深埋隧道岩爆倾向性评估方法

2019-09-02吴春成朱志辉

高速铁路技术 2019年4期

吴春成朱志辉张伟

(1. 中国铁路青藏集团有限公司, 西宁 810007； 2. 西藏铁路建设有限公司，拉萨 850000； 3. 东北大学, 沈阳 110819)

某隧道位于我国西南部，埋深达 2 000 m，岩爆风险极高[1]。迄今已发生上百次岩爆，中等及以上岩爆次数较多。岩爆倾向性判别是深埋高应力隧道开挖过程中的重要内容，因此，开展深埋隧道岩爆倾向性判别方法研究具有重要意义。

关于岩爆倾向性判别方法，国内外学者在强度、刚度、突变、分形和能量等诸多方面提出了众多岩爆风险和倾向性估计判据。代表性的有岩爆变量公式预测、经验判据评判、人工神经网络预测、模糊数学综合评判、模糊概率风险预测、可拓物元评判、距离判别分析方法等。岩爆倾向性判别方法可概括性地化分为单指标经验判据和多因素经验评价指标或系统两大类。单指标经验判据方法多以强度、能量和刚度等理论为基础，典型性的判别方法有Hoek判据[2]、Russenes判据[3]、Turchaninov判据[4]、二郎山隧道判据[5]、陶振宇判据[6]、Barton判据[7]等。面对不同工程概况，各类岩爆倾向性判据方法的适用性不同。为准确判定深埋隧道开挖过程中的岩爆倾向性，有必要针对各类岩爆倾向性经验判据方法，开展适用性对比分析研究。

因此，本文基于某隧道工程，以岩爆倾向性单指标判别方法为对象，开展岩爆倾向性评估方法适用性对比分析研究，为深埋高应力隧道开挖岩爆倾向性判别方法选取，隧道开挖和支护方案设计提供科学依据。

1 隧道概况及其初始地应力特征

1.1 工程概况

某隧道位于我国西南部，隧道走向104°。隧道大部分为中粒角闪黑云花岗岩(E2R)，部分区段夹有极少量的伟晶岩脉(ρ)，构造发育轻微。隧道沿线发育有断层破碎带，宽30～50 m。隧道最大埋深处 2 080 m。根据已有的岩爆风险评估，有岩爆危害的洞段长为 12 242 m，占全长的94%，其中轻微岩爆等级洞段为 4 106 m，中等岩爆等级洞段为 5 922 m，强烈岩爆等级洞段为 2 214 m。

1.2 隧道进口工区岩爆发生情况

将该隧道2017年4月20日至次年2月25日期间施工的 1 197 m进口平导，每隔200 m进行1次统计，共统计6次。以统计范围内所发生过的最强岩爆等级作为此200 m范围的岩爆风险等级，并以0代表无岩爆，1代表轻微岩爆，2代表中等岩爆，3代表强烈岩爆，绘制某隧道进口平导DK 194+450～DK 195+647段沿线岩爆等级分布，如图1所示。

图1 隧道进口岩爆风险等级变化图

由图1可知，轻微岩爆里程段为1个，占比为16.7%，中等岩爆里程段则有4个，占比为66.7%；发生强烈岩爆的里程段为1个，占比为16.7%。因此，隧道进口工区该洞段开挖过程中以中等岩爆风险为主，截止到统计时期，最强岩爆等级为强烈岩爆，且岩爆主要发生在隧道拱肩至拱顶位置处。

2 岩爆倾向性经验判据方法

单指标经验判据方法多以强度、能量和刚度等理论为基础。根据岩爆倾向性评估的单指标能否反映硐室开挖过程的影响和初始应力场的偏应力特征，可分为两类：一是不能反映上述两因素；二是能反映上述两因素。这里，偏应力定义为σ1-σ3，即初始应力场最大主应力与最小主应力的差。这里主要介绍基于应力与强度的单指标经验判据。

2.1 不反映洞室开挖过程影响和初始应力场偏应力特征的判别方法

(1)Barton判据

基于应力强度比或强度应力比理论，Barton等在挪威工程实践中建立的Q系统分类，考虑岩石强度与地应力的比值，作为一个评价脆性破坏的指标，该指标判别公式为：

(1)

(2)陶振宇判据

我国学者陶振宇在Barton判据、Russense判据基础上，结合囯内岩爆实际情况，制定了如式(2)所列岩爆判据。

(2)

式中:σc——岩石单轴抗压强度，该隧道花岗岩单轴抗压强度为160 MPa;

σ1——洞室围岩的最大主应力。

2.2 反映洞室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的判别方法

(1)Hoek判据

Hoek和Brown总结了发生在南非石英岩中长方形开挖隧道边墙脆性破坏(包括岩爆、片帮和剥落)的案例，通过远场最大主应力于岩石短期单轴抗压强度之比作为脆性破坏评价指标进行了脆性岩体破坏模型分类，划分公式为：

(3)

(2)二郎山隧道判据

根据二郎山隧道施工过程的岩爆事件，徐林生和王兰生对应力强度比判据进行了总结，如式(4)所列：

(4)

式中:σmax——围岩最大切向应力;

σθ——围岩切向应力。

3 岩爆倾向性经验判据方法对比分析

3.1 地应力及开挖扰动应力反演

公式表明，围岩地应力及开挖扰动应力是岩爆倾向性判别的重要依据。为获取某隧道原始应力场及开挖后围岩扰动应力分布特征，建立该隧道三维地质反演模型及局部洞段开挖模型，所得结果与已有资料及地应力测试保持较好的一致性，这里不再介绍反演的具体过程。该隧道正洞沿线主应力分布特征，如图2所示(该隧道正洞与平导间距30 m，认为二者主应力基本一致)。以此主应力作为局部洞段开挖模型的边界条件，即可获得隧道开挖扰动应力。该隧道开挖后围岩切向应力状态，如表1所示。

图2 隧道正洞轴线主应力分布特征

3.2 岩爆倾向性评估分析

分别利用Barton判据、陶振宇判据、Hoek判据、二郎山隧道判据对该隧道岩爆倾向性进行评估分析，结果如图3～图6所示。

表1 隧道开挖过程中的切向应力状态表

里程桩号埋深/m切向应力竖直水平DK 201 0～2001 326.049.78122.95200～4001 216.547.80122.45400～6001 139.045.90121.75600～8001 086.044.37120.66800～1 000981.544.07121.14DK 202 0～200820.536.94111.82200～400702.033.1994.41400～600595.530.7981.96600～800397.023.5167.13800～1 000183.013.4037.39DK 203 0～200133.510.5124.74200～400105.58.9518.59400～45521.04.318.10

利用Barton判据评价的该隧道岩爆风险，如图3所示。

图3 由Barton判据确定的隧道开挖岩爆风险

由图3可知，由Barton判据确定的该隧道岩爆风险分为无岩爆、中等岩爆及强烈岩爆，其中，进口 DK 190+408～DK 190+950长542 m，出口DK 202+558～DK 203+455长897 m，共 1 439 m为无岩爆区域，从DK 190+950～DK 202+558长11 614 m为中等岩爆区域，占全部里程的88.98%。由于最大主应力与单轴抗压强度比值大于2.5，所以全长以中等岩爆为主。但Barton判据缺乏对强度应力比大于5时的分级，对于这个范围的岩爆风险分级不够精确。

利用陶振宇判据评价的该隧道开挖岩爆风险，如图4所示。

图4 由陶振宇判据确定的隧道开挖岩爆风险

由图4可知，由陶振宇判据确定的该隧道岩爆风险分为无岩爆、低等岩爆、中等岩爆及高岩爆。其中，进口DK 190+403～DK 190+603，出口DK 203+142～DK 203+455共513m为无岩爆风险，即有岩爆风险的区段为 12 540 m，占全隧的96.1%，其中低等岩爆风险的区域为DK 190+603～DK 190+878，DK 202+658～DK 203+142，共759m。其余里程即DK 190+878～DK 202+658共 11 781 m为中等岩爆风险。

受地应力影响，该隧道开挖过程中围岩最大切向应力σmax为Y向水平应力，其作用于拱顶及拱肩，引起拱顶及拱肩的片帮及岩爆。隧道垂向作用应力σv为垂直应力，作用于拱腰，引起拱腰的片帮及岩爆。由于拱顶岩爆风险远大于拱腰岩爆风险，本文利用Hoek判据分析了拱顶的岩爆风险，如图5所示。

图5 由Hoek判据确定的隧道拱顶岩爆风险

由图5可知，DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，拱顶有严重岩爆风险，其他进出口共 2 903 m为片帮至中等破坏。拱腰部分多表现为剥落与片帮破坏，DK 191+288～DK 202+408共 11 120 m，其他进出口共 1 933 m无或支护后稳定。当然也有拱顶或拱肩岩爆发育延伸至拱腰，引起拱腰岩爆或片帮等现象。

利用二郎山隧道判据评价的隧道岩爆风险，如图6所示。

图6 由二郎山隧道判据确定的隧道岩爆风险

由图6可知，采用二郎山隧道判据能较准确的评价该隧道岩爆风险，其中，拱顶有岩爆风险的区段为DK 190+708～DK 203共 12 292 m，占全隧的94.2%，其中有严重岩爆风险的为DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，占全隧的77.8%。拱腰有岩爆风险的区段为DK 192+408～DK 201+308共 8 800 m，占全隧的67.4%。