大万山特长深埋隧道地应力研究与岩爆分析

师永翔

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

岩爆是高地应力条件下，隧道掌子面或洞壁出现爆裂声响、剥落、弹射、震动的地质灾害现象[1]。发生岩爆的主要原因为隧道围岩三向应力状态所蓄积的应变能，在开挖暴露形成临空面后瞬间转换为了冲击动能。国内外很多地下工程均发生过岩爆，其直接威胁人员和设备安全，影响工程进度。由于岩爆预测的复杂性，岩爆已成为地下工程世界性难题之一[2]。自1738年世界上最早记录并报道发生在英国南史塔福煤田的莱比锡煤矿岩爆起，国内外学者在现场实测、理论分析基础上，对隧道高地应力与岩爆做了大量的研究工作，提出了一系列的理论和方法，如失稳理论、强度理论、能量理论、断裂损伤理论和突变理论等。目前较为认同、应用较多的是强度应力比法[3]。

大万山隧道为山西静兴高速公路横穿吕梁山支脉的越岭型特长深埋隧道，设计为分离式，左洞长10 373 m，右洞长10 490 m，隧道最大埋深695 m。围岩以硬质变质岩为主，具备可能产生高地应力与岩爆的条件。本文针对静兴高速公路大万山特长深埋隧道进行了地应力研究，并对隧道岩爆可能发生的部位与等级进行了综合分析。

1 隧道地应力研究

1.1 隧道地质条件

隧道所处大万山属吕梁山中北段的西部支脉，山体主脊主要走向为北北东南南西向（NE33°—SW213°），山脊南北走向长约30 km，总体属基岩高中山地貌。隧址区地质构造属吕梁—太行断块吕梁山块状隆起北西端，赤坚岭梭形掀斜褶带中段，靠近该褶带的中间宽厚部位，即构造应力相对较为集中的部位。在隧址区内构造形态表现为白龙山倒转向斜构造，并伴生部分断裂构造。地层岩性主要为太古界与元古界硬质变质岩组成，根据钻孔取样与室内试验统计，岩石饱和单轴抗压强度平均值约80.2 MPa。隧道围岩主要为Ⅲ级、Ⅳ级。

1.2 隧址区域构造应力分析

根据隧道周边区域构造线的走向、构造形态组合及特征，对该区构造应力的来源与应力、构造之间的关系按应力椭球体理论进行简要分析，如图1，隧址区域构造主应力为压扭应力，时期为吕梁期，压扭主应力方向为北北西—南南东向，拉张应力方向为北东东—南西西向。压扭应力造就了区内白龙山倒转向斜、断裂、韧性剪切带构造的形成。拉张应力形成了区域范围北北西—南南东向深大断裂构造，为辉长辉绿岩沿深大断裂的贯入充填提供了空间条件，对于把控隧址区整体构造应力与构造活动的关系明确了方向。

图1 大万山隧道构造应力分析示意图

1.3 钻孔水压致裂法地应力测试

国际岩石力学学会测试方法委员会颁布的“测定岩石应力的建议方法”，包括USBM钻孔孔径变形测量法、CSIR钻孔三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、岩体表面应力恢复测量法和水压致裂法等方法。与其他测量方法相比，水压致裂法具有操作简单、测试周期短、测量深度大、测值可靠误差较小、可连续重复测试等优点[3]。该次勘察研究在大万山隧道向斜轴部埋深较大、成孔质量较高的SZK11钻孔里，选取完整岩体部位进行水压致裂地应力试验。现场测试共取得了10个测试段的地应力结果，试验测试数据如表1所示：在SZK11钻孔测试深度范围内，实测最大水平主应力值为17.25 MPa，最大水平主应力方向为NW58°左右。

表1 大万山隧道SZK11钻孔地应力测试成果表

地应力量值随深度变化曲线如图2所示，各测试段侧压系数λ（实测最大水平主应力与铅垂向应力比值 λ=σH/σv）随深度的关系曲线如图3所示。

图2 大万山隧道应力量值随深度变化曲线

图3 大万山隧道侧压系数随深度变化曲线

测试结果表明：

a）侧压系数在浅部较大，随着深度增加、侧压力系数λ逐渐减小。各测试段的侧压系数λ均大于1，表明工程场区存在一定程度的水平构造应力。

b）450 m深度以下侧压系数均值λ=σH/σv=1.25，表明深部岩体初始地应力的水平大主应力值略大于岩层的自重应力。

国内的实测和统计资料表明：工程岩体的初始地应力侧压力系数在0.8～3.0之间，绝大多数在0.8～1.5之间。该次大万山隧道SZK11钻孔的实测侧压力系数由浅至深部逐渐减小，深部（大于450 m）侧压力系数均值仅为1.25，水平大主应力值略大于岩层的自重应力。测试表明大万山隧道所处的岩体应力场属于正常的应力场区，不存在明显偏高的构造应力场。

1.4 隧道地应力分析计算

大万山隧道最大埋深695 m，该次地应力测试孔最大测试深度534 m。为推测隧道实际最大埋深的地应力，根据水压致裂法实测地应力数值，采用回归分析与隧洞截面应力计算公式[4]：

轴向应力：σL=σhsin2α+σHcos2α，

横截面最大初始应力：σmax=σHsin2α+σhcos2α，

横截面最大切向应力：σθ=3max(σmax/σv)-min(σmax/σv)，

式中：σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；α为最大水平主应力与隧洞的走向的夹角；σv为自重应力。

计算得：

隧道深部最大、小水平主应力为：

σH=1.254σv、σh=0.929σv，

沿拟开挖隧道轴向应力：σL=1.24σv，

横截面最大初始应力：σmax=1.00σv，

横截面最大切向应力：σθ=2.06σv.

1.5 隧道地应力分级

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1—2018）地应力分级表，见表2，计算大万山隧道地应力分级见表3。

表2 地应力分级表

表3 大万山隧道地应力分级表

2 隧道岩爆分析

岩爆是非常复杂的动力地质灾害现象，影响岩爆的因素较多，归纳起来主要为内部因素和外部因素。内部因素主要是坚硬完整的高储能岩体；外部因素主要受隧道开挖卸荷、应力释放与地下水、地温条件等影响。地下水丰富、地温高的地段，隧道发生岩爆的可能性和危害性会降低[5]。

本文根据强度应力比法中代表性的E.Hoek法、铁路隧道设计规范与公路隧道设计规范规定的3种方法计算，并结合地下水与地温进行岩爆分析[4-6]。

2.1 E.Hoek法计算分析岩爆

E.Hoek总结采矿围岩破坏观测结果，判据与计算分析见表4。

表4 E.Hoek法岩爆判据与计算分析表

2.2 铁路隧道设计规范计算分析岩爆

根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）岩爆分级表，计算分析见表5。

表5 铁路隧道设计规范岩爆分级与计算表

2.3 公路隧道设计规范计算分析岩爆

根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1—2018）岩爆分级表，计算分析见表6。

表6 公路隧道设计规范岩爆分级与计算表

2.4 地温对岩爆的影响分析

大万山隧道SZK11钻孔内进行了3组地温测试，如图4所示：孔深100～250 m温度随深度增加而降低，平均地温梯度为-1.4℃；210～300 m为恒温带，平均温度约10.8℃；300 m以下为增温带，平均地温梯度为1.9℃；计算隧道最大埋深695 m处地温为18.5℃左右。隧道地温整体温度较低，变化较小，地温对隧道岩爆基本无影响。

图4 大万山隧道地温测试图

2.5 地下水对岩爆的影响分析

由于地下水对软化围岩、降低围岩弹性应变能的储存能力有很大作用，所以岩爆发生段岩体一般干燥无水，潮湿或滴水现象较少[5]。

根据大万山隧道水文地质勘察成果：隧道地下水类型为变质岩类裂隙水与构造裂隙水，预测隧道正常涌水量2 537.5～2 834.9 m3/d，最大涌水量7 360.9～8 244.9 m3/d，隧道埋深较大段主要为中等富水，出水状态为淋雨状或涌流状。综合分析地下水对大万山隧道岩爆有弱化的作用。

2.6 隧道岩爆综合分析预测

根据以上3种方法的计算与判据结果，并结合地温与地下水条件对岩爆的影响作用，综合分析预测：大万山隧道埋深小于450 m无岩爆；埋深450～600 m发生岩爆可能性较小，岩爆等级为Ⅰ级轻微；埋深600～695 m有发生岩爆的可能，岩爆等级为Ⅱ级中等。

3 结语

a）现场水压致裂法测试结果表明，大万山隧道所处的地应力场属于正常的应力场区，不存在明显偏高的构造应力场。

b）大万山隧道地应力分级 埋深小于340 m为一般应力；埋深340～600 m为高应力；埋深600～695 m为极高应力。

c）地温对大万山隧道岩爆基本无影响，地下水对大万山隧道岩爆有弱化的作用。

d）在已有的研究水平和研究成果的基础上，综合分析判断大万山隧道埋深小于450 m无岩爆；埋深450～600 m发生岩爆可能性较小，岩爆等级为Ⅰ级轻微；埋深600～695 m（隧道 K40+200—K41+100段）发生岩爆的可能性较大，岩爆等级为Ⅱ级中等，以上里程段落在开挖过程中可能会出现洞壁岩体剥离、掉块、新生裂缝等情况，建议加强对围岩的监测，采取针对性的设计与施工方案。

e）岩爆预测极为复杂，影响因素很多。应该指出，岩爆预测研究仍具有一定的不确定性[6]。为隧道顺利建设，在隧道施工过程中需加强地质超前预报与监控量测工作，并结合隧道工程建设进一步开展岩爆研究工作。