隧洞岩爆风险评估应用研究

完颜亚飞

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

隧洞岩爆风险评估应用研究

完颜亚飞

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

结合岩爆发生的条件及影响因素，从岩性、地质构造、隧洞埋深等方面，对岩爆发生的风险程度进行了综合评估，并在准确的风险评估基础上，采取合理的施工措施有效防治岩爆的发生，进而保障施工人员生命安全，减少设备财产损失。

隧洞埋深，岩爆，地应力，地质构造

0 引言

隧洞开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，岩爆是地下工程中危害最大的一种地质灾害，直接威胁着地下施工人员的生命安全，影响施工进度。目前岩爆的研究也不太多，有许多问题还处在探索阶段。本文参考国内外相关文献、规范资料，结合岩爆产生的条件、影响因素，从方便工程实际应用角度考虑，对岩爆风险评估予以分析研究。

1 岩性分析评估

岩性条件是岩爆可能发生的内在条件，坚硬、完整的岩体储存应变能的能力高，发生岩爆的倾向性也高，通常发生岩爆的岩体为风化较浅的高弹性储能的硬脆性岩体，岩石的脆性越大，岩爆的倾向性越高。可能发生岩爆的常见岩石见表1。

表1 可能发生岩爆的常见岩石

2 地质构造评估

实践表明，岩爆大都发生在褶皱构造中。如我国南盘江天生桥电站引水隧洞，岩爆发生在背斜地段，唐山煤矿2151掌子面岩爆发生在向斜轴部。

岩爆与断层、节理发育也有密切的关系。调查表明，当掌子面与断裂或节理走向平行时，将触发岩爆。岩体中节理密度和张开度对岩爆也有明显的影响。掌子面岩体中大量岩脉穿插时，也易发生岩爆。

3 RQD值评估

众所周知，RQD是一种简单方便的评估岩体断裂等级的方式，所以这个数值高就意味着断裂较少，数值低就说明断裂严重。根据这个想法，可以确定岩爆风险随着RQD增加而增加，也就是说直接成比例。此风险在表2中量化。

表2 岩爆评估表

表2不是预测和评估岩爆风险的准则。但是，对于确认和排除岩爆风险，或者排除其他基于弹性能量或者应力状态的标准标明危险的区域。

4 隧洞埋深评估

大量资料表明，随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大，其中根据GB 50287—2006水力发电工程地质勘察规范，临界埋深可根据下式计算：

Hcr=0.318Rb(1-μ)/(3-4μ)γ。

其中，Hcr为临界埋深，即发生岩爆的最小埋深，m；Rb为岩石饱和单轴抗压强度,MPa;μ为泊松比；γ为岩石重力密度,10 kN/m3。

5 应力条件评估

5.1 GB 50287—2006水力发电工程地质勘察规范

高地应力使岩体聚集较高的应变能，在相关条件充分时，将导致岩爆的发生。GB 50287—2006水力发电工程地质勘察规范结合岩石强度应力比，对岩爆烈度进行了规定判别分级，适用于完整～较完整的中硬、坚硬岩体，且无地下水活动的地段，具体见表3。

表3 岩爆判别分级表

表3中Rb为岩石饱和单轴抗压强度,MPa；σm为最大主应力,MPa。若无实测地应力成果，可根据规范利用理论计算和经验对初始地应力场做出评估。

5.2 GB 50218—94工程岩体分级标准

标准指出，工程实践证实，高初始应力区在地下工程掘进过程中多有岩爆或岩芯饼化发生。一定的初始应力值对不同岩性的岩体，影响其稳定性的程度是不一样的。为此，用岩石单轴饱和抗压强度(Rc)与最大主应力(σ1)的比值，作为评价岩爆和岩芯饼化发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性影响的指标。实测资料表明一般当Rc/σ1=3～6时就会发生岩爆和岩芯饼化，小于3可能发生严重岩爆。实际上，洞室周边应力集中系数最小为2，这样高的初始应力值(σ1)引起洞周边应力集中，从而使得部分洞壁岩体接近或超过强度极限。

5.3 演化的Hoek岩爆判别法

王兰生(1998)等根据川藏公路二郎山隧道施工中记录的200多次岩爆资料，提出了改进的Hoek岩爆判别法，计算了Ts值，公式如下：

其中，σθ为周围岩石的剪切应力；σc为岩石无侧限抗压强度。

Hoek在此标准第一方程(1980)中已经指出，可以考虑由上方岩体重量造成的应力获得σθ值，公式如下：

σθ=γ×Z。

其中，γ为岩石容重；Z为埋深。进而以Ts为基础量化进行岩爆风险评估，具体评估分级见表4。

表4 岩爆风险评估表

6 水文地质条件影响

岩爆的发生与围岩的水文地质条件也有关，相同的岩性及构造的围岩，干燥的围岩比裂隙水发育的围岩更容易发生岩爆。分析认为基岩裂隙水使岩石的地应力较易释放，其储存与释放能量的能力比围岩处于干燥环境下低。

7 施工影响

高地应力地区隧洞施工过程中，如果开挖方法不当，会恶化围岩的物理力学性能和应力条件，从而诱发或加剧岩爆的发生。根据国内外隧洞岩爆防治的经验，高地应力地区采用钻爆法施工时，应控制光面爆破效果，保证洞室轮廓圆顺，避免造成局部应力集中；应尽可能全断面开挖，短进尺多循环，必要时采用超前钻孔应力解除法；应向掌子面进行喷水或打孔注水以软化岩石、弱化应力集中；应及时进行喷锚支护等。

8 结语

隧洞岩爆的发生是多种因素共同作用的结果，高地应力是岩爆发生的能量来源，高地应力的主要影响因素为隧洞埋深、构造运动、地形地貌、地壳剥蚀程度等。岩爆发生的风险程度应进行综合评估，在准确的风险评估基础上，采取合理的施工措施将有效防治岩爆的发生，进而保障施工人员生命安全，减少设备财产损失。

[1] 刘佑荣.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社,1999.

[2] GB 50287—2006,水力发电工程地质勘察规范[S].

[3] GB 50218—94,工程岩体分级标准[S].

[4] 王兰生.二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级[J].公路,1998(4)：22-26.

On application of risk assessment for rockburst in tunnels

Wanyan Yafei

(KunmingEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Kunming650033,China)

Combining with the influential factors and conditions for the rockburst, the paper has the comprehensive evaluation for the risks of the rockburst from the lithology, geological components, and tunnel burial depth, and adopts the reasonable construction to prevent the rockburst effectively based on the correct risk assessment, so as to ensure the life safety of the construction personnel and reduce the losses in the equipment property.

tunnel burial depth, rockburst, crustal stress, geological component

1009-6825(2017)22-0080-02

2017-05-23

完颜亚飞(1984- )，男，工程师

P694

A