岗木拉山隧道岩爆影响因素相关性研究

2019-03-26闫苏涛

铁道建筑技术 2019年11期

闫苏涛

（中铁十七局集团有限公司山西太原 030006）

1 引言

随着我国铁路向西部延伸，遇到的高埋深、高地应力隧道越来越多，伴随着岩爆的问题也越来越突出。为保证岩爆隧道安全快速施工，岩爆准确的预测和有效的防治尤为重要，而其前提是正确地辨识岩爆影响因素［1］。岩爆影响因素极为复杂［2］，现阶段普遍认为岩爆发生主要与地应力和岩石强度有关［3］，岩爆预测大多采用这两个因素，但实际上岩爆的发生是多种因素共同作用的结果［4］，不仅有自然因素，还有人为因素，仅对影响岩爆发生的部分因素进行分析，具有片面性和局限性，岩爆预测和防治就存在盲目性。隧道施工中能否确定岩爆影响因素及这些因素对岩爆的作用程度，对岩爆预测和防治具有重要意义。

2 工程概况

拉林铁路岗木拉山隧道位于西藏自治区米林县境内，隧道起讫里程DK346＋340～DK358＋000，全长11 660 m，隧道最大埋深1 800 m。隧道地处雅鲁藏布江桑加峡谷地貌，两岸均为极高山，地形起伏较大。隧道围岩主要为早白垩系英云闪长岩及闪长岩、新远古-中元古界念青唐古拉岩群八拉岩组片麻岩。含水层以第四系孔隙水及基岩裂隙水为主，含水层富水性强，地下水涌水集中在隧道进口受断层影响段落，水文地质条件简单。

3 岩爆影响因素相关性分析

3.1 埋深与岩爆相关性

国内外隧洞岩爆多发生在埋深较大的区域［5］，普遍认为埋深大的段落岩体自重应力较大，所以容易产生岩爆。然而很多岩爆工程案例中，即使构造应力很大，岩爆发生的原始动力已经不依赖自重应力提供，这种状态下隧道依旧很少在埋深浅的段落发生，也就是无论是否存在构造应力，岩爆都与埋深有关系，岗木拉山隧道也验证了这一点。岗木拉山隧道两端埋深较浅，向中间方向埋深逐渐增大，最大埋深1 800 m。由于青藏高原由亚欧板块与印度洋板块碰撞挤压形成，存在很大的构造应力，很多专家认为开挖之初在两端埋深较浅的地段就可能会产生岩爆。然而实际是随着隧道的掘进，进口在埋深300 m左右、出口在埋深500 m左右时才发生岩爆，而且随着埋深的增加，岩爆有增大的趋势，分析其原因是埋深如果不够大，构造应力无法储存，容易消散。

3.2 岩体与岩爆相关性

岩体包括两部分，岩块及岩块之间的结构面。

3.2.1 岩块与岩爆相关性

岩爆多发生在强度大、硬脆、完整性较好的围岩中［6］，因为这类围岩在高地应力作用下能储存较大的应变能。开挖卸荷之后，在集中应力作用下，岩块受到的压力越来越大，向临空面的变形越来越多，岩块所储存的应变能越来越大，最后达到极限平衡状态，而突然破坏向临空面弹射［7］，这是最传统的对岩爆的认识。岩爆的表现形式是多样的，不仅仅有块体弹射，还有片状剥落、块状松脱等。岗木拉山隧道多表现为块状松脱，在围岩壁上形成楔形或者梯形的爆坑，而松脱的块体底面往往有原生的结构面，有的甚至在侧面也存在结构面，说明此隧道岩爆的发生并不是地应力压坏了完整的岩块，而是先破坏了结构面，结构面强度较岩块本身强度减小很多，导致围岩的破坏强度降低了很多。传统的以地应力和岩块抗压强度来预判岩爆的方法不再适用，岩块本身强度对岩爆的影响已经不大了。

3.2.2 结构面与岩爆相关性

岩体中如果存在很多结构面，则地应力尤其构造应力会减小，因为裂隙为地应力提供了释放的空间，也可以认为有裂隙说明地应力已经释放过了。由于结构面的影响，岗木拉山隧道岩爆如果采用传统的强度应力比的方法进行判别，则大多为无岩爆或者轻微岩爆，支护设计往往是和岩爆等级对应的，无岩爆或者轻微岩爆往往采用素喷或者锚喷支护。但在施工过程中经常有大的块体从拱部或者边墙沿着结构面塌落，这也是现场岩爆主要表现形式。当有较大的块体在自重应力和地应力共同作用下松脱时，素喷或者锚喷不足以支撑，给隧道安全施工带来威胁，隧道内很多判定为无岩爆或者轻微岩爆的地段甚至有钢拱架被压弯。不设置钢拱架工人无法进场施工，安全无法得到保证，所以岩爆预测和防治必须要考虑结构面的影响。

结构面与岩爆发生位置也有关系，在顶部或者拱腰存在结构面时（见图1），开挖后不稳定块体形成临空面，在自重应力和地应力作用下很容易松脱掉落。岗木拉山隧道岩爆多发生在右上角，并且是沿着结构面松脱也证实了这一点。

图1 洞体与结构面关系示意

3.3 平导与岩爆相关性

岗木拉山隧道正洞左侧30 m设置了一个宽度为6.5 m的平导。隧道开挖初期，很多人认为由于平导先行，平导的开挖能释放正洞周边的应力，使正洞岩爆减弱。为了判断平导对正洞岩爆的影响程度，建立了数值模型，通过不开挖平导和开挖平导两种工况进行对比分析。

本次数值模拟选取DK348＋700～DK348＋720段落进行分析，此段落埋深在760 m左右，模型埋深设置为60 m，其余700 m通过等效荷载模拟。为减少边界效应，设置两侧岩土体宽度为4倍洞径［8］，见图2。此段落地层主要以闪长岩为主，结合勘察资料及现场试验数据，得到围岩的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩物理力学参数

图2 数值计算模型

图3 隧道周边主应力云图

计算结果见图3。在不开挖平导的工况下，正洞周边主应力分别为左拱腰33.3MPa、左拱脚32.5MPa、左边墙45.8 MPa、右拱腰33.5 MPa、右拱脚 32.6 MPa、右边墙45.9 MPa。在开挖平导的工况下，正洞周边主应力分别为左拱腰33.6 MPa、左拱脚32.7 MPa、左边墙46.5 MPa、右拱腰 33.9 MPa、右拱脚 32.8 MPa、右边墙46.1 MPa。由此可见，开挖平导和不开挖平导两种工况下正洞周边围岩应力相差很小，基本可归为计算误差，平导对正洞周边围岩压力无明显影响，平导释放的围岩应力主要在其周边塑性圈范围内，在塑性区外影响很小，所以平导对正洞岩爆基本无影响。

3.4 时间与岩爆相关性

岩爆发生有明显的时间效应，在开挖后4 h内是岩爆发生较频繁的时段，这一段时间内围岩噼啪声、撕裂声明显，主要发生在掌子面及与掌子面距离一倍洞径内，其范围之外逐渐减小，在开挖后尚未进行初期支护裸露的围岩发生最为频繁。4～8 h时间段内岩爆发生频率减缓，但发生的强度并未减小，也经常会有较大的块体松脱和掉落。已经进行了初期支护的段落，随着时间的推移，仍有可能发生二次岩爆破坏初支，现场很多段落在初支完成几天甚至十几天后发生了岩爆。所以从时间上来说没有完全不发生岩爆的时间节点，只能加强支护防止二次岩爆破坏隧道初支，从而避免对人员机械造成伤害。

3.5 开挖方式与岩爆相关性

现阶段隧道开挖方式对岩爆影响认识尚存在分歧［9-10］，有人认为岩爆隧道应分台阶开挖，因为分台阶开挖围岩一次应力释放不至于太多，能减少岩爆发生；有人认为岩爆隧道应全断面开挖，断面一次成型，以减少围岩的二次扰动，从而减少岩爆发生。为了验证不同开挖方式对岩爆的影响，分别采用全断面开挖和分台阶开挖两种工况进行数值模拟，参数同表1。

计算结果如图4所示。隧道上部开挖之后，在拱脚处出现较大的应力集中，达到52.6 MPa；隧道下部开挖后，整个轮廓围岩应力和全断面开挖情况下基本一致，说明分部开挖并不能减少周围围岩应力，虽然分部开挖每一部都能减少地层总的应力释放量，但是由于每一部的裸露面都较小，按面积分配下来围岩应力并不会减小。拱脚处角度一般比墙角处小，就导致上台阶开挖后在拱脚处产生较大的应力集中，所以岩爆如果主要表现为弹射，则全断面开挖法比分部开挖法有优势；如果岩爆主要表现为松脱和剥落，则全断面开挖和分部开挖没什么区别，但是如果松脱和剥落位置在边墙，且面积很大跨越上台阶和下台阶，则先开挖上台阶能优先固定住不稳定块体，这种情况下分台阶开挖比全断面开挖更有优势。

图4 隧道分部开挖周边主应力云图

4 岩爆发生机制及支护措施

4.1 岩爆发生机制

通过对已发生岩爆段落观测，岗木拉山隧道岩爆很少有弹射，主要表现为沿着结构面松脱、剥落。隧洞开挖后，洞壁围岩产生应力集中，由于在拱腰部位发育倾斜的结构面，在集中压力作用下，不稳定块体首先沿着结构面张裂，同时向临空方向变形［11］，周边应力进一步集中，并且状态发生变化，裂隙开始沿着一定角度向临空面延伸，结构面的张裂转变为岩石的剪切，随后不稳定块体与母岩的连接越来越少，应力越来越集中［12］，最后达到极限平衡状态而破坏。所以岗木拉山隧道岩爆的发生主要经过了结构面张裂、岩块剪切、失稳破坏三个阶段。

4.2 建议支护措施

从岩爆相关性分析中可知岩爆和结构面关系很密切，这和传统岩爆的认识不一样，支护措施也应该进行相应地改进。岩爆段落的支护不能按照岩爆级别对应关系形成惯性思维，应根据现场具体情况进行调整。隧道很多段落虽然判别为轻微岩爆，但是由于拱顶和拱腰发育有结构面，这些结构面在地应力作用下很容易发展贯通形成不稳定块体，在自重应力和地应力作用下发生塌落，从而对施工安全造成威胁。所以在结构面不利有可能产生大块落石的高地应力地段，不管判别为什么级别的岩爆，都必须设置钢拱架，以确保块体不会掉落伤人。施工中要根据结构面状态提前判别大掉块位置，同时还要设置临时保护措施，以防在支护过程中产生块体塌落。由于岩爆发生主要为块体沿着结构面塌落，所以传统的岩壁洒水、高压注水等措施不再适用，这些措施会软化结构面，从而加剧岩爆的发生，这和传统岩爆防治措施不一样。