基于应力判据法适宜性分析的隧道施工期岩爆预测研究

巴福隆

(中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁沈阳 111000)

岩爆是深埋硬岩隧道施工中比较严重的地质灾害。岩爆预测分为两大类[1]：一类是实测法，使用实验仪器对地下工程的岩体进行监测和测试，并以此判别岩爆，常用的方法有微重力法、流变法、回弹法、微震法等；另一类是理论法，将岩石的单轴抗压强度与地应力的比值作为岩爆预测的重要指标，或以切向应力、地下洞室轴向应力之和与单轴抗压强度之比作为判据，这些应力判据方法将岩爆分为轻微岩爆、中等岩爆以及强烈岩爆三个等级[2]。目前存在的应力判据方法众多，标准不统一，给设计和施工带来很大的不确定性。各判据方法见表1。

以九岭山隧道为例，探讨各应力判据方法在九岭山隧道岩爆预测中的适用性，并根据现场情况选择适宜的应力判据方法，对九岭山隧道做出岩爆预测。

表1 岩爆应力判据法统计

注：σθ—洞壁切向应力;Rc—岩石单轴抗压强度;σ1—最大主应力 。

1 工程概况

九岭山隧道位于江西省宜春市境内，隧道结构形式为单洞双线，进口里程为DK1680+697，出口里程为DK1696+068，全长15 371 m。隧道经过区域最高山峰的高程为1 404.6 m。

隧道位于中低山区，山体陡峭，流水侵蚀切割剧烈，地形起伏较大，自然坡度约30°～60°，相对高差约1 000 m，植被发育。隧道穿越地层较复杂，主要有花岗岩、花岗闪长岩，局部发育有酸性岩脉和石英脉，地表零星分布有第四系坡洪积及残坡积土层。围岩完整性好，强度高，在高围压条件下，隧道开挖过程中可能发生岩爆。根据地质水文条件推测，隧道DK1687+260～DK1687+500段存在岩爆可能[5]。

本次现场测试采用应力解除法测试洞壁应力[6]，采用点荷载试验方法测试岩石单轴抗压强度。

2 基于应力解除法现场洞壁应力实测及岩石强度测试

为科学预测九岭山隧道岩爆的发生状况，在隧道已开挖段工作面附近，利用应力解除法对隧道开挖后的二次应力进行实测。因施工期预测段众多，且原理基本一致，现以DK1687+260～DK1687+500段为例进行研究。

2.1 测试断面的选择

测试断面的选择关乎岩爆预测的准确性。应该选择与预测段埋深岩性相近的断面作为地应力测试断面，以保证岩爆预测的合理性和科学性。

DK1687+260～DK1687+500段洞身为花岗岩、花岗闪长岩，岩质坚硬，岩体较完整，地下水弱发育。埋深大致为505 m，纵断面如图1所示。根据前述的测试断面选择原则，现场选择已开挖断面DK1687+240进行洞壁应力测试。

选定断面后，考虑到现场测试中应力解除法的可操作性，将测点布设在边墙上。再根据应力解除法，测试洞壁二次应力和单轴抗压强度，然后根据不同的岩爆判据，对前方未开挖段进行岩爆预测。

图1 DK1687+240～DK1687+500纵断面

2.2 现场洞壁应力及岩体强度的测试

所谓洞壁二次应力解除法，就是在隧道已开挖段洞壁某点安设传感器(见图2)，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，测得约束解除前后岩体的微应变变化，根据应变变化状况及岩石的弹性常数，利用弹性力学理论来推算解除部位处岩体所受的各向应力，即可求得该点的应力状态[7]。

图2 应力解除法时洞壁应变片粘贴示意

图3 现场洞壁二次应力测试

依据应力解除法，在九岭山隧道DK1687+240断面进行了洞壁二次应力测试(见图3)，获得的应变增量见表2。

表2 应力解除法测得应变增量

注：表中x方向为平行于隧洞轴线方向，y方向为垂直于隧洞轴线方向，此时，测得εy即为洞壁边墙上的切应变，计算获取的σy即为洞壁切向应力σθ；应变增量为仪器读数值。

从表2可以看出，应力解除后，y方向应变增量最大，x方向应变增量次之， 45°方向应变增量最小。其中，y方向(隧道边墙洞壁切向)的应变增量明显大于x方向(平行于隧道轴向)，据此可初步判断，隧道开挖后存在较大的洞壁切向应力。

因DK1687+240断面附近以硬岩为主，隧道开挖后，岩性变形主要为弹性变形，故可依据弹性力学理论计算洞壁二次应力分布状况，如式(1)～式(4)所示[8]

(1)

做为中建人的一员，全年在外施工是常态，对于家里自是无暇顾及，数次搬家、两次装修，抚养孩子，孝敬老人统统甩给了妻子，偶尔回到总部开会，也是匆匆来匆匆走，老人曾说他就是一个“野人”。然而，电话的那一头，却总是“儿子的胃病好点没，爹的假牙换了没……”他对家人的惦念一直留在心里，随着年龄的增长，他越来越注意抽出时间与父母唠家常，倔强的父亲也逐渐理解了这个“不孝”的儿子。

式中：σx—x(水平)方向应力；σy—y(竖直)方向应力；τxy—xy平面剪应力；εx—x(水平)方向应变；εy—y(竖直)方向应变；ε45°—xy平面45°方向应变；σ1—最大主应力。

据式(1)～式(4)可知，为获取洞壁二次应力，需获取九岭山隧道相关岩体的物理力学指标，根据《九岭山隧道工程地质勘察报告》及《铁路隧道设计规范》[9]，确定地应力测试段岩体的物理力学指标见表3。

表3 测试段岩体的物理力学指标

依据表3中的物理力学参数，综合式(1)～式(4)，计算测点DK1687+240断面的洞壁二次应力(见表4)。

表4 DK1687+240断面的洞壁二次应力 MPa

为获得DK1687+260～DK1687+500区段处的岩体强度，现场取岩样进行了点荷载试验(见图4)，通过式(5)～式(10)，计算获得点荷载试验结果(见表5)[10]。

图4 现场点荷载试验

Is(50)=Is×Kd×KDd(8)

Kd=(De/50)0.4(9)

Rc=26.74×Is(50)(10)

式中：Af—试件的破坏面面积/mm2；D—加荷点间距/mm；Wf—破坏面上垂直加荷最小长度/mm；De—等效圆直径/mm；Is—试件点荷载强度/MPa；Ip—压力表读数/N；Is(50)—标准试件点荷载强度/MPa；Kd—尺寸效应修正系数；KDd—形状效应修正系数(采用圆柱状岩芯时取1)；Rc—单轴抗压强度/MPa。

表5 DK1687+240点荷载试验结果

根据《九岭山隧道工程地质勘察报告》，DK1687+240～DK1687+500段的岩样试验结果为Rc=97.41 MPa，综合比较岩样试验结果与点荷载试验结果，两者试验结果相差较小。

3 九岭山隧道施工期岩爆预测

应力判据法大多将围岩切向应力(最大主应力)与岩石单轴抗压强度的比值作为发生岩爆的唯一依据，但实际上，岩爆发生还与许多因素有关:围岩断面情况、构造节理、洞室的空间排布等。因此，实际预测时无法将单一的某个应力判据作为所有隧道的岩爆预测标准，要综合各种应力判据的分析结果，并根据现场情况选择适宜的应力判据准则，对隧道做出科学合理的岩爆预测[11]。

根据现场测试获得的洞壁二次应力值，结合点荷载试验所获取的岩石单轴抗压强度，采用应力判据法，计算获得DK1687+240断面的洞壁二次应力及岩体强度比(见表1)，判别出DK1687+240断面在不同判据下的岩爆发生状况(见表6)。

表6 岩爆等级判别

由表6可以看出，由不同的岩爆判据标准得出的岩爆等级差异性较大：对于DK1687+240测试断面，王元汉判据和王兰生判据得出轻微岩爆的结论，卢森判据的结论为中等岩爆，陶振宇判据及关宝树判据为强烈岩爆。

结合DK1687+240断面附近隧道开挖后岩爆实际发生状况来看(见图5)，该断面附近岩爆发生时主要表现特征[12]为：清脆的爆裂声(噼啪声和撕裂声)；偶有爆裂松脱及少量弹射，且随时间增长向围岩深部发展(见图5)。对比已有岩爆的发生特点归纳总结可知，该断面发生的岩爆烈度为轻微岩爆。故认为，王元汉及王兰生判据更适合九岭山隧道的实际情况[13-15]。

图5 现场岩爆照片

4 结论

(1)此次岩爆预测过程中，采用应力解除法得到测试断面的应力，采用点荷载试验得到岩石单轴抗压强度，为准确预测施工期的岩爆提供了可靠依据。

(2)根据已开挖段的岩爆发生情况，可初步判断洞壁二次应力间的关系，进而得出现场测试时应变增量的关系，提高了测试数据的准确率，可避免因实际操作的误差影响岩爆预测结果的准确性。

(3)进行岩爆预测时，除了计算应力判据法中的应力与岩石强度的比值，还要考虑岩石的脆性、坚硬程度以及完整性。