鸿图嶂特长公路隧道岩爆预测与防治对策研究

2022-04-04谢卓雄高筠涵王志伟

公路工程 2022年1期

谢卓雄, 高筠涵, 王志伟, 汪波

(1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507； 2. 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)

1 工程概况

鸿图嶂隧道位于广东省丰顺县和五华县境内，是大(埔)丰(顺)(五)华高速公路的控制性工程，隧道穿越中低山地貌区，地面标高243～1037m，相对高差约794m，山体植被发育。隧道设计为双向分离式，双线中心间距约40m；隧道全长6175m，隧底标高239～358m，隧道最大埋深约740m，如图1所示。

图1 隧道纵断面图

隧道设计行车速度100 km/h。隧道准断面净宽约11.8 m，净高约7.2 m(见图2)。隧道按新奥法设计和施工。隧址区岩性以花岗岩为主，岩体完整性好，强度高。受区域构造影响，隧址区原岩应力场以水平应力场为主，且随深度变化，各不相同，深埋段岩体因受高围压作用，隧道开挖引起洞周应力重分布后，可能产生的岩爆将危及洞内施工人员和设备的安全。因此，为了充分保证施工的安全性，对鸿图嶂隧道进行岩爆预测研究具有重要的工程的指导意义。

图2 隧道断面图(单位: mm)

2 隧址区岩性及应力场特征

2.1 隧址区岩性特征

隧址区岩性主要为燕山早期花岗岩和侏罗系安山玢岩，呈灰白、浅肉红色，中～粗粒花岗结构，块状构造，隧道区基岩表部覆盖有第四系残坡积层。洞身主要穿过微风化新鲜花岗岩，局部穿越小型断裂带，岩石强度高、性脆，据室内试验测得隧址区花岗岩饱和单轴抗压强度平均值Rc约为90 MPa，与单轴抗压强度平均值相近，设计中划定为Ⅱ级围岩。

2.2 隧址区应力场特征

为准确获取隧址区原始地应力场状况，隧道勘测过程中采用水压致裂法在隧道轴线附近最大埋深部位进行了地应力场测试，测试情况如表1所示。

根据表1中的地应力测试结果可知，隧址区水平向主应力占主导地位，最大主应力位于隧道洞身位置，量值σhmax为23.2 MPa，应力方向N62°E，与隧道轴线约为43°，经换算后，垂直隧道轴线方向水平最大应力值σmax取19.1 MPa，与铅直向应力值较为接近，同时比较其他埋置深度下垂直隧道轴线的竖向与水平应力场的侧压力系数(见表1)可知，侧压力系数接近于1.0，即隧道近似处于静水压力场状态。

表1 鸿图嶂隧道地应力测试表Table 1 Hongtuzhang tunnel in-situ stress test table孔深/m最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPa铅直应力/MPa最大水平主应力方向隧道轴线方向夹角/(°)隧道轴线方向水平应力/MPa垂直隧道轴线方向水平应力/MPa侧压系数2708.55.76.4N74°E105317.16.41.037414.19.410.1N74°E1053112.910.61.0550422.914.813.6N74°E1053120.816.91.24606.218.911.916.4N67°E1053816.214.60.89680.520.313.018.4N65°E1054017.316.00.87703.823.215.519.0N62°E1054319.619.11.0 注:1.破裂压力、重张压力和关闭压力为测点孔口压力值;垂直应力取容重为0.027 MN/m3进行计算;2.稳定水位约在孔深228 m处。

结合我国《工程岩体分级标准》(GBT50218-2014)中对于地应力场等级的划分如下：Rc/σmax极高地应力<4，高地应力4～7，一般地应力>7，其中Rc为岩石单轴抗压强度，σmax为工程区最大主应力。计算得Rc/σmax在4～7之间，即鸿图嶂隧道属于高应力场区，开挖过程中可能发生岩爆危害。

3 鸿图嶂隧道岩爆预测分析

岩爆预测问题极为复杂，目前国内外还没有一整套成熟的理论与方法，目前有多种岩爆预测方法，但归结起来分2类：一类为理论法，另一类为实测法。设计阶段多以理论法为主进行，所谓理论法，即利用已建立的岩爆各种判据和指标，结合岩体力学指标或根据工程区地形地质条件、理论分析取得工程场区的地应力值，进行岩爆预测的方法。目前理论法中最为常用的为应力判据法(见表2)。

表2 岩爆判据表Table 2 Criteria for rock burst判据无岩爆轻微岩爆中等岩爆强烈岩爆卢森判据σθ/Rc<0.20.2-0.3(含0.2)0.3-0.55(含0.3)≥0.55陶振宇判据Rc/σ1>14.514.5～5.55.5～2.52.5王元汉判据σθ/Rc<0.30.3-0.5(含0.3)0.5-0.7(含0.5、0.7)>0.7

从表中可以看出，虽不同判据界限值有所差异，但各判据均主要考虑2个因素：洞壁最大主应力或切向应力和岩石单轴抗压强度。考虑到埋深是影响应力值大小的重要因素，故本文首先依据侯发亮教授提出的仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生的临界深度公式(1)对鸿图嶂隧道发生岩爆的临界深度做大致预判如下：

(1)

式中:Rc为岩石单轴抗压强度；μ为岩石泊松比；γ为容重。依据地勘资料取Rc=90 MPa，μ=0.25，γ=0.027 MN/m3。

经式(1)测算得Hcr=397.5 m，也即鸿图嶂隧道在埋深大于397.5 m时可能存在岩爆活动。

为准确预测鸿图嶂隧道可能产生的岩爆危害，结合表2中的不同判据对隧道开挖过程中可能发生的岩爆状况进行综合预测是非常必要的。为此，根据不同埋深段的应力场分布情况，采用数值分析手段对鸿图嶂隧道开挖后岩体应力场重分布情况进行了研究，建立的数值分析模型如图3所示，计算中采用的物理力学参数如下：花岗岩岩石重度27 kN/m3,弹性模量E为5.44×104MPa,泊松比μ为0.26,内聚力C为5.4 MPa,内摩擦角45°。

图3 数值分析模型

通过分析，获取了不同埋深情况(即不同应力场分布)下的围岩最大主应力σ1和切向应力σθ分布云图(图中单位为MPa)。如图4所示。

从图4中可以看出，随着埋深增大(即地应力场增大)，围岩的最大主应力与切向应力随之增大。由于隧道并未设计仰拱，隧道轮廓线型发生突变，在拱脚处易产生应力集中，但根据以往工程经验，拱脚通常不会产生岩爆现象，由此最大应力的提取点应不考虑拱脚附近位置。

(a) 埋深270 m

根据应力分布云图和相关数据获得了不同埋深条件下最大主应力与切向应力如图4所示，根据图4并结合表2中的岩爆应力判据法，获得了鸿图嶂隧道不同埋深条件下应力强度比，见表3。

表3 不同埋深条件下岩爆各判据的应力强度比Table 3 Stress intensity ratio of each criterion of rockburst under different burial depth conditions选取的计算断面隧道埋深/mσθ/MPaσ1/MPaσθ/RcRc/σ1ZK90+54527014.514.60.166.16ZK90+64837422.522.50.254.00ZK91+51950427.827.80.313.28ZK92+02560639.338.00.442.37ZK92+82868144.443.50.492.07ZK93+28470443.343.30.482.08

依据表2中的岩爆发生判据指标，预测各埋深条件下岩爆发生烈度如表4所示。

根据表4，结合式(1)的计算结果，综合得出鸿图嶂隧道不同埋深条件下岩爆发生烈度情况如下：350 m以下无岩爆发生，350～500 m将可能产生轻微岩爆，500 m(含)以上将可能产生中等岩爆。

综合鸿图嶂隧道各区段的埋深状况，预测各区段可能发生的岩爆烈度如表5所示。

表4 不同埋深条件下岩爆发生烈度Table 4 Rockburst intensity at different burial depths选取的计算断面里程隧道埋深/m卢森判据σθ/Rc陶振宇判据Rc/σ1王元汉判据σθ/Rc综合判断ZK90+545270无岩爆轻微岩爆无岩爆无岩爆ZK90+648374轻微岩爆中等岩爆无岩爆轻微岩爆ZK91+519504中等岩爆中等岩爆轻微岩爆中等岩爆ZK92+025606中等岩爆强烈岩爆轻微岩爆中等岩爆ZK92+828681中等岩爆强烈岩爆轻微岩爆中等岩爆ZK93+284704中等岩爆强烈岩爆轻微岩爆中等岩爆

表5 计算区段岩爆最终预测结果Table 5 Calculates the final predicted results section rockburst岩爆发生的类型范围岩爆可能发生部位(可能性从高到低排序)无岩爆发生ZK89+353～ ZK90+728ZK94+110～ ZK95+528—轻微岩爆ZK90+728～ ZK92+224边墙、拱顶、拱肩中等岩爆ZK93+641～ZK94+110ZK92+224～ZK93+641边墙、拱顶、拱肩

从表5中可以看出，鸿图嶂隧道轻微岩爆和中等岩爆均可能发生，轻微岩爆发生于ZK90+728～ ZK92+224，中等岩爆发生于ZK93+641～ZK94+110、ZK92+224～ZK93+641区段范围，发生部位主要在边墙。

4 鸿图嶂隧道岩爆防治对策

鸿图嶂隧道岩爆防治按照“安全第一、全面设防、防治结合、多种手段、综合治理”的原则进行设计，施工中岩爆防治从改善围岩洞周应力状态与变形特性、逐步释放围岩储存的应变能、改变围岩物理力学性质和对围岩进行加固等几个方面入手。

具体如下：

a.改善围岩物力性能：对于轻微～中等烈度的岩爆地段应在掌子面和洞壁经常喷洒冷水，一定程度上降低表层围岩的强度。中等～强烈烈度的岩爆地段可采用超前钻孔向岩体深部高压注水，该方法可以通过3方面作用来防治岩爆：一是可以释放应变能并将最大切向应力向围岩深部转移，二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度，三是高压注水产生了新的胀裂隙并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。

b.改善围岩应力条件：根据目前国内施工实践经验，岩爆地段采用钻爆法施工时，应采用短进尺掘进，减小药量，控制光爆效果，以减少围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈岩爆段，必要时采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度。在中等～强烈和以上烈度的岩爆地段还应结合采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。

c.加固围岩：针对鸿图嶂隧道可能出现的岩爆等级，结合工程类比设计了岩爆地段加固处理措施(如图5、表6所示)。

图5 鸿图嶂隧道防岩爆支护参数图

表6 鸿图嶂隧道防岩爆支护参数表Table 6 Hongtuzhang Tunnel rockburst support parameter table 岩爆等级预留变形量/cm喷射砼C25砼/cm锚杆钢筋网二衬仰拱厚度直径/mm长度/cm锚杆布置/cm直径/mm钢筋布置/cmC30砼/cm钢筋/(根·m-1)喷C25砼/cmC30砼/cm掌子面加固喷C25砼/mm轻微岩爆510Φ22药卷锚杆250100×100(拱墙)Φ620×20(拱墙)35————中等岩爆515Φ25端头胀壳预应力中空注浆锚杆300100×100(拱墙)Φ820×20(拱墙)35———必要时喷混5 cm

从表6中可以看出，较之于轻微岩爆，中等岩爆区锚杆类型和间距发生了改变，建议采用胀壳预应力中空注浆锚杆，隧道开挖后利用该类型的锚杆可快速对洞壁施加径向力，以改善围岩应力条件，减弱岩爆发生烈度与范围。同时中等岩爆段喷射砼的厚度也相应增加，以起到较好的防治岩爆的效果。