某引水隧洞深埋段花岗岩岩爆演化规律研究

伍达富，王琴

（黔南民族职业技术学院建筑工程与设计系，贵州 都匀 558022 ）

岩爆是高地应力条件下掌子面或洞壁出现岩块爆裂、剥落、弹射、气浪、震动、发声甚至产生的震动现象。岩爆是隧洞开挖后，围岩应力强烈释放的一种现象，在高地应力情况下（包括自重应力和构造应力），洞室开挖后岩体释放储藏的能量。岩爆的发生具有一定的条件，通常是隧洞处于构造强烈地层，埋深超过一定深度，且岩体强度高、整体性好的情况。岩爆对于隧洞工程的破坏按照其释放能量的等级，可以分为轻微岩爆、中等岩爆、强烈岩爆和剧烈岩爆。其中以剧烈岩爆破坏最强，剧烈岩爆对于正在施工的隧洞存在极大的安全隐患，如锦屏二级电站引水隧洞在修建过程中发生剧烈岩爆，造成已施作衬砌段发生严重塌方施工[1]。岩爆对于隧洞工程的影响除了初始应力场这一客观因素外，还与隧道的开挖手段有关[2]。采用TBM（全断面隧道硬岩掘进机Tunnel Boring Machine）施工时，由于隧洞断面是一次性开挖成型且对围岩几乎没有扰动，因此岩体的能力释放并未得到“削弱”，使得岩爆对TBM 施工隧洞影响要相应地比钻爆法大得多[3]。

有许多学者对TBM 施工的隧道岩爆问题进行了研究，刘健[4]分别对灰岩、花岗岩和红砂岩三种围岩进行了不同孔隙结构岩石岩爆倾向机理与破裂特征的研究，指出致密性和硬脆性越强的岩石储能特性越好，岩爆倾向性越强。张晓君等[5]通过模型试验研究应力松弛岩爆试验，从岩爆的发生机理出发得到应力松弛岩爆的演化规律。严孝海等[6]依托四川康定某深埋隧道，利用真三轴岩爆实验系统，开展不同深度下的花岗岩岩爆物理模拟实验，得到了花岗岩岩爆的三种不同破坏形式。周亚萍等[7]针对深埋高地应力水工隧洞岩爆脆性破坏深度进行了数值模拟，得出了岩爆破坏深度相关结论。

上述学者采用试验或数值模拟手段对岩爆的发生机理及破坏形式等做了大量研究工作，得到了较多具有参考价值的结论。基于此，本文针对TBM 方法施工的圆形断面引水隧洞，运用ANSYS 有限元分析软件，考虑在不同水平构造应力作用下，随着隧洞埋深的增加，隧洞岩爆的区域演化、岩爆破坏深度以及岩爆等级的发展规律。

1 工程概况

某引水隧洞全长17.223km，桩号0+000～17+223，采用TBM 开挖，隧洞直径10m，隧洞最大埋深1000m。隧洞横穿博罗科努复背斜，地层走向近东西或北西，倾角中等～较陡。岩层挤压褶皱强烈，次级褶皱和断层发育，背向斜构造形迹不完整。隧洞位于复杂东西向构造带中，断层发育。输水隧洞地区地应力高，沿线分布多种硬脆性岩石，具备发生岩爆的地质条件。综合判定，大部分相对完整围岩洞段具备轻微岩爆条件，部分岩体完整洞段具备中等岩爆条件，局部洞段具备强烈岩爆的地质条件。

隧洞TBM 掘进桩号1+311～1+424 段岩性为花岗岩，块状构造，岩石坚硬、性脆，洞室段干燥无水，埋深500m 左右，发生轻微～中等岩爆，岩爆的发生，先是听到岩体深部有炮声，近处岩体表面有撕裂声，大约3分钟后一块厚20～28 cm，长宽30×60cm 的岩石从母岩中弹出，并伴随一声巨响。由于拱架支撑，此岩石坐落在拱架上。岩石弹出后，仍听到岩体深处有轰鸣声传出。如下图1 所示。

图1 某引水隧洞岩爆破坏图

2 岩爆分级理论

地下洞室的开挖，其本质是将具有一定应力履历的岩体，通过一定的手段形成岩体的临空面，而岩体的应力重新发生应力改变并达到再次平衡的过程。岩体的受力过程可以用下图来表示，其中水平向为构造应力，竖向上的为岩体自重应力如图2 所示。

图2 岩体受力示意图

图3 某引水隧洞几何模型尺寸图

本文以应力判据理论中公路隧洞设计规范（JTG 3370.1-2018）岩爆的分级公式：

σθmax/Rc ＜0.3，无岩爆；

0.3≤σθmax/Rc＜0.5，轻微岩爆；

0.7≤σθmax/Rc＜0.9，强烈岩爆；

0.9≤σθmax/Rc剧烈岩爆。

上式中，σθmax——围岩最大切向应力；Rc——岩石单轴抗压强度值。根据（4）式确定某引水隧洞采用TBM 施工，遇花岗岩围岩段，洞室的岩爆等级。在本文中，为了方便叙述，引入岩爆分级计算值k，岩爆分级公式如下：

上式中，k——岩爆分级计算值。

3 某引水隧洞岩爆模拟过程

3.1 岩爆分析模型相关参数

某引水隧洞采用TBM 施工（一次性开挖成型），隧洞直径为10m。发生岩爆段，围岩级别：Ⅱ～Ⅲ，微风化花岗岩，岩体完整，脆性，无地下水。以某平面尺寸为50m×50m 表示地层范围，埋深转化为竖向荷载。花岗岩岩体力学参数如下：重度γ=24KN/m3、弹性模量E=50Gpa、泊松比μ=0.2、单轴饱和抗压强度Rc=80Mpa、粘聚力c=10Mpa、内摩擦角φ=55°。引水隧洞几何模型尺寸如下图所示。

采用二维平面应变分析模型，将上覆岩体重量考虑为均布荷载施加在模型上，同时对数值模型施加二维平面上的侧向水平应力来模拟地层受到的构造应力，并用字符“λ”表示侧向压力系数，且令：

在进行ANSYS 模型计算时，选择隧洞埋深h 从300 米到700 米按公差100 米进行递增变化，同时侧向压力系数从0 到2.0 按公差为0.2 递增变化。

3.2 计算结果分析

本文中某引水隧洞围岩岩性为花岗岩，单轴抗压强度Rc=80Mpa。按照岩爆等级计算公式，可得到不同工况开挖后，洞室的岩爆等级。

对于埋深300m，花岗岩洞室开挖后岩爆等级分布为无岩爆-轻微岩爆，其中无岩爆工况占比72.3%，轻微岩爆工况占比为27.7%，且只有当侧向压力系数λ大于1.6 时才会发生轻微岩爆，轻微岩爆在实际工程中表现为少量片帮，对工程威胁较小。

对于埋深400m，花岗岩洞室开挖后岩爆等级分布为无岩爆-轻微岩爆-中等岩爆，其中无岩爆工况占比18.2%，轻微岩爆工况占比63.6%，中等岩爆工况占比18.2%。发生中等岩爆时，侧压力系数λ 大于1.8。

对于埋深500m，花岗岩洞室开挖后岩爆等级分布为轻微岩爆-中等岩爆-强烈岩爆，其中轻微岩爆工况占比72.7%，中等岩爆工况占比18.2%，强烈岩爆占比9.6%。

对于埋深600m，花岗岩洞室岩爆等级分布为轻微岩爆-中等岩爆-强烈岩爆，其中轻微岩爆工况占比54.5%，中等岩爆工况占比27.3%，强烈岩爆占比18.2%。

对于埋深700m，花岗岩洞室岩爆等级分布为轻微岩爆-中等岩爆-强烈岩爆-剧烈岩爆。其中轻微岩爆工况占比18.2%，中等岩爆工况占比54.5%，强烈岩爆占比9.1%，剧烈岩爆占比18.2%。

4 结论

根据应力判据理论，以TBM 方法开挖的花岗岩隧洞，考虑在不同埋深条件及不同水平构造应力作用下，采用ANSYS 有限元分析软件分析隧洞开挖后围岩最大主应力的分布形态，分析不同工况下隧洞的岩爆等级，结论如下：

（1）当水平构造应力等于自重应力时，围岩的最大主应力值，达到最小值，此时水平构造应力对于围岩受力有改善的作用。

（2）花岗岩洞室开挖时，当隧洞埋深不超过300m，不存在岩爆，只有当地层构造特别强烈时会发生轻微岩爆。埋深在400～500m 时的花岗岩洞室开挖，岩爆等级以轻微岩爆为主，当地层构造强烈时，会发生中等-强烈岩爆。埋深超过600m 时的花岗岩洞室开挖，发生轻微岩爆与中等-强烈岩爆的情况均有可能发生。当埋深超过700m 时的花岗岩洞室开挖，岩爆等级以中等岩爆为主，当地层构造强烈时发生强烈岩爆或剧烈岩爆，对工程危害很大。因此在埋深超过700m，且岩性为花岗岩等强度很高的洞室开挖时，在设计阶段做好岩爆的防治措施。