深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

孙峰伟， 乔栋磊， 安艳军， 李文杰*

(1. 中铁十五局集团第五工程有限公司， 天津 300133； 2. 河南科技大学土木工程学院， 洛阳 471023)

随着公路、铁路建设逐步向中国西部地区推进，深埋特长隧道的建设需求越来越高，这类隧道因需以深埋形式穿越巨大山岭，故而岩爆成为深埋特长隧道建设过程中最典型的灾害之一。岩爆是一种在地应力较高的岩体处，因隧道开挖使得岩石中积聚的弹性变形势能突然猛烈地释放出来，导致岩石爆裂，松脱，弹射出来的岩体破坏活动。岩爆的发生给施工人员以及设备造成了严重的安全威胁[1]，因此，在隧道施工之前准确地反演出地应力场，并在此基础上进行岩爆预测是保障安全施工的关键[2]。

针对岩爆分级和预测这类热门课题，中外学者进行了大量研究。在岩爆分级方面，谭以安[3]从力学和声学特征出发，依据岩爆危害程度及破坏方式将岩爆烈度划分为弱、中、强、极强4级。牛文林等[4]通过岩体基本质量指标(basic quality，BQ)法对工程岩体分级标准进行了优化，分级结果与实际情况更吻合，优化后的分级标准能更好地应用于岩爆隧道中。在岩爆预测方面，中外学者通过强度、能量等理论对岩爆发生机制进行研究，结合工程实例，提出了一系列岩爆发生风险等级预测的判据与方法[5]。孙晓明等[6]基于多重岩爆判据，研究了岩体层理倾角对岩爆发生的影响，为具有层理结构岩体的岩爆预测提供了参考。李波等[7]通过数值计算、现场地应力测试研究了围岩应力环境，并结合工程区地质条件进行了岩爆预测。孙臣生[8]基于MATLAB-BP神经网络，选取多个影响岩爆的关键性预测指标，建立了改进的岩爆预测模型。刘海涛等[9]针对岩爆的随机性，将数值模拟与蒙特卡罗方法相结合，提出了深埋隧道岩爆的抽样概率预测新方法。现阶段，虽然岩爆预测方法较多，但能将工程地质条件、开挖后围岩具体应力环境与预测方法紧密结合起来的准确又实用的方法较少。

因此，现基于巫镇高速公路重庆段笔架山隧道，在地质调查的基础上，利用岩石脆性系数和围岩完整性系数对岩石性质进行研究，评价隧道围岩的岩爆倾向性；结合地应力资料，利用有限元数值模拟手段反演出隧址区完整的地应力场，综合分析地应力场特征及隧道开挖后围岩应力状态，并在此基础上依据双重岩爆判据对岩爆发生区段和岩爆等级进行分析和预测。所得岩爆预测结果为隧道开挖支护提供依据，降低人员、设备的安全威胁。

1 工程概况及区域地质条件

1.1 工程概况

笔架山隧道位于巫溪县白鹿镇境内，隧道为分离式隧道，南北走向。其中左线里程桩号为ZK23+248～ZK28+245，右侧里程桩号为YK23+266～YK28+265，隧道单洞长度约为5 000 m，为特长隧道。隧道工程区地处秦岭山脉及南麓，位于大巴山构造溶蚀中山区，南濒长江、大宁河及支流，北靠中坝河。区域内地势高耸、岩层陡立、山体多为峰丛状，悬崖陡壁发育普遍。隧道进洞口方向与自然斜坡近乎垂直，斜坡坡度约为35°，地势险峻。工程区内山脊走向以东西为主，隧道最大埋深为1 382 m。

1.2 隧址区地质条件

根据地质勘察报告，隧道路线范围内发育有构造溶蚀侵蚀地貌、构造剥蚀侵蚀地貌及侵蚀堆积地貌等地形地貌区，其中以溶蚀地貌为主，地形地貌形态复杂。工程区内断层不发育，构造形迹为一系列向南微突的东西向弧状迹象，以褶皱构造为主。区域内褶皱构造平面图如图1所示，从南向北主要有猫儿笼背斜、贝母淌向斜、橙子岩背斜以及秀登城向斜。根据工程地质测绘及钻探结果，隧道工程区上覆第四系松散积层碎石土，基岩为三叠系下统、二叠系和志留系灰岩、泥岩、页岩和页岩夹粉砂岩，隧道沿线岩性分布如图2所示。由图2可知隧道在开挖过程中穿过砂岩夹层，在这样的地质条件下进行隧道开挖，施工会面临高地应力及岩爆灾害问题。

图1 区域内褶皱构造Fig.1 Regional fold structure

图2 工程区地质纵断面图Fig.2 Geological profile of the engineering area

2 隧址区岩石性质研究

区域内岩石的性质是岩爆发生的内因，在完整性好、岩性脆、坚硬程度较高的岩体中易发生岩爆。为保证区域内岩爆预测结果的准确性，对围岩岩体进行分析研究。

2.1 岩体完整性分析

在地质勘察过程中对工程区节理裂隙进行统计，对各控制性钻孔进行声波测井，最终综合岩体体积节理Jv以及岩体完整性系数Kv两个量值指标对隧道各区段围岩完整程度进行定量划分。根据评价结果，虽然区域内普遍发育层面与裂隙，但有72%区段结构面组数不超过两组，发育程度较低，围岩岩体较完整，局部区段由于构造裂隙发育，岩体较为破碎，但所占比例不大，故隧道围岩岩体整体完整性较好，钻孔部分岩芯如图3所示。根据岩石的坚硬程度、岩体的完整程度以及层间结合情况对笔架山隧道围岩级别进行划分，区域内以Ⅳ围岩为主，占隧道总长63.8%，Ⅲ级围岩区段占隧道总长17.9%，大多数岩体单轴抗压强度较高，岩体较坚硬，且隧道埋深大，此类情况下隧道施工发生岩爆概率较大。

图3 钻孔岩芯Fig.3 Core obtained by drilling

2.2 岩爆倾向性评价

在工程区内针对不同地层单元共采取62组岩样进行室内抗压、物性、抗拉、抗剪及变形试验,围岩强度试验值如表1所示。

表1 围岩强度试验值Table 1 Test value of surrounding rock strength

近年来，中外学者对岩爆倾向性指标做了进一步的发展与完善，其中岩石脆性系数B因其较容易获得，且代表性强，故而在岩爆倾向性评价中被广泛使用[10]。岩石脆性系数反映了岩石的硬脆程度，岩石越脆，岩爆越容易发生，计算公式为

(1)

岩石脆性系数与岩爆倾向性强烈程度有如下标准：当B<14.5时，强烈岩爆倾向；当14.5≤B<26.7时，中等岩爆倾向；当26.7≤B<40时，弱岩爆倾向；当B≥40时，无岩爆倾向。据此标准，区域内围岩岩爆倾向性评价如表2所示。从岩石脆性系数判断，工程区内各区段岩体有中等-强烈岩爆倾向。

表2 岩爆倾向性评价Table 2 Rockburst tendency evaluation

根据GB/T50218—2014《工程岩体分级标准》[11]中给出的岩石坚硬程度划分标准，工程区内T1d1灰岩、S2xj页岩、S2xj泥岩以及S1sh页岩饱和岩样单轴抗压强度Rc<30 MPa，为软质岩，该类岩体通常不发生岩爆；根据地质勘察报告综合确定的完整性系数，K23+543～23+596区段P2m灰岩以及K23+660～23+765区段P2q灰岩岩体完整程度较破碎。因此综合判断隧址区内除以上区段，其他范围内岩体较完整、围岩岩性脆且坚硬，具备岩爆发生的基础条件。

3 工程区地应力场综合分析

3.1 区域构造应力场环境

工程区内初始应力场由自重应力场与构造应力场共同决定，研究工程区周围环境的构造应力场可以初步掌握地应力场的大致规律，为有限元地质模型边界条件的确定提供参考。依据区域震源机制资料得到的震源机制解可以估算出最大水平应力走向，是分析区域构造应力场的重要依据之一。依据重庆市震源机制解提取的区域内最大水平主应力方向分布如图4所示，由图4可知，工程区构造作用引起的最大水平主应力方向总体表现为北北西(north-north-west，NNW)向[12]。

图4 区域最大主应力方向分布Fig.4 The distribution of the maximum principal stress in the region

3.2 地应力实测结果分析

采用水压致裂法选取区域内贝母淌向斜核部处钻孔，测量其地应力。埋深H在602.62～847.60 m范围内共获得10个实测地应力点，不同埋深地应力实测值如图5所示，根据实测结果对测试深度范围内最大水平主应力σH、最小水平主应力σh和竖向应力σv进行线性回归分析，所得线性回归方程为

图5 应力值随深度变化图Fig.5 Variation of stress value with depth

(2)

在602.62～847.60 m共10个地应力测点，σv为13.18～23.36 MPa，σh为8.94～14.88 MPa，σH为15.64～24.34 MPa，σH>σv，但相差不大，故工程区内该埋深范围构造作用较强，地应力场由自重应力场与构造应力场联合作用形成；各钻孔实测最大水平主应力方向为22°N～35°W，表明测孔附近地应力实测结果与震源机制解所给出的NNW向挤压应力方向基本保持一致。

3.3 地应力场的有限元反演分析

3.3.1 三维有限元地质模型建立

为消除边界效应，提高计算精度，综合工程区内地质构造特点适当扩大模型边界范围，沿隧道轴线选取工程区1 000 m×5 000 m的一块长方形区域作为模型计算区域，取标高100 m为计算模型底面，模型高度取至地表，隧道开挖区位于模型中央。模型的建立考虑主要褶皱构造影响。根据62组岩样力学特性试验，所得岩体物理力学参数如表3所示。

表3 岩体力学参数表Table 3 Rock mechanical parameter table

通过MIDAS-GTSNX建立地质模型，模型使用混合四面体单元，网格划分质量较好。因地质模型尺寸较大，因此在不同位置确定不同的网格尺寸，在地层分界处和隧道洞口处进行尺寸控制。三维有限元地质模型如图6所示，模型共计单元数256 878个，节点数229 311个。

图6 有限元地质模型Fig.6 Finite element geological model

3.3.2 边界条件确定

笔架山隧道的地应力场反演结合隧址区地应力实测数据以及重庆地区内震源机制解确定的构造作用方向，采用直接调整边界条件的方法，确定地质模型边界条件，综合分析岩体自重以及地质构造作用引起的地应力场分布规律。地应力场反演具体过程为：①参考区域内震源机制解确定的最大水平主应力方向施加不同类型的边界条件，观察应力场变化规律，确定最佳边界条件类型；②调整边界力的作用方向和量值大小，使数值模拟的结果与地应力实测值达到最佳拟合；③微调边界，计算两者的方差，确定出方差最小的边界力。

3.3.3 地应力场特征分析

将确定的边界条件添加到地质模型进行计算，得到区域内完整的地应力场，提取贝母淌向斜核部埋深608～839 m段x向应力σx、y向应力σy以及xy平面内剪应力τx，根据式(3)和式(4)计算得到最大水平主应力σH为14.3～23.8 MPa，方向α0为N19°～32°W，与工程区向斜核部地应力实测结果15.6～24.3 MPa相近，且方向近似，由此可验证地应力场数值模拟的可靠性。

(3)

(4)

最大主应力云图如图7所示，由图7可知：在褶皱构造处，出现应力集中现象，最大主应力增加，在贝母淌向斜核部应力集中现象最为明显，最大增量达12.0 MPa，因此最大主应力受褶皱构造影响较大。不同岩层最大主应力变化云图如图8所示，S2xj砂岩Rc=93.1 MPa，P2q灰岩Rc=52.9 MPa，S2xj页岩Rc=18.4 MPa，由S2xj页岩地层到S2xj砂岩地层，最大主应力值增加，增量为4.5 MPa；由

图7 最大主应力云图Fig.7 Maximum principal stress nephogram

图8 岩层应力变化图Fig.8 Rock stress variation diagram

P2q灰岩、S2xj砂岩到S2xj页岩地层，最大主应力值突降。因此，相近地应力场环境下，不同岩体其抗压强度越高，最大主应力值越大，岩体中积聚的能量越高，其岩爆倾向性越大。

提取隧道沿线最大主应力值σ1、x轴向水平应力σx、y轴向水平应力σy以及竖向应力σz，结果如图9所示。

图9 隧道沿线主应力分布图Fig.9 Distribution diagram of principal stress along the tunnel

(1)隧道沿线K24+175～K26+896区段，埋深较大，最大主应力为18.5～35.1 MPa，根据GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》给出的地应力状态评估标准，区域内Rc/σmax=0.74～3.72<4(σmax即为最大主应力)，该区段应力处于极高应力状态。

(2)埋深较小区段，水平向主应力值与竖直向应力值较为接近，构造作用与重力作用联合作用形成地应力场；埋深较大区段，竖向应力远大于水平向应力，且与最大主应力值较为接近，故在埋深较大区段，自重应力场在地应力场中起主导作用。

(3)隧道沿线x轴方向应力为4.2～8.0 MPa，变化幅度较小，总体处于较稳定状态；y轴方向应力为5.6～18.7 MPa，处于较高量值水平，区域内受到较强水平构造作用。

(4)y轴方向应力大于x轴方向应力，故工程区内构造作用以南北方向挤压为主；隧道轴线走向为N13°W，计算所得最大主应力方向为N20°～36°W，与隧道轴线夹角为7°～23°，夹角较小，有利于围岩稳定。

4 隧道开挖围岩应力场分析及岩爆预测

4.1 隧道开挖后围岩应力场分析

隧道开挖过程中，原有的空间应力场分布改变，出现二次应力状态。为保证岩爆预测结果的准确性，有必要在所得地应力场的基础上进一步分析隧道开挖后围岩的二次应力状态[13]。因隧道轴向长度远大于断面尺寸，故将其视作平面应变问题，建立2D开挖模型。

隧道开挖对周围岩体的影响范围为3～5倍洞径，隧道尺寸按照设计图选取，最终确定模型尺寸为80 m(x)×80 m(z)，使用混合四面体网格，提高网格质量。模型位移边界为：底部竖向位移约束，模型两侧界面固定位移约束，顶部为自由面；模型右侧和顶部边界施加上述计算所得应力σx与σz。

计算结果表明：在隧道开挖后，随着地应力环境的变化隧道开挖断面的不同部位出现了不同程度的应力集中。区段内隧道开挖断面最大压应力均发生在两侧，沿线最大压应力峰值为63.2 MPa。不同区段不同地应力环境下隧道开挖断面最大主应力云图如图10所示，由图10可知：当地应力场中水平向应力与竖向应力较为接近时，压应力集中区域较小；随着竖向应力的不断增加，压应力集中区域沿隧道两侧壁不断向外围扩散。

图10 不同条件下围岩最大主应力Fig.10 Maximum principal stress of surrounding rock under different conditions

4.2 隧址区岩爆预测

综合分析区域工程地质条件、岩石物理力学性质及开挖围岩应力环境，在此基础上采用两种具有代表性的岩爆预测理论判据，即谷—陶岩爆判据[14]以及强度应力比判据[15]，两种判据如式(5)与式(6)所示。

谷—陶岩爆判据为

(5)

强度应力比判据为

(6)

式中：σ1为最大主应力；Rb为天然岩体单轴抗压强度；Rc为饱和岩样单轴抗压强度。

上述对岩石性质的研究表明，部分区段围岩不具备发生岩爆的基础条件。其余区段根据开挖模型所确定的围岩二次应力情况以及试验所得岩石力学参数结合两种岩爆判据综合评价各区段岩爆发生的可能性与剧烈程度，预测结果如表4所示。

表4 隧道各区段岩爆预测结果Table 4 Prediction results of rock burst in each section of tunnel

工程区内隧道埋深较大，且水平构造作用较强，隧道大多数区段均处于极高应力状态，并且部分区段为岩体坚硬且完整的Ⅲ级围岩，具有发生中、高岩爆的基础条件。笔架山隧道总长4 999 m，综合岩体完整程度、硬脆程度以及地应力场环境对隧道沿线进行岩爆预测，综合分析结果表明：隧道无岩爆活动区段长度约3 801 m，占隧道总长76.0%；轻微岩爆活动区段长度约105 m，占比约为2.1%；中等岩爆活动区段长度约为278 m，占比约为5.6%；高岩爆活动区段长度约为815 m，占比约为16.3%。这些区段内隧道开挖后最大主应力均发生在断面两侧，围岩两侧处于较高的压应力状态，极易发生岩爆，施工时应重点关注两侧区域并采取相应防治措施。

5 结论

(1)笔架山隧道以Ⅳ级围岩为主，占隧道总长63.8%，沿线围岩总体完整性较好。工程区地应力场反演结果表明，隧道高程处，竖向应力大于水平应力，故隧道沿线地应力场由自重应力场主导；最大埋深处应力值达33.2 MPa，经评估，隧道沿线大多数区段处于极高应力状态；最大水平主应力方向隧道夹角为7°～23°，夹角较小。从地应力角度来说，隧道轴线布置方位对围岩稳定有利。

(2)根据隧道开挖围岩应力分析，开挖后围岩最大主应力均发生在断面侧壁，全线最大主应力峰值为63.2 MPa，极易发生岩爆。因此在隧道开挖过程中，对于侧壁部位应采取一定的工程措施进行防治，尽可能避免岩爆发生。

(3)根据岩石性质、地应力环境结合岩爆预测判据综合分析结果，在隧道全线，24.0%区段会发生岩爆，以中等-高岩爆活动为主，在这些区段施工时应加强安全监测与施工防护措施。

(4)依据岩爆发生的两个决定性因素即围岩应力状态和岩体单轴抗压强度进行岩爆预测，对隧道安全施工有一定的指导性，但岩爆还受到外界复杂环境因素的影响。因此在施工期间还应进行现场岩爆预测、监测工作，如开展超前地质预报研究，以确保隧道施工安全进行。