大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

赵阳, 杨维彬, 汪波*, 吕卫蒙, 严健, 刘柯良

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都 610031; 2.中化学交通建设集团有限公司, 济南 262735)

岩爆是指高地应力条件下地下工程开挖后,硬脆性围岩中积聚的弹性应变能突然释放,因而产生一种动力失稳的地质灾害[1-2]。近年来,高地应力硬岩隧道岩爆事故频发,对施工人员和设备安全造成极大危害[3-4]。随着川藏铁路等重大工程的开展,在中国西南部高险山区涌现出大量具有“长、大、深”特点的隧道工程,中国西南部高险山区存在强烈的板块构造运动[5],地应力、地质条件更为复杂,隧道施工面临更为严峻的岩爆灾害挑战。因此,在施工前对岩爆倾向性进行准确预测,对于减小工程损失具有积极意义。

中外学者在岩爆理论方面进行了大量的研究,依托典型工程实例提出了一系列的理论和分析方法,最为典型的便是强度理论,在现代信息技术背景下又衍生出了数值分析、机器学习、人工神经网络等智能分析方法[6-9]。由于岩爆问题本身极为复杂,这些理论和分析方法在具体工程的岩爆预测中存在较大局限性,因此大量学者在理论的基础上进行了深入研究,以期得到适用于工程的岩爆预测方法。王开洋等[10]在工程地质分析基础上阐明了岩爆发生条件,结合应力强度比法对隧道岩爆发生部位及强度进行预测。严健等[11]利用典型岩爆判据,对不同温度、应力释放率条件下隧道岩爆烈度进行预测,结果表明高温热力耦合对岩爆发生具有加速作用。周航等[12]基于功效系数法,综合分析了多种影响岩爆的关键因素,建立了一种隧道岩爆预测模型,实际预测效果显著。以上研究表明,岩爆受多种因素影响,分析起来极为复杂,但岩爆无一例外都在高地应力环境中发生,因此从地应力特征角度出发,结合工程地质条件进行岩爆预测,在工程设计阶段的岩爆快速准确预测中极具优势,具有重要的指导施工作用。

现以大岗山隧道为工程依托,基于三维反演分析手段获得的隧址区地应力场分布特征,通过数值模拟获得围岩开挖的洞周二次应力,结合应力判据法的岩爆判据标准,综合分析隧址区地形地貌、地质构造等工程地质条件,对隧道全长范围内岩爆发生情况进行预测,以期指导隧道施工的同时为类似隧道工程建设提供参考。

1 工程背景及工程地质

1.1 工程背景

大岗山隧道位于四川省甘孜州泸定县与雅安市石棉县之间,进口位于泸定县得妥乡,出口段位于石棉县挖角乡境内。隧道起讫里程K56+472～K63+758,单洞全长7 286 m,最大埋深1 283 m,为典型深埋特长公路隧道。

1.2 地形地貌

隧道地处青藏高原东南缘向四川盆地过渡之川西南高山区中部,地势表现出西高东低、北高南低的分布特征,地表山脊线呈南北展布,与隧道走向(N54°W)大角度相交,如图1所示。隧区高山峡谷地貌特征显著,地形起伏大,海拔高程1 107～2 464 m,相对高差1 357 m。地表自然坡度25°～65°,沿线走势呈“驼峰”状,整体呈中间高、两端低。地表支冲沟发育,隧道中部、进出口都是V形峡谷。

图1 大岗山隧道地形地貌Fig.1 Topography and geomorphology of the Dagangshan tunnel

1.3 岩性条件

隧区岩浆岩较为发育,主要为晋宁-澄江期灰白色、微红色中粒黑云二长花岗岩,花岗岩强度普遍在87 MPa以上,属坚硬岩,块状结构,节理裂隙少,完整性好。受海西末期-印支早期岩浆构造活动影响,数条辉绿岩脉穿插在花岗岩体中,宽度数十米,走向以北北东(north-north-east,NNE)向为主,隧道沿线岩性分布如图2所示。

图2 大岗山隧道纵断面Fig.2 Longitudinal profile of the Dagangshan tunnel

1.4 地质构造

场区在大地构造上位于潘松-甘孜造山带与扬子地台衔接处,受地块挤压影响,形成了以SN-NNW向为主的构造线。鲜水河断裂展布于场区中段大渡河对岸,位于隧道西南侧约7 km,为影响线路稳定性的最主要断裂。洞身段无大断裂通过,但在区域构造影响下次级断裂发育。在花岗岩内发育有一条小型断裂构造,破碎带内花岗岩完整性差,岩体极为破碎,为V级围岩。在NNW向挤压作用下,辉绿岩脉内部或与花岗岩接触界面等相对较弱地段发生变形破坏,形成近NNE向陡倾断层,即“岩脉式断层”。辉绿岩脉内部岩体较为破碎,为IV级围岩,两侧花岗岩则较为完整。断裂构造和辉绿岩脉强烈蚀变形成的软弱结构面独立成为工程地质单元,构成隧道岩体稳定主要边界。

1.5 水文地质

隧区内岩体内裂隙发育不密集,但裂隙延伸远,尤其是辉绿岩脉体沿裂隙侵入后,让裂隙具有一定的开启度,同时造成脉体附近岩体较为破碎,有利于地下水的储存。据调查,区内各支沟内水量较丰富。因此该水文单元内富水性一般较好。

2 初始地应力场分布特征

2.1 区域地应力特征

线路区域位于川滇南北构造带北段,主要受印度板块北移、青藏高原物质向东南侧移及华南板块强烈阻挡作用,同时受鲜水河断裂带左行走滑作用控制,按照Anderson理论和摩尔库伦理论分析得到区域现今构造应力场以NWW-SEE向挤压作用为主,该应力场方向与本区震源机制解反演的主压应力方向高度一致[13]。区域主应力方向和隧道轴线近于平行,对隧道围岩的稳定性影响相对有利。

2.2 现场实测地应力

为初步获取隧址区内地应力场分布特征,在钻孔K61384L12.3处基于水压致裂法进行了原位地应力测试工作,共获得13个深度的测段主应力数据,测试结果如表1所示。

表1 钻孔水压致裂地应力测试结果Table 1 Measurement results of in-situ stress caused by water pressure in borehole

测试钻孔部位最大水平主应力方向侧压系数σH/Sz取值范围为0.7～0.9,平均值为0.8,说明应力场总体呈现出σz>σH>σh的特征,工程区地应力场以竖向应力为主。通过对测深范围内主要结果进行拟合分析,如图3所示。竖向应力线性拟合系数接近于1,是因为水压致裂法测得的竖向应力是根据上覆土层厚度计算而来;最大水平主应力和最小水平主应力的线性拟合系数分别为0.927 7和0.957,表明水平主应力随埋深变化趋势有较高的符合度。该钻孔数据显示各主应力特征明显,且测试在较大深度范围内完整段花岗岩中进行,因此可以用于隧道初始应力场的反演分析。3个不同深度测段的压裂缝方向印模结果显示,测深范围内最大水平主应力方向在N26°W～N36°E(NNW向),与区域主应力方向一致,印证了测量结果的可靠性。

图3 应力随埋深变化Fig.3 Variation of stress value with depth

2.3 初始地应力场反演

由于场地、经费等条件的限制,水压致裂法测得的地应力难以反映全线初始地应力场特征[14],因此,利用反演分析的手段获得全线初始地应力场是非常有必要的。本次反演选用多元线性回归的方法进行,该方法概念清晰,已在多个工程中得到应用,效果显著。

在地形等高线图上以隧道轴线为中心,框选附近8 000 m×1 250 m的长方形区域作为计算区域,利用SURFER、ANSYS软件生成三维实体模型,建模时分别用300 m和100 m薄层来模拟断裂带和辉绿岩脉及其影响带。为了方便计算,设x轴方向与隧道轴线方向一致,y轴方向与隧道轴线方向垂直,z轴方向与埋深方向一致。采用四面体等参单元对模型进行离散化,为了充分反映断裂带及辉绿岩脉附近地应力,该区域附近采用较高的网格密度,划分后模型单元数679 461个,节点数946 751个,如图4所示。综合参考大岗山隧道现场试验结果和JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》[15]相关经验值,取隧道岩体材料参数,如表2所示。

表2 岩体物理力学性质参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

图4 大岗山隧道三维数值模型图Fig.4 3-D numerical model of the Dagangshan tunnel

初始地应力场通常由自重应力场和构造应力场组成。由于大岗山隧道原位地应力测试结果中未包含铅垂面内的剪切应力,因此选取自重荷载、x方向水平挤压构造运动、y方向水平挤压构造运动和水平面内的剪切构造运动等4个影响地应力场的基本因素作为模型边界条件。

采用弹性本构模型进行模型计算。随机选取K61384L12.3钻孔的9个测点数据进行回归方程的拟合计算,得到1个自由项L0=7.232和4种基本因素对应的回归系数:L1=1.120,L2=1.268,L3=0.525,L4=0.972,则大岗山隧道工程区岩体的初始地应力场回归方程为

σ=7.232+1.120σ自+1.268σ构1+0.525σ构2+0.972σ构3

(1)

式(1)中:σ为初始地应力场回归值;σ自为自重引起的应力场;σ构1、σ构2分别为x、y向水平挤压构造运动引起的应力场;σ构3为水平面内的剪切构造运动引起的应力场。

提取数值模拟计算中钻孔各测点的地应力分量计算值,代入式(1)中得到各测点x、y和z方向的应力的回归值,通过坐标转换得到主应力值。利用未参与回归方程拟合的4个测点进行回归结果检验如表3所示,地应力回归值与实测值较为接近,相对误差均在20%以内。在埋深较大的测点5和12处,最大主应力方位角回归值分别为N33.2°W和N22.8°W,对比表1,相对误差在4°以内。总体而言,地应力量值和方位角的回归值误差均在合理范围内,反演结果合理、可靠。

表3 钻孔部分测点地应力回归值与实测值对比Table 3 Comparison between regression and measured results of in-situ stress of part of drilling points

由于模型存在边界效应,隧道两端地应力反演结果误差较大,故不对埋深较小、围岩较弱、岩爆发生概率小的洞口段进行地应力分析。将各应力场条件下隧道轴线处地应力回归值代入式(1),得到隧道里程K57+000～K62+300区域的竖向应力和沿x、y轴方向的水平应力,如图5所示。

图5 隧道轴向方向主应力场分布Fig.5 Principal stress field distribution along the axis direction in the tunnel

从图5中可以看出,工程区地应力场分布受地形地貌、沟谷、断裂带及辉绿岩脉影响显著。x轴方向水平应力σx走势较为平缓,埋深较浅部位以地形地貌影响较大,量值变化范围为4.57～21.30 MPa;y轴方向水平应力σy量值变化范围为4.41～31.50 MPa;竖向应力σz以地形地貌、沟谷影响较大,峰部部位应力量值相对较小,谷部部位应力量值相对较大,量值变化范围为4.04～33.25 MPa。断裂带和辉绿岩脉成为地应力场的控制性边界,其间应力量值明显小于两侧岩体,y轴方向水平应力和竖向应力均在里程K61+200附近取得最大值。当隧道埋深大于450 m时,竖向应力量值大于水平应力,说明隧道所处地应力场以自重应力为主,符合实测地应力特征。总体而言,隧道全线竖向应力和水平应力量值较高,水平构造作用明显,局部地应力复杂,具备发生岩爆条件。

3 隧道开挖岩爆预测

3.1 开挖岩爆机理

隧道开挖前,洞周围岩处于三向应力平衡状态[图6(a)],围岩具有较高的储能能力,在初始地应力作用下,储存了低于储能极限的弹性应变能。隧道开挖后,洞周围岩径向约束被解除,围岩应力状态转为双向应力状态[图6(b)],岩石最大、最小主应力差值变大,储能能力下降。开挖后,洞周围岩初始应力重新分布(二次应力),造成切向应力急剧增加,围岩中弹性应变能急剧增加,当积聚的弹性应变能超过储能极限时,弹性应变能首先以塑性破坏的形式释放,当塑性破坏不足以消耗积聚的能量时,剩余的弹性应变能将以动能的形式释放出来,如剥落、弹射、垮塌,即岩爆。

图6 隧道开挖前后洞周岩体应力变化Fig.6 Stress change of rock mass around the tunnel before and after excavation

3.2 开挖洞周应力数值计算

根据洞室开挖岩爆机理,隧道开挖后,围岩应变状态近似为与隧道断面平行的二维平面应变状态。因此建立平面模型,模型尺寸取150 m(宽)×100 m(高),隧道断面尺寸按施工设计图选取,相关物理力学参数按表2取值。采用平面四边形等参单元对隧道附近围岩进行离散化。模型的左边界施加水平约束,下边界施加竖向约束,右边界施加水平均布力σy,上边界施加竖向均布力σz,如图7所示。

图7 模型及边界简化图Fig.7 Simplified diagram of model and boundary

通过施加等效节点力模拟开挖过程中的应力释放,开挖模拟应力释放率取100%。等效节点力由初始地应力场反演结果获得。

沿隧道轴线方向每隔100 m取一个断面,采用弹塑性本构模型进行开挖计算,取得各断面洞周切向应力σθ分布云图,限于篇幅,仅展示K57+200(埋深350 m)、K58+600(埋深1 250 m)两个断面的云图,如图8所示。

图8 围岩切向应力云图Fig.8 Tangential stress of surrounding rock

分析开挖计算云图可知,所有断面处洞周最大切向应力σθmax均出现在墙脚,这是因为隧道开挖后洞周围岩全部处于受压状态,造成墙脚部位应力集中,而实际施工时墙脚会出现岩体压碎现象,基本不会发生岩爆,不考虑此处洞周切向应力。当埋深小于450 m时,计算断面水平应力大于竖向应力,洞周最大切向应力出现在拱顶,岩爆在拱顶发生;当埋深大于450 m时,计算断面水平应力小于竖向应力,洞周最大切向应力出现在边墙,岩爆在边墙发生。

3.3 基于数值计算的岩爆预测分析

基于洞周应力数值计算结果,选择卢森判据[16]、陶振宇判据[17]、王元汉判据[18]、王兰生判据[19]4种具有代表性的岩爆判据标准,具体形式如下。

卢森判据[16]为

(2)

陶振宇判据[17]为

(3)

王元汉判据[18]为

(4)

王兰生判据[19]为

(5)

式中:σθmax为隧道洞周最大切向应力;Rc为岩石单轴饱和抗压强度。

结合隧道工程地质条件和岩石试验结果,取岩石单轴饱和抗压强度Rc=87 MPa,对不同区域岩爆发生等级进行预测,如图9所示。

图9 不同判据确定的岩爆烈度和发生区域Fig.9 Rockburst intensity and occurrence area of different criteria

不同判据的岩爆预测结果显示,岩爆烈度受地形影响较大,总体随埋深的增大而增大。岩爆烈度在断裂带、辉绿岩脉内部急剧降低,是因为该区域围岩等级差,岩体破碎,完整性差,且地下水较为发育,围岩中应力得到释放或者转移,基本不会发生岩爆。

4种判据预测结果中,陶振宇判据[17]显示隧道大部分区段有强烈岩爆活动,卢森判据[16]显示埋深较大区段有强烈岩爆活动,王元汉判据[18]、王兰生判据[19]显示基本没有强烈岩爆活动。以上判据预测结果的差异较大,是因为岩爆判据标准的具体判定值都是根据某个特定隧道的实际岩爆发生情况得出来的,判定准确率受隧道埋深、岩性条件等因素影响。工程中常采用工程类比法选用岩爆判据。桑珠岭隧道[20]位于青藏高原雅鲁藏布江缝合带,最大埋深1 347 m,隧道围岩以闪长岩、花岗岩两类硬岩为主,与大岗山隧道工况类似,卢森判据[16]在桑珠岭隧道的岩爆预测中具有较高准确率,对于本工程参考意义较大。

因此,统计得到基于卢森判据的大岗山隧道里程K57+000～K62+300区域开挖岩爆分布段落及埋深情况,如表4所示。结合表4、图9(a)及隧道工程地质条件分析得到:辉绿岩脉附近花岗岩段岩爆烈度无明显变化;在里程K60+700～K61+200区域的花岗岩段,岩爆烈度明显大于全线最大埋深处(K58+760)的岩爆烈度,表明岩爆烈度受断裂带影响显著,在断裂带往深埋方向约500 m范围内岩爆发生烈度及可能性将增大;在里程K57+920～K58+680区域花岗岩段,当埋深超过800 m时有强烈岩爆活动,而在里程K59+630、K59+840位置,在埋深分别为679 m、552 m时即有强烈岩爆活动,表明在沟谷附近岩爆发生烈度及可能性将增大。

表4 大岗山隧道开挖岩爆分布段落及埋深情况Table 4 Rockburst distribution section and buried depth of the Dagangshan tunnel excavation

4 结论

(1)对大岗山隧道工程区地应力综合分析结果表明:隧道全线地应力场分布以竖向应力为主,竖向应力量值最大33.25 MPa,局部地应力复杂,水平构造作用明显,以NWW-SEE向挤压作用为主,具备岩爆发生的条件。

(2)在平面应变假设的基础上对隧道开挖洞周应力分析,当埋深大于450 m时,开挖后洞周围岩最大切向应力发生在断面侧壁,岩爆在边墙部位发生。基于卢森判据的岩爆预测结果显示,隧道埋深大于408 m时,有中等以上岩爆活动,中等、强烈岩爆段长度分别占隧道全长的13.8%、39.7%,说明隧道中高埋深段岩爆风险极大。

(3)结合应力判据岩爆预测结果和工程地质条件对从大岗山隧道岩爆情况进行综合分析,结果表明岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著,在断裂带、辉绿岩脉内部,由于其围岩软弱,地应力得到释放,基本不会发生岩爆,而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象,使得其岩爆发生烈度及可能性增大,开挖前应准确探明前方地质情况并加强防护。

(4)目前大岗山隧道尚未有岩爆发生,岩爆实测资料匮乏,岩爆预测结果具有较大不确定性。建议在施工中及时监测岩爆发生情况,进一步开展岩爆预测工作,同时注意保障人员设备安全。