，无论干燥还是饱和状态下，盆因拉隧道2#横洞和正洞均有强烈岩爆倾向。

表6 岩石试样强度脆性系数B计算结果

4.4 变形脆性系数法

岩石的峰值强度前的总变形与峰值强度前的永久变形或塑性变形之比称为变形脆性系数，变形脆性系数Ku的计算公式为

式中:U为岩石峰值强度前的总变形;U1为岩石峰值强度前的永久变形或塑性变形。

国内外已有研究表明［7-10］:Ku≤2.0，无岩爆倾向;2.0≤Ku＜6.0，弱岩爆倾向;6.0≤Ku＜9.0，中等岩爆倾向;Ku≥9.0，强烈岩爆倾向。

试验时，一般先将样品加载到单轴抗压强度的70% ～90%，然后再卸载到单轴抗压强度的5%，根据试验测得的岩石峰值强度前的总变形与峰值强度前的永久变形或塑性变形。对盆因拉隧道2#横洞和正洞的岩石变形脆性系数Ku进行计算，计算结果见表7。

表7 岩石试样变形脆性系数Ku计算结果

5 岩爆预判

Barton将岩石的单轴抗压强度Rb与最大地应力σH的比值作为预测岩爆的判据，并认为 Rb/σH≥5时无岩爆发生2.5≤Rb/σH＜5.0时有轻微—中等岩爆发生，Rb/σH＜2.5时有严重岩爆发生。

采用Barton判据对隧道围岩岩爆进行预测，预测结果表明:盆因拉隧道将发生轻微～中等岩爆。预测结果如表 8 所示［11］。

表8 Barton判据(Rb/σH)预测结果

6 结论

针对拉日铁路盆因拉隧道的地质特征，在施工中对可能出现岩爆的地段提前预判，采用理论与现场实测相结合的手段，判定掌子面前方一定范围内岩爆发生的可能性。主要结论如下:

1)根据现场孔内水压致裂试验，最大主压应力实测值(埋深为550 m)为24.7～27.4 MPa。

2)盆因拉隧道围岩以花岗岩、闪长岩为主，岩石存在不同程度蚀变，岩石为硬脆性。

3)根据岩石的弹性应变能指数进行岩爆的倾向性分析，岩石存在中等～强烈岩爆倾向;依据最大储存弹性应变能判断，岩石有微弱岩爆倾向;依据岩石强度脆性系数判断，岩石有强烈岩爆倾向;根据岩石变形脆性系数Ku判断，岩石有中～强烈岩爆倾向。Barton判据预测结果与倾向性分析结果一致，为现场采取防护措施提供了依据。

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Prognosis method of rockburst in tunnel with high geostress in plateau areas

WANG Yongfu

(China Railway 21th Bureau Group Corporation，Xianyang Shaanxi 712000，China)

The PenYinLa Tunnel is a key project of the new Lhasa-Shigatse Railway．The Rockburst occurred frequently during the construction．The lithology analysis was conducted with a field test and a lab test．Based on the test results，three parameters were used to predict the rockburst:the index of rock elastic strain，the index of the maximum storage of elastic strain and the brittleness coefficient．This prediction can be applied to the engineering construction．

Plateau;Deeply-buried long tunnel;Crustal stress;Dynamic instability;Rockburst prediction

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．06

1003-1995(2014)10-0022-05

2014-06-15;

2014-08-20

王永福(1986— )，男，河南洛阳人，助理工程师。

(责任审编 李付军)