高地温高应力隧道岩爆特征及机制研究

严 健，何 川，汪 波，徐国文，吴枋胤，潘 朋

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

地处青藏高原的川藏铁路全长1 551 km，是目前我国重点建设的项目之一。沿线高地应力隧道35座、高地温隧道13座，高地温高地应力共存的隧道有12座[1]。在已开工建设的拉(萨)林(芝)段及毗邻的拉(萨)日(喀则)铁路隧道中高温热害和岩爆现象十分突出，例如拉日铁路吉沃西嘎隧道岩温最大值为57 ℃，桑珠岭隧道岩温最大达到89.5 ℃。在桑珠岭隧道中，岩爆里程占到了总里程的55%。岩爆具有发生突然性、高危性特点和动力失稳特征，在高地应力隧道及地下工程开挖过程中发生频率极高[2]。

围绕岩爆的发生机制、发生条件、影响因素等方面，国内外众多专家学者进行了广泛深入研究。Ortlepp等[3]、冯夏庭等[4]系统研究了岩爆机制和岩爆孕育过程；徐林生[5]深入研究了岩爆爆源机制、破坏机制以及岩爆产生条件；He等[6]利用深部岩爆过程试验系统从应力强度角度对岩爆分类、岩爆判据进行了研究。针对高地温隧道，李天斌等[7]等研究了硬脆性岩石热-力-损伤模型， 蒙伟等[8]通过叠加原理，将温度应力场叠加到重力及构造应力场中得到了与高地温相符的岩体初始地应力场；苏国韶等[9]、胡跃飞等[10]、赵国凯等[11]分别就高温后、高温和应力循环作用下花岗岩岩爆、岩石力学特性做了分析；严健等[12]就高地温对隧道岩爆发生的影响性做了探讨；宫凤强等[13]就深部直墙拱形隧洞围岩板裂破坏开展了模拟试验研究。在利用工程现场资料统计分析方面，相关学者分别对桑珠岭隧道和巴玉隧道[14]、锦屏二级水电站引水隧洞[15]等大型工程的岩爆特征和岩爆机理进行了分析。上述成果对研究不同环境下的隧道岩爆特征和成因机制提供了借鉴。

本文以川藏铁路拉林段桑珠岭隧道岩爆为研究对象，就隧道开挖过程中观察记录的190组岩爆数据进行统计分析，并基于现场测试、数据反演分析和数值计算，就隧道岩爆高发里程段内岩爆基本特征、初始地应力、开挖卸荷洞周二次应力、高地温以及洞壁温降量等特征展开研究，最后基于热力耦合计算探讨了高地温隧道岩爆机制。

1 工程概况

川藏铁路拉(萨)林(芝)段桑珠岭隧道位于西藏自治区山南市桑加峡谷区、雅鲁藏布江缝合带，全长16.449 km。受印度板块向欧亚板块相俯冲碰撞影响，桑珠岭隧道高地温特征显著[16]。

桑珠岭隧道设计之初即判定为Ⅰ级风险隧道。在隧道施工过程中产生十分频繁、轻微到剧烈程度不等的岩爆灾害。

在D1K179+740—D1K189+420段里程内(隧道第二横通道大小里程方向)，隧道埋深在300～1 500 m之间，且全隧最大深埋和最小深埋均位于该里程段，同时，受沃卡断层、巴玉断层地质构造作用影响，该里程段初始地应力场复杂且多变，见图1。

图1 桑珠岭隧道纵断面图

地质背景调查显示，沃卡断层全长约60 km，宽近150 m，呈W、NW倾向、近SN—NE向展布；巴玉断层呈近南北向展布，断裂带宽10～20 m，于DK183+645里程处与隧道洞身垂直相交。在上述断层两侧，岩体均为中细粒角闪黑云英石闪长岩(K2M)，就岩体脆性系数和岩体储存最大弹性应变能分析显示，该类围岩具有轻微—中等级别的岩爆倾向性。

2 岩爆及岩爆特征分析

岩爆的发生机制极其复杂，相关学者从不同角度对岩爆进行了定义。Russenes[17]认为只要岩体破坏时有声响、有新鲜破裂面，且产生片帮、爆裂松脱、剥离甚至弹射等现象即可称为岩爆(一般的冒顶、塌方、掉块和片帮如不具有相应的声响特征且无新鲜破裂面则不属于岩爆)；谭以安[18]认为只有产生弹射、抛掷性破坏者才能称为岩爆(无动力弹射现象的破裂归属于静态下的脆性破坏)；从岩爆引发地层震动以及岩爆对工程的损伤角度，Cai等[19]总结认为只有以突然、剧烈的方式发生的，且引起地层震动、会对隧道或矿井的开挖造成破坏的围岩损伤才能被称为岩爆(仅产生地震但本身不造成破坏的不属于岩爆)。徐林生等[20]基于川藏公路二郎山隧道岩爆研究，从岩爆的力学机制出发认为：因开挖卸荷引起高地应力地下硐室围岩产生应力分异造成岩石内部破裂、弹性应变能突然释放，进而引起的岩体爆裂剥落、弹射甚至抛掷性破坏现象均为岩爆。

目前，对涉及高温高地应力隧道的岩爆研究正在开展，所涉及的岩爆烈度分级及分级依据还没有专题报道，为此，借鉴Russenes[17]、谭以安[18]、徐林生等[20]学者研究成果，岩爆烈度分级及主要分级依据见图2。参考图2中的岩爆烈度分级依据，综合工程现场实录的岩爆形迹、发生范围、发生和持续时间、岩爆影响深度、声响，将桑珠岭隧道岩爆分为轻微、中等、强烈、剧烈4个等级(分别以数字1～4代表以上等级)。

现场不完全统计显示，桑珠岭隧道全隧岩爆次数高达9万多次，且同一里程处岩爆呈现多形式、多层次错综复杂的特征。为厘清主次并方便统计分析，将从打钻开始到近掌子面围岩发出声响同一时段内连续发生的岩爆记作一组，以该组岩爆的最高烈度及最显著破坏特征作为岩爆的主体特征。现对2016年11 月—2017年11月施工期间，桑珠岭隧道第二横通道工区D1K183+000—D1K186+500段(共3 500 m)190组岩爆实录资料进行统计分析。

2.1 岩爆基本特征统计

2.1.1 不同烈度岩爆发生位置分布特征

在截取的隧道3 500 m范围内，隧道横断面内不同位置岩爆发生概率分布图和各部位不同烈度岩爆统计结果见图3(小里程方向正对开挖面)。分析可见：岩爆发生组数由多到少的位置分别是：掌子面、拱顶、右拱腰、边墙以及其他位置，对应发生组数分别是71组、65组、14组、8组。同时，隧道傍河谷一侧右拱肩、右边墙和右拱脚位置岩爆烈度更高，岩爆次数亦明显多于同一里程段内隧道左侧岩爆组次。

分析认为：在空间上，岩爆发生在掌子面及其附近，该范围在工程开挖卸荷效应影响内；受雅鲁藏布江谷坡地形、河道两岸岩性及地质构造等因素影响，隧道傍河谷一侧岩体内部地应力将部分释放，从而在地层中形成初始应力分异带，进而影响隧道岩爆发生的空间分布。

2.1.2 不同烈度岩爆发生时间和持续时间特征

岩爆发生时间和持续时间分析见图4(a)，开挖12 h内的岩爆次数与时间关系见图4(b)。

由图4(a)、图4(b)可见，桑珠岭隧道研究里程段内以即时性应变型岩爆为主，其主要体现在以下几方面：时间上发生在开挖后6 h内，69.3%的岩爆集中发生在掌子面开挖后的2～4 h；岩爆次数随开挖后暴露时间的增大呈现先增加后逐渐减小的趋势。

2.1.3 不同位置岩爆破坏特征

岩爆形迹实录显示，发生在隧道不同位置的岩爆具有不同烈度和破坏特征。拱脚处岩爆频率小，但岩爆后形成规模较大、棱锥形的爆坑，爆坑最深可达3 m，爆坑内破裂面整齐如刀切，破裂面大致垂直于隧道轴线，见图 5(a)。在完整性差、结构面发育的洞段边墙和大部分的拱顶处，岩爆以板裂化破坏为主。参考周辉等[21]基于锦屏二级水电站开挖过程中围岩板裂化机制的相关研究，板裂破坏通常表现为隧道洞壁围岩出现密集分布的同心圆、洋葱皮层状裂纹。在桑珠岭隧道高地温高应力洞段，以张拉型为主的裂纹切割围岩形成近似平行于开挖面的岩板，受开挖扰动进而剥离母岩，形成规律性的板裂化破坏。片状岩体直接剥落，片帮剥落具有明显薄板状或片状特征，岩片厚度在18～25 cm之间，最大岩块长度达到0.6 m，见图5(d)。

在完整性较好、结构面不发育或局部发育的洞段，掌子面和拱顶发生强烈和剧烈岩爆时发出炮弹发射的巨响声，产生剧烈的爆裂弹射、抛掷性破坏，见图5(b)、图5(c)。由于这部分里程内岩爆具有突发性，会迅速向围岩深部发展，影响深度在2～3 m。现场记录显示该类型岩爆造成了隧道掌子面附近台架严重毁坏，施工人员受伤的安全事故。

图5 桑珠岭隧道典型岩爆破坏现场实录

2.2 初始地应力分布特征

根据桑珠岭隧道地应力反演结果，得到第二横通道岩爆高发段沿隧道轴线方向的初始地应力分布。其中，主应力值(最大、最小主应力，自重应力)分布规律见图6，由图6可知，地应力以构造应力与自重应力联合作用为主。在埋深较大的D1K183+000—D1K185+800段以自重应力场为主，竖向主应力总体上与隧道埋深的变化趋势一致，量值变化范围为36.094～36.275 MPa，最大竖向应力位于D1K183+300里程；里程段内最小水平主应力变化不大，量值在2.3～11.5 MPa。

隧道轴线上最大水平主应力量值普遍较高，在埋深较浅的D1K185+800—D1K186+500段以水平构造应力场为主。由于埋深降低且靠近河谷，地质构造的影响较大，其值随着隧道埋深的减小而逐渐减小，但最大水平主应力整体上大于自重应力；隧道工程区域整体应力场的分布整体较线性，只在近断层处出现突变。

图6 D1K183+000—D1K186+500隧道轴线主应力分布图

2.3 开挖卸荷洞周二次应力特征

采用洞壁二次应力解除法现场实测开挖后岩壁的切向应力。量测点选定在隧道开挖掌子面附近洞壁，要求能最大限度保证试验人员安全、方便现场操纵且岩体完整、受爆破影响不大。现场钻一深度为50 mm的孔，用钻头将孔底磨平、磨光后在孔底粘贴电阻应变片，见图7。利用静态电阻应变仪读初始读数后，套钻取下长度为50 mm的岩芯，读取解除后的岩芯应变值。根据弹性力学理论，代入岩石弹性常数、测试应变值，进而推算测试处岩体所受各向应力大小。

图7 洞壁二次应力解除

结合相关判据[22-23]，将现场岩爆高发段洞壁二次应力解除法测试并计算得到的洞周应力情况直观形象地展示见图8。由图8可见：D1K183+000—D1K186+500段均处在中等—强烈岩爆区。结合现场观察认为，桑珠岭隧道的岩爆发生机制复杂，包含了众多类型的岩爆机制特征。在断面埋深最大、自重应力场最高的位置，以拱脚处发生围岩内部影响深度大、爆坑规模大的破坏，属于剪切断裂型岩爆；在断面埋深迅速降低的里程区域，随着隧道埋深变化，地应力也出现复杂变化，在自重应力场和构造应力场发生交替过渡段，碎裂围岩经过地质构造反复作用，内部能量已得到一定的释放，拱顶、拱腰、边墙等部位多以密集的轻微—中等岩爆为主，呈现低烈度、高频次的特征，属于应变型岩爆；在近巴玉断层附近，应力场出现突变，开挖卸荷过程中掌子面和拱顶处产生了以爆裂弹射、抛掷形迹为主的剧烈岩爆破坏，属于断层滑移型岩爆。

图8 围岩洞壁二次应力分布图

2.4 高温分布及温降特征

为了进一步掌握隧道岩爆高发段高地温分布以及开挖中岩体内部、洞壁面温降特征，揭示岩爆-高地温-温降量之间可能的联系，获得热力耦合计算中的温度边界，课题组在施工中就隧道不同埋深时的原始地温分布情况、以及正常通风情况下不同时间的岩石壁面温度进行了现场测试。现场测试方案包括：利用布设在隧道两侧边墙处的红外测温仪测试洞壁面温度，通过不同深度测温孔测试围岩中的温度。

根据测试数据绘出桑珠岭隧道不同里程、不同埋深掌子面初始地温分布，不同通风时间内的围岩壁面温降，以及开挖后不同时间洞壁温度变化与岩爆分布见图9。由图9(a)可知，在隧道岩爆高发段，隧道围岩温度分布与埋深较为一致。由图9(b)可知，在最大埋深处围岩最高温度89.6 ℃，在正常通风3 h后其壁面温度依然有40 ℃；在埋深为780 m处的围岩温度也在32 ℃左右，正常通风后依然高于铁路隧道施工安全要求的上限温度(28 ℃)；由图9(c)可知，岩爆发生频率最高的区域与温降急剧降低的区域存在较大的重叠。可见高温在深埋段随通风虽有所降低但依然严峻，同时，高地温隧道开挖过程中的温降与岩爆的发生之间存在一定联系。

图9 初始岩温及围岩壁面温降与岩爆分布

3 桑珠岭隧道岩爆机制探讨

结合以上统计分析，考虑高地应力、开挖卸荷和温度作用，利用开挖卸荷-温降耦合数值模型，对高地温高地应力下岩爆破坏机制进行探讨。

3.1 开挖过程中的洞周温度场

借助Ansys有限元软件，采用间接热力耦合分析方法，先进行热分析再进行结构分析。其中，结构分析部分采用DP屈服准则，利用二维平面应变计算模型模拟隧道开挖应力释放过程中的开挖应力释放-温降耦合计算。建立热模型见图10。其中模型几何尺寸为100 m×120 m(高×宽)，模型单元26 136个。为模拟开挖引起的温度分布情况，模型上下左右温度边界设定为89 ℃，并以多组温度作为隧道洞壁面温度边界，进而简化计算。模型参数见表1，通过瞬态热分析得到隧道开挖后的节点温度，得到隧道开挖后不同边界条件时的温度云图，见图11。

表1 模型相关物理力学及热力学参数

图10 数值计算模型

图11 隧道开挖后洞周温度分布云图(单位：℃)

选取隧道洞壁15、65 ℃边界条件时的温度云图，见图11。由图11可知，相对模型尺寸而言，温度变化只在洞壁较薄的一层发生，变温区在15～30 cm之间，且变温区的尺寸与洞壁边界温度量值关系不大。计算结果与2.1节现场岩爆岩块的板状或片状特征以及岩片18～25 cm厚度相一致。

参考文献[24]并结合现场实录可见，在近隧道开挖面的降温区内，由于岩体内外大温差影响，围岩由临空面向内部切割形成多组近似平行的、近同心圆状的温度裂缝，这些温度裂纹受逐渐增大的切向应力作用，进而扩大并连接形成新的结构面，见图12。

图12 降温区内围岩板裂化破坏结构面形成示意图

3.2 开挖过程中的热力耦合分析

固定洞壁边界温度量值为25 ℃，根据2.4节反演得到的地温梯度计算出不同埋深时的模型温度边界。假设花岗岩的物理力学参数保持不变，利用ETCHG命令，将热单元转换作结构单元进行求解。根据表2定义结构材料特性，上边界竖直向下施加σy，右边界水平向左施加σx，其中σx和σy的大小根据埋深进行适当简化，结果见表2。

表2 桑珠岭隧道区段地温及构造应力表

对隧道附近围岩进行弹塑性有限元分析。采用平面四边形等参单元，并在计算模型的下边界施加竖向约束，左边界施加水平约束。求解隧道开挖前的初始地应力场，并提取洞壁等效节点力；在隧道开挖过程中，通过施加等效节点力来模拟围岩应力释放情况，其中应力释放率按20%递增。

在模型上分别施加等效节点力以及从热分析中读取的节点温度。求解荷载步，实现隧道开挖温降过程热力间接耦合计算，进而得到隧道开挖应力释放过程中的洞周切向应力σθ及最大主应力σ1分布云图。限于篇幅，论文仅给出地温85 ℃，洞壁温25 ℃时的洞周应力云图，见图13。

图13 85 ℃时不同应力释放率时σ1、σθ云图(单位：Pa)

根据数值计算结果，绘出2组不同埋深、不同应力情况和不同温降量时隧道不同位置在洞周应力释放过程中的最大主应力，和洞周切向应力变化曲线，见图14。

图14 不同温差时洞周最大主应力和洞周切向应力分布变化曲线

由图13、图14可知：

(1)隧道开挖，应力释放率从20% 增加到100% 过程中围岩整体受压且受压范围逐渐收窄，同时，就压应力增加情况来看，在以自重应力场为主的埋深段(埋深1 400 m)侧压力系数λ=σx/σy<1，压应力随温度升高而增大，且拱脚处增长最快，拱顶次之；在以构造应力场为主的浅深段(埋深600 m)侧压力系数λ=σx/σy>1，应力在两边墙、拱腰处增长最快。

(2)温降量越高，σθ及σ1增长越快；当应力释放率达到100%时，温差60 ℃时的σθ增加幅度均大幅提升，可见，高温岩体开挖出现的大温差使洞周围岩产生附加温度应力，增加了应力释放过程中的洞周应力发展速度。

(3)隧道开挖前原岩温度和开挖后洞壁温度差越大，对隧道洞周温度应力变化影响越明显，当温差分别为15、60 ℃时，斜率分别在应力释放率达到60%、40% 时增加，可见，温差越大，洞周围岩最大切向应力σθ及最大主应力σ1增长越快。

(4)在隧道洞壁面后15～30 cm，高温岩体的迅速降温导致硬脆围岩开裂，与开挖卸荷作用共同导致围岩板裂化结构面的形成，在切向集中应力的不断增加过程作用下，岩板向隧道净空屈曲变形，在外界扰动作用下极易发生突发性失稳破坏，形成以岩板压折、岩块弹射为特征的岩爆现象。

4 结论

本文对新建川藏铁路拉林段桑珠岭隧道开挖过程中观察、记录的大量岩爆、温度、应力资料进行统计分析，并从热力学角度就岩爆破坏机理进行了探讨，得出如下结论：

(1)桑珠岭隧道高地温高应力段主要以即时型岩爆为主，开挖后4 h以内是岩爆高峰期，岩爆频率随开挖时间的推移呈减小趋势。

(2)高温岩体开挖后降温区主要分布在掌子面、拱顶和边墙洞壁15～30 cm范围内，岩爆发生时间和持续时间与温降量线性相关，且边墙处岩石呈现板裂化岩爆特征，破裂板状、片状18～25 cm厚度与温降范围重合。

(3)高地温高应力隧道的岩爆发生机制复杂，包含了众多类型的岩爆机制特征，其中主要以大埋深位置剪切断裂型岩爆，自重应力场和构造应力场发生交替过渡段的低烈度、高频次的应变型岩爆和近断层附近的断层滑移型岩爆为主。

(4)高地温在开挖释热过程中使岩体产生附加温度应力，同时，较大的温降量在围岩较薄区域内产生的较大温差与开挖卸荷作用共同导致围岩板裂化结构面的形成，随着开挖过程中的最大切向应力及最大主应力增加，在热力耦合作用下加速了岩爆的发生。