基于地应力和岩体强度的岩爆预判

2018-10-31徐俊帅徐金明涂齐亮

中国地质灾害与防治学报 2018年5期

徐俊帅，徐金明, 2，涂齐亮

(1.上海大学土木工程系，上海 200444；2.上海大学文化遗产保护基础科学研究院，上海 200444；3.中铁十七局集团有限公司，山西太原 030006)

岩爆是高地应力条件下储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放且产生爆裂脱落、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种地质灾害。岩爆预判工作，是高地应力区进行隧道工程设计和施工的重要基础。

目前，实际工程通常以岩石单轴抗压强度为基础来预判岩爆，并且取得了很多成果。BARTON等[1]以岩石强度与地应力的比值作为岩爆等级的判别指标；陶振宇[2]提出了基于岩石单轴抗压强度和最大地应力之比的岩爆判据；RUSSENES[3]以隧洞最大切向应力与岩石单轴抗压强度之比作为岩爆等级的判别基础；谷明成等[4]提出了岩爆发生的综合判据；张镜剑等[5]移除了陶振宇和谷明成判据中的不合理部分，提出了修改的谷明成-陶振宇岩爆判据；蔡美峰等[6]采用多种岩爆判断准则分析了玲珑金矿发生岩爆的可能性；吕庆等[7]结合不同岩爆判别准则对苍岭隧道进行了岩爆预判；蔡美峰等[8]采用多种准则与数值模拟对三山岛金矿进行了岩爆预判；康勇等[9]采用多种岩爆判据和有限元数值模拟对笔架山隧道进行了岩爆判定；刘军强等[10]采用Russenes判据和Turchaninov判据对西周岭隧道进行了岩爆综合预判；徐士良等[11]结合陶振宇判据对秦岭公路隧道2号竖井进行岩爆预判；王庆武等[12]利用修改后的谷明成-陶振宇判据进行了隧道岩爆的预判；吴德兴等[13]认为，Russenes判据比较符合隧道岩爆的实际情况。

但是，岩爆的发生，不仅取决于岩石强度，与岩体结构和岩体强度更是密切相关。目前，根据岩体结构计算岩体强度的Hoek-Brown强度准则，得到了广泛认可。HOEK等[14]给出了岩体类型、岩体质量指标和岩体强度的非线性经验关系；HOEK等[15]通过岩石三轴试验资料和岩体试验成果的统计分析，得到了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系式；HOEK等[16]提出了广义 Hoek-Brown 强度准则；EBERHARDT[17]认为，Hoek-Brown 强度准则对于大多数岩体都可使用、是直接估算岩体性质的一种方法；刘宁等[18]认为，地质强度指数(Geological Strength Index, GSI)对岩爆形成具有比较明显的影响；朱合华等[19]总结了Hoek-Brown 强度准则的工程应用成果。

以岩石强度-最大地应力之比为基础进行岩爆预判，结果与实际情况往往存在一定差别；而实际岩爆不仅取决于地应力状态和岩石强度，与岩体结构、施工扰动情况也密切相关。本次研究中，地应力状态使用空心包体应力解除法测定，岩石强度采用室内单轴抗压强度试验获得，岩体结构根据实际情况、采用GSI来表征，岩体强度使用广义Hoek-Brown强度准则进行计算，根据实际施工情况和岩爆情况研究基于地应力和岩体强度的岩爆预判准则，这对隧道工程施工和岩爆防治措施确定都具有重要的参考价值。

1 地应力的测定

1.1 工程背景

地应力测定位置为我国西部某铁路隧道施工现场。工程所处地区气候极端恶劣，山脉呈南北向纵贯延展、地势起伏较大，区域性大断裂和活动断裂较发育，地震活动频繁，构造地应力较高，节理较发育。隧道附近岩质坚硬，岩体较为完整，地应力水平较高，存在发生岩爆的可能性。

1.2 地应力测试

地应力测试采用空心包体应力解除法。测试时，用地质钻机钻取直径为130 mm的大孔，大孔上倾3°～5°，从大孔孔底钻打直径为36 mm的同心小孔，小孔成形后用干毛巾把小孔擦干擦净并配置黏结剂，黏结剂搅拌均匀后，把黄油均匀涂抹在定向仪上，用砂纸打磨空心包体应力计外表，向应力计内腔倒入黏结剂，用安装杆将应力计送入钻孔之中。安装过程要控制在20分钟以内、以免影响胶体的流动性。

胶体完全凝固后，测量钻孔的倾角和方位、孔口的位置(大地坐标)和安装角。解除应力计时，用YJZ-16+型智能数字应变仪采集数据，用KJ327-F型矿山压力监测系统接收数据，将带有应力计的完整岩芯放进围压率定仪，给岩芯逐步施加围压、采集应变、求出有效弹性模量和泊松比。

本文以14个现场地应力测点作为分析对象，使用其中10个测点资料进行实际岩爆情况、传统方法预判结果与改进方法预判结果的对比，以其余4个测点资料来验证本文改进方法的正确性。10个测点最大地应力的测试结果见表1。表1还列出了岩石单轴抗压强度的室内试验结果。

表1 不同测点的最大地应力和岩石单轴抗压强度Table 1 The maximum geostress and uniaxial compression strength at different measuring locations

表中，σmax为最大地应力，σci为岩石单轴抗压强度。

2 岩爆倾向性预判

2.1 岩爆发生的实际情况

10个测点发生岩爆后的外观情况如图1所示。

图1 不同测点发生岩爆后的外观情况Fig.1 Appearances after rock bursts at different measuring locations

下面以测点1为例，对现场岩爆情况进行分析。测点1所处区域岩质比较坚硬，岩体较为完整，地温和构造地应力较高，处于区域性大断裂和活动断裂发育地带，构造裂隙和卸荷风化裂隙发育，节理间距多在2～4 m。隧道施工时有较大的岩块迅猛飞出，岩块的尺寸较大、数量较多，岩爆坑穴呈连续分布、影响深度达2 m以上，围岩出现大面积的开裂失稳，现场施工时听到强烈的爆裂声音。测点1岩爆为强烈等级。

根据岩爆发生的实际情况确定了10个测点的岩爆等级，确定结果如表2所示。

表2 不同测点岩爆等级的现场判定结果Table 2 Field rock burst grades at different measuring locations

2.2 使用传统方法的岩爆预判结果

工程实践多使用传统方法进行岩爆预判。传统方法通常以岩石强度-最大地应力之比为基础，对应的岩爆预判准则如表3所示。

表3 传统方法中基于岩石强度-地应力比的岩爆等级预判Table 3 Rock burst grades using strength-geostress ratio of rock in traditional estimation method

表中，岩爆判别适用于完整～较完整的中硬和坚硬岩体、无地下水活动的地段；Rc为岩石饱和单轴抗压强度/MPa，σmax为最大地应力/MPa。

根据空心包体应力解除法得到的最大地应力、室内单轴抗压强度试验得到的岩石强度，使用岩石强度-最大地应力之比得到了不同测点的岩爆分级结果(表4)。为便于对比，表4还列出了现场岩爆的观测结果。

从表4可以看出，使用岩爆预判的传统方法、基于岩石强度-最大地应力比来预判岩爆，预判结果与现场情况相差较大。

表4 基于岩石强度-地应力比的不同测点岩爆等级预判结果Table 4 Rock burst grades at different measuring locations using strength-geostress ratio of rock

2.3 岩爆预判方法的改进

传统岩爆等级分类标准中，强度应力比法中的强度通常指岩石饱和单轴抗压强度；但实际工程中岩爆出现与否和岩体结构及相应岩体强度有很大关系。因此，下面对传统方法进行改进，将岩体结构特点和相应岩体强度大小用于岩爆预判之中。

研究时，岩体结构特点使用地质强度指标GSI来表征。在确定其它相关参数(如岩体扰动程度系数、岩石单轴抗压强度)基础上，使用广义Hoek-Brown强度准则来计算岩体强度，进而使用岩体强度-最大地应力比作为岩爆预判指标、提出基于岩体强度的岩爆预判方法。

2.3.1地质强度指标GSI的确定

Marinos-Hoek[20]法确定地质强度指标GSI(表5)，可以充分考虑岩体结构特征、岩体风化状况和岩体节理表面特征，较好地反映了实际情况。

表5中，在岩体结构特征方面，完整或大块结构表示完整岩样或大块原岩，几乎没有不连续面；块状结构表示很好的镶嵌状未扰动岩体，有三组相互正交的不连续面切割，岩块呈立方体状；碎块状结构表示镶嵌状部分扰动岩体，有四组或更多组不连续面切割形成棱角状岩块；块状或扰动结构表示有多组不连续面相互切割，形成棱角状岩块，且经历了褶曲和(或)断层活动；离散结构表示岩块间相互镶嵌作用很差，岩体极度破碎，呈混合状，或由棱角状和浑圆状岩块组成；剪切状或层状结构表示没有块体，由薄弱的褶曲层或剪断面相互叠合。在岩体风化状况和岩体节理表面特征方面，很好表示表面非常粗糙、新鲜、未风化；好表示粗糙、轻微风化、表面有铁锈；一般表示光滑、弱风化或蚀变；差表示有镜面擦痕、强风化，有密实的膜覆盖或有棱角状碎屑填充；很差表示有镜面擦痕、强风化，有软黏土膜或黏土填充。

表5地质强度指标的估算(Marinos和Hoek[20])
Table5Theestimationofgeologicalstrengthindex

(fromMarinosandHoek[20])

表中，“N/A”表示在这个范围内不适用。

本次研究使用Marinos-Hoek法来计算GSI。下面以测点1为例，简要说明使用Marinos-Hoek法确定GSI的过程。测点1所处区域构造裂隙和卸荷风化裂隙发育，构造裂隙组合常呈“X”型分布，节理一般延伸不远，裂隙宽1～10 mm，最大宽度为15 mm，多呈微张及半张开状，局部可见充填物，节理间距多在2～4 m。据此，将测点1的GSI取为58。

10个测点GSI的确定结果见表6。

表6 不同测点地质强度指标的确定结果Table 6 Geological strength index at different measuring locations

2.3.2其他相关参数的确定

其它相关参数主要包括与岩体扰动程度、岩石单轴抗压强度有关的参数。

岩体扰动程度系数D的确定：D与岩体遭受的扰动(如爆破、岩体开挖、岩体卸荷等)有关。考虑到本工程爆破和开挖对隧道岩体扰动的实际情况，将所有测点的D统一取为0.5。

岩石单轴抗压强度σci的确定：各测点岩石的单轴抗压强度由室内单轴压缩试验确定(结果见前述表1)。

2.3.3基于Hoek-Brown准则的岩体强度计算

Hoek和Brown(2002)在分析Griffith理论的基础上，根据岩石三轴试验和岩体试验成果的统计分析，研究了岩块和岩体破坏时极限主应力之间的关系，得到了广义Hoek-Brown强度准则。在广义Hoek-Brown强度准则中，岩体强度采用下式计算：

σ1=σ3+σci[mb(σ3/σci)+s]α

(1)

mb=mi+exp[(GSI-100)/(28-14D)]

(2)

s=exp[(GSI-100)/(9-3D)]

(3)

α=0.5+[exp(-GSI/15)-exp(-20/3)]/6

(4)

σcm=σcisα

(5)

式中，σ1、σ3——是岩体破坏时的最大、最小有效主应力(压应力为正)/MPa；

σci——完整岩块单轴抗压强度/MPa；

mb——考虑岩体结构的mi折减值；

mi——反映岩石软硬程度的经验参数；

s——反映岩体破碎程度的经验参数，取值范围为0～1，对完全破碎岩体s取0，对完整岩体s取1；

α——反映岩体特征的经验参数；GSI为岩体的地质强度指标；

D——反映外界因素对原位岩体扰动程度的参数，取值范围为0～1，对未扰动岩体D取0，对完全扰动岩体D取1；

σcm——岩体单轴抗压强度/MPa。

10个测点岩体强度σcm的计算结果见表7。

表7 不同测点岩体强度的计算结果Table 7 Rock mass strength at different measuring locations

2.3.4基于岩体强度的岩爆预判

不同测点岩体强度-最大地应力之比的计算结果见表8。表8还列出了现场岩爆等级的实际观测情况。

根据表8，轻微岩爆对应的岩体强度和最大地应力比值为0.185 0，中等岩爆对应的比值分别为0.073 8、0.076 2、0.090 5、0.106 8、0.149 7，强烈岩爆对应的比值分别为0.023 6、0.037 8、0.042 4、0.049 9，由这些数据可得岩体强度-最大地应力比与岩爆等级的对应关系(图2)。

表8 不同测点岩体强度-最大地应力比的计算结果Table 8 Calculation results of ratios of rock-mass-strength to maximum field geostress at different measuring locations

图2 岩体强度-最大地应力比与岩爆等级的关系Fig.2 The relation between rock burst grade and ratio of rock-mass-strength to maximum field geostress

由图2可知，岩体强度-最大地应力比值较大时岩爆情况较轻，较小时岩爆情况较重。可以使用三条水平线y=0.149 7、y=0.073 8、y=0.023 6将岩体强度-最大地应力比值大小分成4个区域、分别为>0.149 7、0.073 8～0.149 7、0.023 6～0.073 8、<0.023 6，对应岩爆等级分别为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆、剧烈岩爆。为方便工程应用，界限值只保留两位小数，4个区域分别变为>0.15、[0.07,0.15]、[0.02,0.07]、<0.02。据此得到基于岩体强度-最大地应力比的岩爆预判方法(表9)。表9中，Rcm为岩体强度，单位为MPa；σmax为最大地应力，单位为MPa。

表9 基于岩体强度-最大地应力之比的岩爆预判指标Table 9 The rock burst estimation index based on ratio of rock-mass-strength to maximum field geostress

2.3.5岩爆预判指标准确性的验证

为说明上述岩爆预判指标的可靠性，取另4个现场实测点进行验证。4个验证点发生岩爆后的外观情况如图3所示。

图3 4个验证点发生岩爆后的外观情况Fig.3 Appearances at 4 verification locations after rock bursts

使用传统方法，得到基于岩石强度-最大地应力比的4个验证点岩爆分级预判结果(表10)。

表10 基于岩石强度-地应力比的4个验证点岩爆等级预判结果Table 10 Estimations of rock burst grades at 4 verification locations using ratio of rock-strength to geostress

使用本文方法，得到4个验证点的岩体强度-最大地应力比(表11)。

表11 岩体强度-最大地应力比的计算结果Table 11 Calculation results of ratios of rock-mass-strength to maximum field geostress at 4 verification locations

根据表11和表9，得到4个验证点的岩爆预判结果(表12)。表12也列出了4个验证点的现场观测结果和传统方法预判结果。

表12 基于岩体强度-地应力比的4个验证点岩爆等级预判结果Table 12 Estimations of rock burst grades at 4 verification locations using ratio of rock-mass-strength to geostress

由表12可以看出，使用基于岩石强度-最大地应力比的传统方法来预判岩爆，预判结果与现场情况有较大差别；使用本文提出的基于岩体强度-最大地应力之比的岩爆预判方法，预判结果与现场观测结果一致。这说明，岩爆预判时仅仅考虑岩石强度而不考虑岩体结构，不符合实际情况，不能有效地进行岩爆预判；基于岩体强度-最大地应力之比的岩爆预判方法，能够较好地反映岩体结构，预判结果与实际情况一致，可以用于岩爆预判。