深埋隧洞高地应力岩体破坏型式研究及防治措施

王琛涛

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

随着我国隧道建设的高速发展，穿越复杂地质条件下隧道越来越多，其“长、大、深”隧道是未来发展的趋势。中国西部地区蕴藏着十分丰富的矿产资源、水能资源，国家“十四五”规划中的重大工程多数在西部地区。西部地区隧道与地下工程穿越的地质体多经过活动强烈的地质构造，其地质结构复杂、地应力高，隧道发生的岩爆、大变形等地质灾害风险性高，施工处理措施不全，往往会发生坍塌、变形，导致支护结构破坏、侵占断面，甚至造成机械设备损坏，人员伤亡，延误工期，增加工程投资，给施工带来预想不到的困难。深埋隧洞高地应力岩爆、大变形、围岩失稳破坏已经成为制约地下工程施工的重要地质灾害。研究区域构造应力场背景和深部岩体内的原始地应力场空间分布形态与特征，对岩体产生破坏力学机制成因分析及相应的防治具有重要的理论和实际意义。本文依托新疆YEGS二期供水工程XE隧洞深埋隧洞高地应力岩体破坏型式及破坏机制进行分析研究，并提出相应的防治处理措施，可为类似工程的勘察设计施工提供经验与指导。

1 区域构造应力场背景研究

中国西部地区构造应力场的形成与板块运动有着密切的联系。中生代以来，随着印度板块向北东方向的推进，使我国西部地区形成一系列向北东突出的弧形构造，由此奠定了中国西部地区活动构造和地应力场的基础。印度洋板块陆壳与欧亚板块的碰撞大致开始于始新世，随着板块陆壳的碰撞，强烈的构造运动和岩浆活动，导致我国西部地区的地质地貌发生了大规模的变革，这一构造变动不仅强烈地变革了西藏地区，而且对西南、西北地区也有强烈的影响，这种变形作用在西南地区从东往西，在西北地区由北到南都变得强烈。印度板块与欧亚板块碰撞的结果是产生扇形辐射状应力场(如图1所示)，对西部地区构造应力场起到主导作用。

图1 中国地应力场分布图

在这一应力场作用下，我国西部地区形成了大规模的弧形断层系(如图2所示)，这些断层系也因受此应力场作用而发生大规模的水平滑动，西部地区存在着2个不同级别的现代构造应力场，印度板块与欧亚板块碰撞产生的应力场被称作一级应力场，另外是受大型走滑断裂活动的影响所产生的二级应力场。西部地区现代地应力场的显著特点是以水平挤压应力占优势，主压应力方向具有分区性，应力状态复杂。受到近南北方向的挤压作用，天山南北两侧及邻近地区以压应变为主，主压应力方向与山脉走向基本正交，天山及邻近地区应变场的主压应变优势分布方向为NNW向，西北部的二级应力场表现为南北—北北东向。

图2 中国大地区域构造略图

2 工程背景

2.1 工程概况

XE工程是YEGS二期供水工程重要组成部分，采用隧洞+倒虹吸+输水渠涵的方式进行输水，输水线路总长148.246km，隧线占比高达95.0%，隧洞总长140.7km，分为5条隧洞，其中1#隧洞位于首部，全长72.89km，隧洞中部穿越阿尔泰山南麓中山区，隧道埋深400～720m，深埋隧洞约16km，采用3台Φ7.8m开敞式硬岩掘进机TBM和钻爆法相结合进行开挖，单台TBM掘进长度为15.5～22km，纵坡为i=1/2310。

2.2 隧洞基本地质条件

1#隧洞中段位于侵蚀构造中山区阿尔泰山南坡一带，海拔高程1000～1650m，地形起伏较大，高差300～500m，山顶多呈侵蚀夷平面，基岩大多裸露，局部地表分布有第四系洪积和风积物。隧洞岩性为奥陶系中上统哈巴河组黑云母石英片岩、二云石英片岩；华力西期变质黑云母花岗岩夹闪长岩、黑云母斜长花岗岩、片麻状花岗岩、混合岩化花岗岩、黑云母斜长混合片麻岩等。隧洞内发育多条次级小断层，断层主要以NW向为主，其次NE向断层，断层规模一般5～30m不等，断层构造对隧洞稳定影响较大。隧洞大部分洞段为贫水区，地下水活动状态以渗水、滴水为主，局部线状流水。

3 隧洞地应力分析与岩爆预测

3.1 地应力测试及分析

工程勘察前期对1#隧洞深埋段3个钻孔内进行了水压致裂法地应力测试，见表1。

表1 钻孔地应力测试结果表

根据钻孔地应力测试成果，测试范围内实测最大水平主应力为7.2～21.6MPa，最小水平主应力为4.6～15.0MPa，铅直应力为3.1～18.0MPa。最大水平主应力方向主要为N31°～58°W，即NW向，与区域构造应力方向上有所不同，分析认为测区位于海琉-冲乎-盐池断裂与冲乎尔-塔尔浪断裂交汇区，海琉-冲乎-盐池断裂走向呈NWW-NW，南段与山前NWW向断重合，北段以右旋走滑运动为主，控制海流滩第四纪盆地和冲乎尔第四纪盆地；冲乎尔-塔尔浪断裂走向呈NWW-NW，运动性质为右旋逆走滑，地应力场受局部构造影响较大，地应力场方向与NWW-NW向海琉-冲乎-盐池断裂与冲乎尔-塔尔浪断裂右旋逆走滑断裂吻合。主应力方向基本平行或小角度相交于隧洞轴线(N48°W)。

洞身围岩Rc/σmax(σmax为垂直于洞轴线方向的最大初始应力)分别为3.2、2.8、3.5，依据GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》，隧洞岩体地应力分级属于高地应力。

3.2 岩爆预测分析

岩爆是指在高地应力状态下坚硬岩体弹性变形能突然释放所发生的脆性破裂现象。隧洞围岩岩性为华力西晚期侵入变质花岗岩、黑云母斜长片麻岩、闪长岩及奥陶系二云母石英片岩等，为中-坚硬岩，岩石具有片麻理、片理结构，隐节理发育，片理产状与主压应力方向大致相同或交角很小，地下水贫乏，具备发生岩爆的地质条件。

目前国内针对岩爆判据有岩石强度应力比法(国标GB判据)、岩石应力强度比(Hoek判据)、Turchaninov判据、Russenes判据、二郎山隧道判据、陶振宇判据、Barton判据、脆性判据和弹性变形能指数Wet经验判据，本次岩爆预测分析，采用岩石强度应力比法、Hoek判据、Turchaninov判据3种方法进行定性的岩爆预测。

(1)岩石强度应力比法(见表2)

表2 岩石强度应力比法表

根据岩石强度应力比法，轻微岩爆段临界埋深500～550m，个别埋深达到650m，岩石强度应力比值4.0～7.0，中等岩爆临界埋深500～750m，岩石强度应力比值3.2～3.9。

(2)岩石应力强度比法(见表3)

表3 岩石应力强度比法表

根据岩石应力强度比法，轻微岩爆段临界埋深510～580m，个别埋深达到700m，岩石应力强度比值0.3～0.47，中等岩爆临界埋深550～650m，岩石强度应力比值0.5～0.58。

(3)Turchaninov判据(见表4)

表4 Turchaninov判据

Turchaninov岩爆判别法是根据科拉岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应力σθ和轴向应力σL之和与岩石单轴抗压强度Rc之比值确定，根据实测的最大、最小水平主应力值及其方向以及垂直方向应力值，按下式计算隧洞横断面上的应力分量：

隧洞周边围岩切向应力以圆形洞近似估算，洞顶和边墙中点的应力状态为：

式中，(σθ)顶、(σθ)边—隧洞洞顶和边墙中点的切向应力。

根据洞室切向应力和轴向应力之和与岩石单轴抗压强度比值计算，无岩爆临界埋深210～250m，个别临界埋深410m；有岩爆及肯定发生岩爆临界埋深500～590m，个别临界埋深700m。

通过3种方法进行岩爆预测分析，岩爆的等级与岩石强度及最大水平主应力息息相关，1#隧洞埋深200～550m具备发生轻微岩爆，埋深大于550m具备发生中等岩爆。

4 隧洞岩体破坏型式研究

1#隧洞深埋段处于高地应力场区，根据现场已揭露隧洞岩体的特性及围岩失稳机制类型进行岩体破坏型式研究。岩体的稳定性受控于地应力作用下形成的各个结构面和现今地应力场与岩体的相互关系。高地应力下岩体的力学行为和岩体自身复杂的地质结构使得深埋隧洞围岩在开挖过程中表现出复杂多变的破坏现象，坚硬脆性岩体破坏模式可分为脆性破坏、松弛破坏，中硬-软弱岩体以塑性变形破坏为主，典型破坏型式大致可分为10种，如图3所示和见表5。

表5 破坏机制、深埋隧洞岩体的典型破坏模式

图3 围岩典型破坏型式分类

根据现场地质编录资料统计分析，1#隧洞深埋隧洞段TBM2已施工开挖长度12.2km，受高地应力岩体破坏造成的围岩失稳，形成坍塌、塌方多达159处，具体破坏形式所占比例如图4所示，现对破坏型式进行分析总结，并提出相应防治处理措施。

图4 隧洞围岩典型破坏型式统计

4.1 岩爆

岩爆是硬质脆性岩体內聚集大量弹性应变能，由于施工开挖扰动，使得地应力分异调整，围岩应力能量进一步积累超过岩体承载能力突然释放，产生张-剪脆性破坏的结果。根据现场大量的岩爆微震监测预警资料(464期、长度约4.0km)及现场地质复核，隧洞发生中等岩爆临界埋深约600m，比前期岩爆预测深度略深50～100m。现场发生中等岩爆共62处，以构造应变型和强度应力型为主，构造应变型岩爆数量39处，强度应力型岩爆23处。强度应力型岩爆主要发生在坚硬、完整变质花岗岩洞段，岩体压应力集中区内的弹性应变能积累水平超过围岩的承受能力后直接导致的围岩破坏，往往破坏发生位于距掌子面后方3倍洞径范围内，具有时滞性，多形成“V”字型爆坑，发生区域主要集中在顶拱两侧环向11～1点钟方向，破坏宽度1～2m，径向深度0.3～1.0m。构造应变型岩爆主要发生在坚硬、较完整黑云母斜长片麻岩洞段，岩石内部存在片麻理结构，片麻理产状与主构造线形迹一致NW向，与最大水平主应力小角度相交，隧洞开挖后，围岩应力调整沿片麻理结构面积聚的能量升高，集中应力达到岩石强度的临界值时，裂纹尖端开始扩展，形成新的裂纹，同时释放出应变能产生的围岩破坏，岩爆发生多以及时性为主，隧洞开挖后即发生岩体破坏，而后岩体内裂纹增多，进而发生持续性破坏。发生区域主要集中在顶拱两侧环向10～2点钟方向，破坏宽度2～4m，径向深度0.3～1.0m。

TBM施工洞段岩爆防治措施：①降低掘进速度，加大刀盘喷水量，对已揭露围岩进行洒水，软化围岩，降低岩爆发生几率和强度等级；②针对轻微岩爆洞段可采用砂浆锚杆+挂网+喷混凝土处理；③针对中等-强岩爆洞段采用预应力或涨壳式锚杆+挂网+喷纤维混凝土+钢拱架处理，施作径向及超前应力释放孔；④强-极强岩爆洞段采用上导洞钻爆法+主洞TBM开挖方案。

4.2 张裂、劈裂剥落

高地应力硬脆岩体、层状岩体压应力和拉应力集中导致的张拉破坏，主要破坏形式有片帮、弯折内鼓、结构面拉裂、结构面剪切张裂，现场统计破坏数量多达44处。

片帮剥落主要发生在坚硬、完整变质花岗岩洞段，岩石内部存在微裂隙、微裂纹，在切向集中应力作用下发生劈裂拉伸，缓慢释放岩体弹性势能，无声响和弹射现象，多呈薄片状或板状破裂，集中两侧拱肩及边墙部位，环向宽度0.5～2m，影响深度0.1～0.3m。

弯折内鼓主要发生在黑云母石英片岩洞段内，黑云母石英片岩具有薄层-中厚层状，走向与隧洞轴线小角度相交，倾角50°～60°，倾向左侧洞壁。隧洞开挖后左侧边顶拱处及右侧底拱处在偏压应力的影响下，切向应力往往超过岩体的抗拉强度，导致岩体沿片理面发生弯折内鼓破坏，多形成片状、板状破裂，集中在左侧边顶拱处及右侧底拱部位，环向宽度1～3m，影响深度0.2～0.5m。

结构面拉、剪张裂主要发育在黑云母斜长片麻岩洞段，岩体具片麻理结构，明暗矿物定向排列，局部结构面附着大量黑云母。隧洞开挖后，结构面上下的法向应力减小，切向应力集中导致结构面的剪应力超过抗剪强度，形成剪切-张拉破坏，多形成板状、块状塌落，主要顶拱及两侧拱肩部位，环向宽度2～4m，影响深度0.2～0.5m，个别达1m。

防治措施：①对松动剥落岩体予以清除；②采用砂浆锚杆+挂网+喷混凝土处理，必要时可采取预应力或涨壳式锚杆及钢拱架进行支护。

4.3 构造型松弛破坏

高地应力下岩体构造松弛破坏主要破坏形式有断层破碎带塌方和裂隙组合形成的塌方，现场统计破坏数量多达51处。

断层破碎带塌方主要发生在隧洞揭露的断层破碎带及影响带周边，受构造活动动力地质作用的影响，岩体内部发生位错以及动力变质作用，岩体强度低，围岩自稳能力弱，隧洞开挖后，在重力及地下水侵蚀破坏作用下，围岩迅速失稳。其影响程度一般与断层破碎带和影响带的规模以及断层走向与隧洞夹角有关，规模较大的断层会增加TBM卡机风险。TBM2施工洞段共揭露12条断层，断层规模均较小，破碎带宽度一般0.5～2m，影响带2～3m，沿断层破碎带均发生塌方事故，影响宽度最大达6～7m，深度1.5～3.0m。

裂隙组合塌方主要发育在较完整-完整性差的硬脆岩石洞段，岩石节理、裂隙发育，并相互切割，形成不稳定块体，局部洞段节理密集发育切割形成碎裂岩体。隧洞开挖后，二次应力调整不稳定块体凌空卸荷，块体的自身重力超过结构面的抗剪强度，发生坍塌和塌方现象。隧洞顶拱范围内的不稳定块体表现为垮落，边墙范围内的不稳定块体表现为滑落。影响宽度最大达4～6m，深度0.5～1.5m。

防治措施：①遇断层破碎带应加强超前地质预报和地质宏观分析判断，必要时可采取超前钻孔进一步掌握掌子面前方不良地质洞段基本地质情况；②根据地质信息，制定合理、可行、有效的工程处理措施，切勿盲目掘进，避免卡机风险；③针对裂隙发育部位应及时加强锚杆+挂网处理措施，必要时可采取预应力或涨壳式锚杆及钢拱架进行支护。

4.4 塑性变形破坏

塑性变形破坏往往发生在软弱围岩中，从地质特征、强度特征、变形破坏形式可分为断层破碎带底鼓和软弱岩体大变形。

断层破碎带底鼓主要发生规模较大的断层破碎带，受构造活动动力变质作用的影响，断层带内岩体破碎，大部分呈糜棱岩化碎屑包裹着断层泥，原岩矿物蚀变形成大量次生的亲水性矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石等)，在遇水后强度迅速降低，且具有一定膨胀性，在隧洞底板断层破碎带形成软塑区域，在高地应力影响下，洞周的围岩压力向下传递，造成底板隆起变形。

防治措施：①针对隧洞底板通过大规模的断层破碎带，应做好施工排水；②对底板断层破碎带进行换填处理，及时封闭仰拱；③沿断层破碎带全断面布设系统中空注浆锚杆，提高围岩强度；④加强围岩收敛变形监测。

软弱岩体变形主要发育在黑云母石英片岩地层中，岩石具有鳞片变晶结构，岩体内黑云母含量高，强度低。隧洞开挖后，二次应力集中，洞周切向应力大于岩体片理结构面的强度，沿片理面剪张拉裂，随着围岩遇水后进一步软化，岩体强度进一步劣化，围岩塑性区域向岩体深部扩张，岩体继续洞内卸荷变形，破坏原有支护系统，产生大的变形破坏。

防治措施：①在TBM边刀增加垫块或采用直径略大的边刀，实现扩挖功能，减少围岩变形对二衬断面的侵限；②采用加密加长系统锚杆，对露出护盾后围岩及时采用应急喷混凝土封闭围岩；③采用可伸缩型钢拱架进行支护；④必要时可在掌子面前方进行超前注浆加固，提高岩体强度；⑤加强围岩收敛变形监测。

5 结语

在复杂地质条件山岭区修建深埋、长、大隧洞时，应充分了解区域构造地应力场背景，前期勘察设计选线隧洞轴线应尽可能与最大水平主应力平行或呈小角度布置，利用地应力测试成果对深埋隧洞进行岩爆、软岩大变形等地质灾害进行强度、变形等级的预测分析，为隧洞设计支护参数提供地质依据。施工开挖过程中，应加强超前地质预报和岩爆监测预警工作，充分认识高地应力岩体破坏型式及力学机制，合理采取相应的防治措施。