深埋花岗岩隧道岩爆灾害微观断裂机制分析

陈 毅

(上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200434)

随着西部大开发持续推进，国内开展了大量的隧道工程建设，隧道年均增长率高达24%，且逐年加快[1-4]。目前，隧道建设主要集中于高大山区及西部高原地带，施工环境岩性坚硬且埋深大，高温高地应力特征显著，导致开挖时经常发生岩爆灾害[5-9]。岩爆灾害是深埋隧道开挖过程中危害性极大的地质灾害之一[10-12]，特别是对于深埋硬岩隧道开挖施工过程，岩爆灾害发生更加频繁。由于岩爆发生过程随机、突然和剧烈[13-15]，当前技术手段很难精确预警[16-17]，突然爆发将会毁坏机械设备，威胁生命安全，延误施工进度，造成大量经济损失，影响隧道正常施工。因此，本文通过对深埋花岗岩隧道岩爆岩石开展室内微观试验，并结合现场岩爆地质资料，对深埋花岗岩隧道岩爆岩石矿物成分及微观断裂破坏机制进行了研究，此研究结果对后续隧道施工进度、施工安全以及岩爆预测预警有重要的学术及工程指导意义。

1 工程概况及试验方案

1.1 工程概况

深埋花岗岩隧道单线总里程13 073 m，最大埋深2 080 m，埋深超1 km以上洞段约9.5 km，占隧道总里程的72.5%，属于典型的深埋隧道，如图1所示。结合表1监测区域岩爆发生情况可知，监测区域(4 500 m)发生岩爆段落总里程数为823 m，占比约18.29%。隧道开挖区域轮廓为马蹄形，高约8.9 m，底板宽约7.2 m，掌子面及围岩开挖区域包括拱顶区、拱肩区、拱脚区以及中间区域，如图2所示。

图1 隧道开挖线路分布

表1 隧道监测区域岩爆段落总里程统计

图2 隧道开挖面及分布示意图

隧道施工环境温度达35℃～40℃，开挖区域多数洞段地应力高，根据现场实测情况可知，埋深1 km以上洞段最大主应力约45 MPa～58 MPa。而隧道岩性为极硬花岗岩，围岩结构完整或较完整，导致开挖过程中经常发生岩爆灾害，严重威胁机械设备和工作人员安全，极其影响施工进度与工作效率，造成大量经济损失，如图3所示。

图3 隧道典型岩爆案例及损坏设备

1.2 试验方案

为了研究深埋花岗岩隧道岩爆岩石矿物成分及微观断裂破坏机制，在图1所示不同岩爆位置取样，密封保存后拿回实验室做SEM扫描分析和XRD成分分析研究。根据现场岩爆发生区域岩石特征可知，岩爆区岩石可分为含充填物岩石和不含充填物岩石2类，如图4所示。因此，取样时分别从不同岩爆位置选取5份不含填充物岩块和3份含填充物岩块进行试验。制样时，每个岩爆位置分别制作一份标准样品做XRD分析，共计8份，制作2份标准样品进行SEM扫描试验，共计16份。所有试验均在中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室完成，SEM扫描试验采用Quanta250型显微镜，其放大倍数主要为200、800、2 000和5 000，能清晰观察到岩爆岩石样品破坏的微观形貌特征。XRD分析采用X-射线衍射仪，其可用于室内的物相检索与定量分析。

图4 隧道岩爆区域爆落岩块展示

2 岩爆岩石矿物成分分析

表2为岩爆岩石矿物物相定量分析结果，由表可知，岩爆区不含充填物花岗岩矿物组成主要为石英、钠长石与钙长石、最大微斜长石和少量黑云母，含充填物花岗岩矿物组成主要为石英、钠长石与钙长石、最大微斜长石、斜绿泥石和极少量黑云母。由此可看出，岩爆区岩石矿物成分主要为石英、钠长石与钙长石、最大微斜长石、黑云母和斜绿泥石，充填矿物成分主要为软弱矿物斜绿泥石，说明充填矿物的存在降低了岩爆岩石强度。对比花岗岩与充填物各物相含量变化，斜绿泥石产生主要原因可能是长石和黑云母发生绿泥石化所致。

表2 岩爆岩石矿物成分相对含量统计

根据现场岩爆监测情况可知，相对于花岗岩不含充填物区段，花岗岩岩体含较多充填物区段岩爆发生次数明显减少，岩爆发生强烈等级明显降低。因此，岩爆岩石矿物成分中斜绿泥石含量对岩爆发生特征影响最大，这可能是由于斜绿泥石的存在降低了岩体整体强度及稳定性，导致岩爆风险降低。

3 岩爆岩石微观断裂机制分析

3.1 岩爆岩石微观形貌特征

岩石在不同应力条件作用下，会发生不同形式的断裂破坏，其破坏后的断口形貌特征差异明显，可用来判定岩石破坏过程力学机制。通过对现场所取8组样品薄片进行SEM试验，共得90余幅不同放大倍数下岩爆破坏区岩石断口微观形貌照片，限于篇幅选取特征明显的岩石微观形貌照片进行具体分析。图5为岩爆岩石断口典型微观形貌特征，由图5可以看出，岩爆岩石断口不平整，棱角分明，表面可见大量微裂隙分布，节理发育，晶体内部存在溶蚀孔洞，决定着岩石内部结构紧密程度。不含充填物岩石晶体内部孔洞数量较少，岩石结构致密，晶体堆积紧凑，含充填物岩石晶体内部孔洞较多，岩石结构较紧密，晶体堆积松散。

图5 岩爆岩石微观形貌

由以上分析可知，隧道岩爆破坏区岩石内部含有大量的微裂隙与微孔洞，在各种施工扰动情况下，岩石内部应力随机聚集或重分布，导致岩石破裂时产生多种形式的微观断口形貌花样。

图6为岩爆区不含充填物岩石断口代表性微观形貌花样，由图6可以看出，岩石断口主要花样有：台阶状花样(见图6(a)和图6(e))、河流状花样(见图6(d))、鱼骨状花样(见图6(b)和图6(c))、蜂窝状花样(见图6(f))、条纹花样(见图6(a)、图6(c)和图6(d))、平行滑移线花样(见图6(b))、平整面花样(见图6(g))、蛇形滑动花样(见图6(h))。

图6 岩爆区不含充填物岩石断口典型微观形貌花样

图7为岩爆区含充填物岩石断口代表性微观形貌花样，由图7可知，岩石断口主要花样有台阶状花样(见图7(a))、河流状花样(见图7(c))、鱼骨状花样(见图7(d))和平行条纹花样(见图7(b))。

图7 岩爆区含充填物岩石断口典型微观形貌花样

3.2 岩爆岩石微观断裂破坏机制分析

通过对岩爆岩石进行SEM扫描分析可知，隧道岩爆破坏区岩石断口的微观断裂方式主要有穿晶断裂和沿晶断裂，其中，不含充填物岩石微观断裂机制主要为拉剪混合破坏，少数为单独的拉破坏或剪破坏，而含充填物岩石微观断裂机制主要为张性破坏，少数为剪切破坏。结合岩石矿物成分分析，软弱充填物的存在使岩石结构发生改变，受力破坏时主要沿软弱充填结构面发生张性或剪性破坏，而没有充填物的岩石受力破坏时主要沿岩石内部微结构面发生无规则拉剪混合破坏。

根据断裂力学理论[18]，岩石内部存在大量微裂隙，当受到外界作用力影响时，微裂隙附近发生应力集中，继续受力达临界时，微裂隙尖端起裂、扩展，释放应变能，裂纹尖端应力重新调整分布，不断结核、扩展形成新的裂隙，随着施工扰动及应力挤压逐渐贯通其他节理或岩体，导致宏观断裂。当裂纹扩展所释放弹性应变能大于形成新裂纹所需表面能时，岩石会发生突然断裂，剩余弹性应变能将转化为动能，使岩块弹射，形成岩爆。换言之，岩爆形成过程可认为是岩石微裂隙结核、起裂、扩展，若扩展过程中遇节理面，则突然加速扩展贯通岩体或在节理面尖端或交汇处附近突然断裂，弹性能猛然释放，岩块弹射，岩爆发生，其影响深度及范围由节理面特征决定。

综上分析可知，深埋花岗岩隧道岩爆岩石表面节理发育，内部存在大量微裂隙，岩爆发生微观断裂机制为：隧道开挖过程中，打钻、爆破和排险等施工扰动使围岩应力调整或重分布，岩体内部节理面尖端附近或节理面交汇处应力集中，随着施工扰动不断产生新的张剪裂隙并快速扩展贯通临空面岩体，造成临空面岩石突然断裂、脱落或弹射，导致岩爆发生。岩爆岩石断口形态呈台阶状、河流状、蜂窝状和平行条纹状等混合花样，断裂方式主要为节理断裂和沿晶断裂的耦合，断裂机制主要为脆性张剪混合破坏。

4 结 论

本文通过室内SEM试验和XRD试验，结合现场岩爆地质资料，对深埋花岗岩隧道岩爆岩石矿物成分及微观断裂破坏机制进行了分析，得出的主要结论如下：

(1) 深埋花岗岩隧道岩爆岩石微观断裂机制主要为拉剪混合破坏，少数为单独的拉破坏或剪破坏，而当岩爆岩石含充填物时，微观断裂机制主要为张性破坏，少数为剪切破坏。

(2) 深埋花岗岩隧道岩爆岩石矿物成分主要为石英、钠长石与钙长石、最大微斜长石、黑云母和斜绿泥石，岩石内充填物成分主要为斜绿泥石。

(3) 深埋花岗岩隧道岩爆发生微观机制为，隧道开挖过程中，打钻、爆破和排险等施工扰动使围岩应力调整或重分布，岩体内部微裂隙尖端附近应力集中，随着施工扰动快速扩展贯通，岩石突然断裂、脱落或弹射，岩爆发生。