乌兹别克斯坦甘姆奇克隧道岩爆特点及其形成机制

邓　伟， 刘成禹， 李红军， 郭志武

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆　401123； 2. 福州大学， 福建 福州　350116；

3. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳　471009)



乌兹别克斯坦甘姆奇克隧道岩爆特点及其形成机制

邓伟1， 刘成禹2， 李红军3， 郭志武3

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆401123； 2. 福州大学， 福建 福州350116；

3. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳471009)

摘要：在总结乌兹别克斯坦安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆特点的基础上，结合隧道工程地质条件，对岩爆的发生机制进行分析。研究表明： 甘姆奇克隧道的岩爆主要是由于本隧道的花岗闪长岩和正长斑岩属脆性围岩及围岩内赋存很高的水平向构造残余应力引起的； 隧道在埋深仅40 m的条件下就发生岩爆，且岩爆发生在拱顶—拱腰段，主要是由于与隧道轴线接近垂直的水平向地应力为最大主应力的缘故；该隧道的岩爆按形成机制可分为完整岩体的薄片状弹射、近水平向层状岩体折断崩落、岩块崩出+周边围岩塌落和边墙板状岩体折断崩出4种模式。

关键词：隧道； 岩爆； 形成机制； 构造残余应力

0引言

岩爆是在硬脆岩体内，由于洞室埋深大或地壳运动使岩体中的应变能产生大量聚集，形成很高的初始应力，在施工过程中，聚集在岩体中的应变能突然释放，岩体发生猛烈的脆性失稳和弹射的现象[1-3]。岩爆直接威胁施工人员和设备的安全，影响施工进度，已成为世界性的地下工程难题之一[4]。

目前深部岩石工程越来越多，随着埋深的增大，岩体赋存的地质环境更为复杂，地应力更高，岩爆也更加突出和严重[5]。因此，对岩爆的控制技术进行深入研究具有重要的理论和现实意义。

国内外对岩爆的控制大多采用“掌握岩爆形成的条件及其发生的基本规律—采用适宜的、多种手段相结合的方法预测和预报岩爆—对可能发生岩爆的区段和部位卸压，减弱或解除岩爆—采取适宜的支护措施对岩爆重点区段进行支护”的技术路线[6-7]。

为判断地下洞室在何种情况下发生岩爆及其严重程度，国外学者提出了许多岩爆判据和分级标准，如： E.Hoek与Russense提出的根据洞室最大切向应力σθmax与岩石单轴抗压强度Rc的比值σθmax/Rc进行岩爆分级的方法；Turchaninov提出的根据洞室切向应力σθmax和轴向应力σL之和与岩石单轴抗压强度Rc的比值(σθmax+σL)/Rc进行判定的方法；Kidybinski提出的根据岩体的弹性应变能进行岩爆分级的方法等。此外，国内学者还针对具体的工程项目提出过相应的岩爆判据和分级方法，如： 谷明成等[8]提出的基于秦岭隧道的岩爆判据；徐林生等[9]提出的基于二郎山隧道的岩爆判据等。综观这些判据和分级标准，发现其并不统一，即使判据相同或相似，但标准并不相同。究其原因，主要是由于岩爆活动受多种因素的共同影响。上述学者提出的分级标准大多是针对某一具体工程而言的，考虑的只是诱发岩爆的一个或几个因素。不同的工程条件，影响因素存在差异，所以岩爆判据和分级标准也就存在差异。由于岩爆的发生是多种因素共同作用的结果，不同工程条件诱发岩爆的因素是不尽相同的；因此，直接套用前人提出的岩爆判据和分级标准，必然产生片面性和局限性。在岩爆预测方面，由于岩爆的复杂性，目前国内外尚无关于岩爆预测和预报公认的、成熟的理论和方法[10]。从国内外研究现状看，无论是岩爆的判据和分级标准，还是岩爆的预测方法和防治措施，目前都没有公认的、成熟的理论和方法，仍需进行深入地研究。在分析和总结前人研究成果的基础上，针对工程的具体特点，对施工期间发生的岩爆进行分析，掌握岩爆发生的条件及规律，进而采取针对性措施，仍是目前岩爆控制的主要途径[11-13]。

本文对乌兹别克斯坦安格连至琶布铁路甘姆奇克隧道岩爆的特点进行总结，在此基础上结合隧道的工程地质条件，对该隧道岩爆的发生机制和模式进行分析。

1工程概况

乌兹别克斯坦安革连(Angren)—琶布(Pop)铁路甘姆奇克隧道是安—琶铁路的控制性工程，有“中亚第一长隧”之称，由主隧道和安全隧道组成。隧道走向S64°E，主隧道为单线隧道，长19 200 m；安全隧道位于主隧道左侧，长19 268 m，作为运营期间隧道检修和人员疏散通道；两隧中心相距29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超过700 m的地段总长达7 km；全隧设3座无轨运输斜井(1#、2#、3#斜井)，斜井长度分别为1 532、3 500、1 845 m。

隧址区地质构造主要在海西造山运动时形成，其后受阿尔卑斯山造山运动进一步影响。受地质构造运动的影响，隧址区发育与隧道轴线基本平行或呈小角度相交的西北走向大断裂带。

隧道埋深超过700 m的地段长达7 km，最大埋深达1 275 m。大埋深地段围岩为石英斑岩、花岗斑岩及花岗正长岩等脆性岩层，发生岩爆的可能性极高。工程地质勘察表明，地应力最大主应力方向为水平方向。按照GB 50287—2006《水力发电工程地质勘察规范》[14]附录P.0.1的规定，围岩强度应力比

S=Rc/σmax。

(1)

式中：Rc为岩石饱和单轴抗压强度，MPa；σmax为最大主应力，MPa。

由于地应力的最大主应力方向为水平方向，依据隧址区工程地质条件，按完整考虑，取σmax=1.2γH[14](H为隧道最大埋深，m；γ为岩石的容重，kN/m3)。根据隧道各区段的埋深H和岩性及岩样的饱和单轴抗压强度Rc，计算各区段的围岩强度应力比S。计算结果表明： 隧道MK42+430～MK52+272，总长近10 km的区段围岩强度应力比S为2～7。按照TB 10012—2007《铁路工程地质勘察规范》[15]条文说明表4.3.2-7的评估基准，本隧道MK42+430～MK52+272硬岩段存在高地应力或极高地应力，开挖时发生岩爆的可能性很大。自2014年2月隧道进口出现岩爆开始，隧道各工作面相继发生不同程度的岩爆。岩爆已成为该隧道施工中的常态，对施工安全和进度造成了严重影响。

2岩爆特点

从岩爆出现开始，现场技术人员就对施工过程中发生的岩爆进行认真记录。以此为基础，对岩爆的特点进行总结。统计分析表明，甘姆奇克隧道的岩爆具有下列特征。

2.1岩爆出现部位

不同部位岩爆出现次数的统计表明： 95%以上的岩爆出现在拱顶—拱腰段，只有少量岩爆出现在隧道边墙。

2.2岩爆段岩性及岩体结构

甘姆奇克隧道岩爆段岩性及岩体结构具有以下特征。

1)岩爆段岩性为花岗闪长岩和正长斑岩，岩块单轴抗压强度Rc≥120 MPa，最大强度接近180 MPa，属典型的硬岩。

2)岩爆段地下水不发育。岩体结构有2种类型： ①岩体完整，结构面不发育。这种岩体结构，岩爆以片状岩块剥落、弹射为主。②岩体发育2组节理，节理密闭。其中一组与隧道纵向或横向接近平行，另一组接近水平。这种岩体结构，以板状岩体弯折爆出或块状岩石崩出为主。

2.3岩爆段隧道埋深

甘姆奇克隧道围岩为花岗闪长岩或正长斑岩。隧道纵向地形陡峻，在横向两侧均为连绵陡峭高山，裸露地表即为完整花岗闪长岩的隧道进口区段。埋深超过40 m后开始出现轻微岩爆；埋深超过80 m后开始出现中等岩爆；埋深超过115 m后开始出现强烈岩爆。岩爆总体呈现出随埋深增大出现频率增高，中等和强烈岩爆出现频次增多的特点。

1#斜井工区隧道主洞已施工段隧道埋深450～950 m，围岩为花岗闪长岩，施工过程中出现轻微-中等岩爆。图1和图2为1#斜井工区隧道主洞已施工段不同埋深下的岩爆次数和中等岩爆次数的直方图。

图1　1#斜井工区隧道主洞各埋深下的岩爆次数

Fig. 1Rockburst frequency in different cover depths of main tunnel in inclined shaft division No. 1

图2　1#斜井工区隧道主洞各埋深下中等岩爆次数

Fig. 2Medium rockburst frequency in different cover depths of main tunnel in inclined shaft division No. 1

从图1和图2可看出： 岩爆次数与隧道埋深并没有明显的相关性，但当埋深>750 m时，岩爆次数及中等岩爆的次数均随埋深增大而增多。

此外，岩爆还表现出间歇发生的特点。即，在埋深差异不大的地段，岩爆并非连续发生，往往这几个循环发生岩爆，接下来的几个循环不发生岩爆；这几个循环是强烈岩爆，接下来的几个循环则是中等岩爆或轻微岩爆。

目前，国内学者对由大埋深引起的岩爆的判别，大多采用侯发亮教授于1989年按弹性力学原理推导出的仅考虑上覆岩体自重时岩爆发生的最小埋深(即岩爆临界深度)[16]

Hcr=0.318Rc(1-μ)/γ(3-4μ)。

(2)

式中μ为岩石泊松比。

根据式(2)及岩爆段岩石的物理力学参数(Rc为120～180 MPa，μ=0.2，γ=26.6 kN/m3)计算出甘姆奇克隧道仅考虑上覆岩体自重时，可能发生岩爆的临界深度Hcr为522～782 m。这一深度比甘姆奇克隧道出现岩爆的最小埋深40 m大得多。这说明，促使甘姆奇克隧道岩爆发生的主因并非埋深。

2.4岩爆表现形式及主要特点

根据岩爆规模及其危害，将其分为轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆3种。3种岩爆的表现形式及主要特征如下。

1)轻微岩爆。轻微岩爆以围岩表层爆烈脱落，片状、薄片状岩块弹射为主。时间集中，声响密集、清脆。爆破后剥落、弹射最频繁，声响最大，出渣过程中逐渐减缓，找顶后间或有应力释放声响和薄片状岩块剥落、弹射，随后趋于稳定。

2)中等岩爆。中等岩爆以板状岩块弯折断裂、崩出、弹射为主。岩爆发生在更深处，爆落岩块以10～30 cm厚的板状岩石为主，掉块平面尺寸先大后小。

3)强烈岩爆。强烈岩爆以围岩块状崩出或大片爆裂脱落为主，岩块崩出后周边岩体随之大量垮落。爆落岩块厚度大多超过30 cm，爆坑深度超过1 m。

上述岩爆的出现时间、持续时间、岩爆点距掌子面距离、爆落岩块及爆坑大小等主要特征见表1。

3岩爆形成机制

通过对隧址区区域地质条件及岩爆发生特点的综合分析，可得出促使甘姆奇克隧道岩爆发生的主要因素。

3.1脆性围岩

甘姆奇克隧道岩爆段围岩岩性为花岗闪长岩和正长斑岩。岩块单轴抗压强度Rc≥120 MPa，最大强度接近180 MPa，属典型的硬岩。这2种岩石敲击时响声清脆，开挖后易发生脆性断裂和产生微裂隙，属典型的脆性岩石。在高地应力作用下可有效积聚弹性应变能。

3.2高水平向地应力

高地应力是促使脆性岩体发生岩爆的主要原因。因此，对甘姆奇克隧道的地应力方向进行分析，对揭示该隧道岩爆的形成机制及特点并采取针对性防治措施具有重要意义。由于没有该地区的地应力实测资料，所以只能根据区域地质资料及岩爆出现部位进行分析。

隧道所在区域的断裂带都是与隧道轴线基本平行或呈小角度相交的西北走向断裂带，隧址区的断层都是倾角大于70°的陡倾逆断层。按照构造地质学中断层的形成机制，逆断层的应力状态为： 最大主应力σ1和中间主应力σ2为水平方向，最小主应力σ3为竖直方向(中间主应力σ2与断层走向平行[17])。按此分析，隧址区构造应力的方向为：

1)水平方向为最大主应力σ1和中间主应力σ2的方向，竖直方向为最小主应力σ3的方向；

2)最大主应力σ1的方向与隧道轴线接近垂直，中间主应力σ2的方向与隧道轴线接近平行。

相关的研究表明，岩爆多出现在洞室周边与地应力最大主应力方向平行的部位[7-8，11]。甘姆奇克隧道95%以上的岩爆出现在拱顶—拱腰段，也说明地应力最大主应力的方向为近水平方向。

构造应力在大规模构造运动结束后仍然残留于岩体内部，成为地应力。设与上述构造应力σ1和σ3对应的地应力分别为p1和p3，如图3所示。由于σ1>σ3，相应地有p1>p3，即，水平向地应力比竖向的大。

表1　岩爆的主要特征

图3　隧道应力分析图

按照岩石力学的相关理论，在图3所示应力状态下，圆形隧道开挖后洞壁的径向应力σr和剪应力τ为0，只有切向应力σθ在断面上不同的部位有变化。洞壁上平行大主应力p1的拱顶(图3中A点)出现最大切向应力，平行小主应力p3的边墙(图3中B点)出现最小切向应力。拱顶和边墙的切向应力分别为拱顶σθ=3p1-p3，边墙σθ=3p3-p1[18]。

由于水平向地应力比竖向的大，在其作用下隧道开挖后拱顶的切向应力最大。这正是甘姆奇克隧道岩爆都发生在拱顶及其附近的主要原因。也正是由于水平向地应力比竖向的大，隧道开挖后洞壁的最大切向应力主要受水平向地应力的控制。所以，甘姆奇克隧道在埋深仅40 m的地段就发生了岩爆。

3.3岩爆形成机制

在上述地应力分析的基础上，结合隧道岩爆发生的实际情况，可得出甘姆奇克隧道岩爆的形成机制为： 受强烈地质作用的影响，甘姆奇克隧道围岩内赋存很高的水平向构造残余应力，在其作用下，脆性围岩花岗闪长岩和正长斑岩在隧道开挖前积聚了大量的弹性应变能，隧道开挖后应变能突然释放，完整岩体发生薄片状岩块弹射，板状岩体折断、崩落，岩块崩出等岩爆现象。

由于隧址区水平向地应力比竖向的大，受其影响，隧道开挖后拱顶的切向应力最大，且最大应力主要受水平向地应力的控制；所以，甘姆奇克隧道的岩爆基本上都发生在拱顶—拱腰段，并在埋深不大的条件下就发生了岩爆。

4岩爆模式及埋深的影响

4.1岩爆模式

甘姆奇克隧道的岩爆，按形成机制可分为以下4种模式。

1)完整岩体的薄片状弹射型。这种类型的岩爆发生于拱顶围岩较完整，水平向地应力很高的条件下。表现特征为拱顶或拱顶—拱腰段围岩表层岩块呈薄片状剥落、弹射，如图4所示。这种类型的岩爆以轻微-中等岩爆为主，危害性相对较小。

岩爆发生的力学机制类似于完整的脆性岩块在高水平向应力作用下的单轴压缩破坏。压缩破坏过程中，与受力方向平行的临空面岩块发生片状剥落、弹射。

图4　拱顶完整岩体薄片状弹射型岩爆

2)近水平向层状岩体折断崩落型。这种类型的岩爆发生于拱顶有接近水平的薄层状岩层，水平向地应力很高的条件下。表现特征为拱顶或拱顶—拱腰段薄层岩层折断、崩落、弹射，崩落、弹射岩块呈板块，先期尺寸较大，随后逐渐减小，如图5所示。这种岩爆以中等岩爆为主。

图5　拱顶层状岩层折断崩落型岩爆

Fig. 5Rockburst mode of bedded rock breakdown on tunnel crown

岩爆发生的力学机制为层状薄板的脆性断裂失稳。如图6所示，拱顶水平层状岩层在隧道开挖后部分临空(宽l)。该层岩层的受力可简化为厚度为t、无支承段长度为l的层状薄板受水平向地应力p的作用。当层状薄板厚度较小，水平向地应力p较大的情况下，无支承段会发生折断、崩落、弹射。

图6　拱顶层状岩层折断的力学机制

该型岩爆是否发生主要受层状岩层强度、厚度、水平向地应力的大小以及无支承段长度控制。

3)岩块崩出+周边围岩塌落型。这种类型的岩爆发生于围岩发育1组与隧道轴线接近平行或垂直的陡倾构造节理、1组近水平向节理，近水平向地应力很高的条件下。表现特征为拱顶或拱顶—拱腰段个别岩块先崩出，随后崩出岩块周边岩体塌落。岩爆(岩块崩出)+周边围岩塌落的组合如图7所示。这种类型的岩爆大多为中等-强烈岩爆，危害大，塌落物多。

岩爆发生的力学机制为受结构面切割的岩块组合体在高水平向挤压应力的作用下崩出。该型岩爆是否发生主要受结构面产状、间距以及水平向地应力的大小控制。

图7　拱顶岩块崩出型岩爆

4)边墙板状岩体折断崩出型。这种类型的岩爆主要出现在边墙，发生于围岩受一组走向与隧道轴线接近平行的陡倾节理切割成薄板，埋深较大的条件下。表现形式为隧道开挖后，竖层状岩体从边墙中部及其附近突然折断、崩出、弹射，如图8所示。这种类型的岩爆虽然出现不多，但大多为强烈岩爆，危害性很大。

图8　边墙竖向板状岩体折断崩出型岩爆

Fig. 8Rockburst mode of vertical platy rock breakdown in side wall

岩爆发生的力学机制为竖向层状薄板的脆性断裂失稳，类似于大长细比的压杆失稳。如图9所示，边墙近似为直立的厚度为Δ、高度为H的层状岩层，在隧道开挖后，如果层厚Δ较小、竖向应力T较大则发生折断、崩落、弹射。

该型岩爆是否发生主要受近直立的层状岩层的厚度Δ、高度H和埋深控制。高度越高，厚度越小，埋深越大，越容易出现岩爆。

图9　边墙直立层状岩层折断的力学机制

4.2埋深对岩爆的影响

埋深对岩爆的影响主要体现在下列3方面。

1)埋深越大，隧道开挖后竖向卸荷回弹越大，拱顶近水平向节理和隐性裂纹越易张开。此外，埋深越大，围岩开挖前所受竖向应力越大，在岩性及水平向应力相同的条件下，聚集的弹性应变能越大，本文4.1所述的第1)—3)种类型的岩爆越易发生。

2)埋深越大，竖向应力越高，图9中直立层状岩层所受竖向应力越大，在岩性、岩层厚度Δ和高度H相同的条件下，直立层状岩层越易折断、崩出。本文4.1所述的第4)种类型的岩爆越易发生。

3)在岩性及水平向地应力相同的条件下，埋深越大，自重应力越大，岩体储存的弹性应变能越高，隧道开挖后应变能突然释放越多，岩爆越强。

正是受上述埋深的影响，甘姆奇克隧道总体表现出岩爆随埋深增大出现频率增高，中等和强烈岩爆出现频次增多的特点。

5结论与讨论

1) 甘姆奇克隧道的岩爆主要是由于本隧道的花岗闪长岩和正长斑岩属脆性围岩，在高地应力作用下可有效积聚弹性应变能以及围岩内赋存很高的水平向构造残余应力引起的。

2) 甘姆奇克隧道在埋深仅达40 m的条件下就发生岩爆，且岩爆发生在拱顶—拱腰段主要是因为与隧道轴线接近垂直的水平向地应力为最大主应力的缘故。

3) 甘姆奇克隧道的岩爆按其形成机制可分为完整岩体的薄片状弹射、近水平向层状岩体折断崩落、岩块崩出+周边围岩塌落以及边墙板状岩体折断崩出4种模式。

4) 本文基于乌兹别克斯坦安革连—琶布铁路甘姆奇克隧道岩爆的工程实践，结合岩爆的国内外研究成果对该隧道的岩爆特点、形成机制及岩爆类型等进行了研究。研究成果除对本隧道的建设有一定的指导意义外，还对岩爆这一岩石力学世界性难题的深入研究提供了工程实践资料。由于岩爆的复杂性，本文对岩爆机制方面的研究尚不够深入，今后仍需结合工程实践进行深入研究。

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Mechanism of Rockburst of Qamchiq Tunnel in Uzbekistan

DENG Wei1, LIU Chengyu2, LI Hongjun3, GUO Zhiwu3

(1.TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.FuzhouUniversity,Fuzhou350116,Fujian,China;3.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:The rockburst mechanism of Qamchiq tunnel on Angren to Pop railway in Uzbekistan is analyzed on the basis of rockburst laws and the geological conditions of the tunnel. The study results show: 1) The surrounding rocks (granodiorite and syenite porphyry) and horizontal residual tectonic stress in the surrounding rocks are the main causes for the rockburst of Qamchiq tunnel. 2) The rockburst occurs to the tunnel beneath the cover depth of 40 m. 3) The rockburst occurs to the crown-hance is mainly related to the maximum principal stress (horizontal ground stress). 4) The rockburst mode of the tunnel can be divided into 4 types， i.e. fiaky rock ejection, breakdown of nearly horizontal bedded rock, rock breakout+rock collapse and platy rock breakdown in side wall.

Keywords:tunnel; rockburst; forming mechanism; residual tectonic stress

中图分类号：U 45

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)03-0275-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.005

作者简介：第一 邓伟(1981—)，男，四川三台人，2004年毕业于兰州铁道学院，给水排水工程专业，本科，工程师，从事隧道与地下工程的技术和生产管理工作。E-mail: 353195338@qq.com。

基金项目：中铁隧道集团科技创新计划重大课题(隧研合2014-23)

收稿日期：2015-06-23; 修回日期： 2015-08-08