基于隧道现场验证的岩爆应力判据适用性研究

邓媛媛 曲宏略* 张新尚 张晓龙 邓兴洋 张建经

（1、西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都610500 2、云南建设基础设施投资股份有限公司，云南 昆明650000 3、云南省建设投资控股集团有限公司市政总承包部，云南 昆明650000 4、西南交通大学土木工程学院，四川 成都610031）

岩爆是高应力地区隧道施工常见的现象，也是深埋硬岩隧道施工中比较严重的地质灾害[1]。岩爆的发生会对施工人员、施工机械和施工进度造成严重的影响，甚至会导致隧道废用。近年来，关于岩爆的预测国内外众多学者做了很多研究，从多个角度提出了众多的岩爆判据，目前可对岩爆进行预测的方式主要分为两大类[2-3]：一类是在地下工程施工过程中使用实验仪器对其进行监测和测试的实际试验方法，岩爆发生与否根据测试指标进行预测，一般使用的方法有微重力法、流变法、回弹法、微震法等；另一类以岩石的单轴抗压强度与地应力的比值作为岩爆预测等级的重要指标的理论方法，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，理论法将岩爆分为轻微岩爆、中等岩爆以及强烈岩爆三个等级[4-10]。尽管关于岩爆判据已经有不少的理论研究，但对于岩爆发生的可能性及岩爆等级的指标范围标准不一，其在实际工程中的适用性还有待进一步研究。因此，基于现场空芯包体法和室内岩石力学试验，结合现有的应力判据法对草果山隧道进行施工期岩爆预测研究，再根据现场观测对应力判据法的适用性进行探讨。

1 工程概况

草果山隧道为蔓耗至金平高速公路的最长分离式隧道，草果山隧道起讫桩号：左线ZK33+947.04-ZK40+952，右线YK33+955-YK40+960。隧道全长7005m，为特长隧道，海拔高程介于1125.074～2126.000m 之间，相对高差1000.926m，最大埋深903.8m。

属构造剥蚀高中山地貌区，隧道区地形起伏大，地表植被发育，以乔木、松林及农田为主，隧址区岩性以二长岩、花岗岩为主，隧道地形和地质简图见图1。

2 基于现场试验数据的岩爆预测分析

岩爆的形成与发生机制复杂，对工程危害极大。而岩爆预测能够针对岩爆防治工作提供关键信息，是指导施工的依据。为能够对草果山隧道岩爆发生情况进行准确预测，利用空芯包体应力解除法对隧道已开挖工作面的地应力进行实测。因隧道较长施工段较多，且试验方法相同，拟采取隧道沿线五个工况点的现场试验数据及现场观测对应力判据的适用性进行验证，如图1 所示。

表1 应力判据表

图1 草果山隧道地质简图及拟预测的测点布置情况

2.1 岩爆应力判据

目前国内外的应力岩爆判据有Russense 判据、Hoke 判据、Barton 判据、陶振宇判据、王兰生判据，各个判据的标准及岩爆等级划分如表1 所示[11-12]。

2.2 基于现场试验数据的岩爆判据计算

根据弹性力学公式[13]，对上述应力判据所涉及到的参数进行计算，平面主应力可表示为：

上式：σ1——最大水平主应力（MPa）；σh——为最小水平主应力（MPa）

上式：α——最大水平主应力与隧道走向的夹角；σv——竖向主应力；σmax——横截面最大主应力；σθ——洞壁最大切向应力。

通过对现场的测点进行空芯包体法测量地应力，各测点对应的应力分量值表如下：

表2 各测点应力分量值

表3 对应测点的抗压强度

基于本隧道段岩样室内岩石力学试验测试成果，结合草果山隧道地质资料，得到对应测点处的抗压强度，即应力判据中Rc的参考取值，如表3 所示。

基于现场所测得的应力分量值，代入以上公式可得σθ和σ1，对现场测点进行不同应力判据的岩爆预测，预测结果如下：

表4 各测点在不同判据下的岩爆预测结果

由上表可知，对同一测点下，不同应力判据所得到的岩爆等级有所差异，例如对于测点K39+440 处，Russenes 和陶振宇判据得出中等岩爆结论，王兰生判据的结论为轻微岩爆，Hoek 和Barton 判据未给出明确的岩爆等级。

3 现场岩爆实际观测对比分析

结合K35+140、K35+506 工况点附近的实际观测情况来看，无任何岩爆发生的现象，因此判定为无岩爆发生；左洞出口k36+184 断面附近岩爆发生时主要表现特征为：响声大而急仅三声，间隔时间2 分钟，总共持续10 分钟。响声后出现了开裂、掉块现象。掉块影响范围长约2 米，高约2 米，深度约10-30 厘米，方量约1-2 立方米。根据岩爆发生的现象以及特点，判定该工况点附近发生中等岩爆；左洞出口k39+175 右壁附近岩爆发生时主要表现特征为：响声大而急，间隔时间5-10 秒，有时间隔时间为30 分钟，总共持续2 小时。响声后出现开裂、掉块现象。掉块影响范围长约3 米，高约2 米，深度约10-30 厘米，方量约1-2 立方米。判定该断面附近发生中等岩爆；右洞出口K39+460-K39+440 断面附近岩爆发生时主要表现特征为：连续三天均发生岩爆，每日持续3-5 小时。共有13 次响声，5 次掉块，最小掉块直径约10-12 厘米，最大约30 厘米。判定该断面附近发生轻微岩爆；对比分析各测点附近应力判据和现场实际观测所得到的岩爆等级可知，王兰生和陶振宇判据更加符合草果山隧道以及与草果山地质情况相近的高地应力区的隧道工程的实际情况。

4 结论

本文基于现场试验数据，用已有的应力判据对草果山隧道在开挖过程中可能会发生的岩爆情况进行预测，再结合现场实际开挖过程中所观测到的岩爆实际发生情况进行对比分析可知，现有的几种应力判据中，对于本公路隧道，王兰生和陶振宇判据预测的岩爆倾向性和现场开挖过程中实际观测到的岩爆等级更加接近，因此建议在相似工程高地应力区使用应力判据对待开挖隧道进行岩爆预测时，优先考虑使用王兰生和陶振宇判据。