高原地區高地應力隧道巖爆預判方法

王永福

(中鐵二十一局集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

高原地區高地應力隧道巖爆預判方法

王永福

(中鐵二十一局集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

盆因拉隧道是新建拉薩至日喀則鐵路的關鍵性控制工程，在盆因拉隧道的施工時巖爆頻發。對隧道巖爆地質段的巖性進行了現場測試及室內試驗，依據試驗結果，分別采用巖石彈性應變指數、最大儲存彈性應變指標、強度脆性系數等指標對巖爆傾向進行了預測，可對工程施工予以指導。

高原 深埋長大隧道 地應力 動力失穩 巖爆預判

由中鐵二十一局承建的拉薩至日喀則鐵路TJ5標盆因拉隧道全長10 410 m，最大埋深1 080 m。該隧道洞身巖體存在較大的構造應力，處于高地應力區，被列為重大危險源。由于巖爆發生時間、位置具有不確定性，如何有效地預判巖爆成為盆因拉隧道快速、安全施工的關鍵。中鐵二十一局拉日鐵路指揮部進行了高原地區高地應力隧道巖爆地段施工技術攻關，使整個施工過程均處于受控狀態，并提高了巖爆區域隧道的施工作業效率。

1 工程地質條件

1.1 工程地質特征

根據地質調繪研究，盆因拉隧道及斜井通過區出露的地層為燕山期閃長巖，局部地表覆蓋0～3 m的粗、細角礫土。其中燕山期閃長巖以青灰色、淺灰色為主，中粗粒結構，塊狀或碎塊狀構造。其礦物主要成分為角閃石、石英、長石、黑云母等，巖體致密、堅硬，局部夾石英巖脈，節理、裂隙較發育，巖體較完整。強風化層厚1～5 m，Ⅳ級軟石，Ⅳ ～Ⅴ級圍巖，σ0=500 kPa。弱風化層，Ⅵ級堅石，Ⅱ～Ⅲ級圍巖為主，局部為Ⅳ級圍巖，σ0=800 kPa。

1.2 工程地質構造

線路走行于岡底斯 念青唐古拉板塊(南緣)、喜馬拉雅板塊(北緣)和兩者之間的雅魯藏布江縫合帶，呈近東西向展布。印度板塊在新生代早期(漸新世—中新世)完成了雅魯藏布江縫合帶的拼合后，仍在向北運動，使得本區仍存在整體抬升、斜掀和差異性的上升運動，因此所在地區新構造運動較活躍。

1.3 區域地應力特征

盆因拉隧道位于雅魯藏布江峽谷區，地應力有明顯的重分布現象，從谷坡至山體內部，可分為應力釋放帶、應力集中帶、應力穩定帶。該隧道在雅江河谷呈近東西向展布。由于線路走向與區內主要構造線近于平行，最大主應力、斜坡應力集中帶，傍山偏壓，深埋等特點對隧道工程的設置及圍巖的穩定不利。

2 地應力測試及分析

2.1 鉆孔圍巖應力狀態

采用水壓致裂法進行地應力測試時，對巖體作了下列假定:圍巖是線性、均勻、各向同性的彈性體;圍巖為多孔介質，注入的流體按達西定律在巖體孔隙中流動。另外，當鉆孔為鉛直方向時(如本次測試孔)，假定鉛直向應力(主應力之一)大小等于上覆巖層的自重壓力，則水壓致裂法地應力測試的力學原理可以簡化為彈性平面問題［1-2］。

2.2 測試步驟

在進行水壓致裂測試之前，必須對鉆孔進行檢查，包括巖芯獲得率RQD、透水率ω、鉆孔傾斜度等。然后根據工程的需要選擇合適的壓裂段。同時在現場對壓力傳感器進行標定，對每根加壓鉆桿進行密封檢驗。水壓致裂法測試步驟如下:

1)坐封。通過鉆桿將2個可膨脹的橡膠封隔器放置到選定的壓裂段加壓使其膨脹、坐封于孔壁上，形成承壓段空間。

2)注水加壓。通過鉆桿推動轉換閥后，液壓泵對壓裂段注水加壓(此時封隔器壓力保持不變)，鉆孔孔壁承受逐漸增強的液壓作用。

3)巖壁破裂。在足夠大的液壓作用下，孔壁沿阻力最小的方向出現破裂，該破裂將在垂直于截面上最小主應力平面內延伸。當泵壓上升到臨界破裂壓力后，由于巖石破裂導致壓力值急劇下降。

4)關泵。關閉壓力泵，隨著壓裂液滲入到巖層，泵壓緩慢下降。當壓力降到使裂縫處于臨界閉合狀態時的壓力，稱為瞬時關閉壓力。

5)卸壓。打開壓力閥卸壓，使裂縫完全閉合，泵壓記錄為0。

6)重張。按以上2～5步驟連續進行多次加壓循環，以便取得合理的壓裂參數，以判斷巖石破裂和裂縫延伸的過程。

7)解封。壓裂完畢后，通過鉆桿拉動轉換閥，使封隔器內液體通過鉆桿排除，此時封隔器收縮恢復原狀，即封隔器解封。

8)破裂縫方向記錄。采用定向印模器，通過擴張印模筒外層的生橡膠和能自動定向的定向器記錄破裂縫的長度和方向。

2.3 測試結果及分析

地應力測試工作在盆因拉隧道2#橫洞的地應力鉆孔內進行，采用水壓致裂法。測試部位布置于鉆孔巖芯較完整部位。現場測試在2012年10月完成，共成功獲得3個測段壓裂資料、1個測段印模資料。

地應力鉆孔布置在盆因拉隧道2#橫洞 H5+50處，孔深30 m，測試時水位在孔口?？變葞r芯為閃長巖，全孔巖芯整體較完整，局部略破碎。鉆孔部位山頂高程約4 340 m，孔口高程約3 790 m，測孔部位埋深約550 m。實測結果如表1。

表1 盆因拉隧道2#橫洞水壓致裂法地應力測試結果

由表1可知，已取得的3個測點可以代表該處巖體應力狀態。最大水平主應力為24.7～27.4 MPa，平均為25.6 MPa;最小水平主應力為14.6～15.4 MPa，平均為14.9 MPa;鉛直應力σz平均為15.5 MPa。

根據地應力測試結果和隧道設計資料分析，盆因拉隧道該處埋深為530 m，附近的最大應力分布特征一般以 σH≥σz＞σh為主，部分為 σz≥σH＞ σh，σH與σz值相差＞15 MPa，因此判斷該隧道埋深超過530 m以上的巖體均處于高地應力狀態［3-4］。

3 巖石物理力學性能測定

3.1 巖芯制備

本次試驗全部巖樣用HQM-1型巖芯切磨機加工成標準長度的圓柱體，兩端切磨平整且與圓柱體軸線垂直，兩端面的不平行度＜0.015 mm。使用 SG-3型恒溫箱，采用90℃以下溫度烘24 h，然后將樣品取出放入干燥皿(底部放有吸濕硅膠)中自然冷卻。將烘干巖芯沿長軸方向0°和90°的2個位置，用精度為0.01 mm的游標卡尺測量巖芯長度，取其平均值作為巖芯的有效長度。在巖芯周向上，用同樣的方法和儀器測量其直徑，取其平均值作為巖芯的有效直徑。

3.2 巖石單軸壓縮試驗

單軸抗壓試驗按照規范分別對盆因拉隧道2#橫洞、正洞DK138+020，DK138+300處巖樣進行了干燥和飽和條件下的測試，測試數據有彈性模量、泊松比、縱橫波波速、應力值等，結果見表2。

3.3 單軸循環加卸載試驗

本次巖石單軸循環加卸載試驗通過軸向壓力控制，試驗加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強度80%左右的時候卸載，試驗結果見表3。

4 巖爆傾向性分析

4.1 巖石彈性應變能指數

巖石試樣彈性應變能計算如圖1所示。從理論上講，在試驗中應從巖石的峰值強度點開始卸載，以求算彈性應變能指數 Wet，但由于試驗時難以控制到峰值點，所以巖石單軸循環加卸載試驗根據單軸抗壓強度確定卸載荷載。一般先將樣品加載到單軸抗壓強度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強度的5%，根據加卸載曲線計算卸載時釋放的彈性變形能量與耗散的能量之比，計算彈性應變能指數。

根據巖石單軸壓縮試驗加卸載曲線可以得到Wet

表2 拉日鐵路盆因拉隧道單軸試驗測試

表3 巖石單軸循環加卸載試驗結果

圖1 巖石試樣彈性應變能計算示意

計算公式如下

式中:Ee為峰值荷載前的彈性變形儲能(變形后儲存的最大彈性應變能);Ep為由塑性變形和內部微破裂而消耗的能量(損耗的應變能);f(ε)，f1(ε)分別為加載、卸載曲線;εt，εe，εp分別為總應變、彈性應變和塑性應變。

國內外現場試驗與研究結果表明，Wet值越大，巖石破壞的強度越大，釋放的能量也就越多，因此可以很好地反映巖爆的可能性及烈度。用Wet判別巖石巖爆傾向性的標準為:Wet≥5.0，強烈巖爆傾向;3.5≤Wet＜5.0，中等巖爆傾向;2.0≤Wet＜3.5，弱巖爆傾向;Wet＜2.0，無巖爆傾向［5-6］。

本次巖石單軸循環加卸載試驗通過軸向壓力控制，試驗加卸載速率3 kN/m，加載到單軸抗壓強度80%左右的時候卸載。試驗結果如表4，從中可以看到，巖體在壓縮過程中儲存的能量主要為彈性能 Ee，卸載后儲存在巖石中的應變能仍然較高。由表4可以得出盆因拉隧道2#橫洞及正洞有中等—強烈巖爆傾向。

表4 巖石彈性應變能計算結果

4.2 最大儲存彈性應變能指標

巖石儲存的最大彈性應變能Es可由巖石單軸抗壓強度Rb與巖石的彈性模量E計算，公式為

按最大儲存彈性應變能指標Es判別巖爆傾向性強烈程度的標準如下［7］:Es＜0.20 MJ/m3，無巖爆傾向;0.20≤Es＜0.50 MJ/m3，微弱巖爆傾向;0.50≤Es＜0.75 MJ/m3，中等巖爆傾向;Es≥0.75 MJ/m3，強烈巖爆傾向。試驗結果如表5所示。

表5 巖石試樣最大儲存彈性應變能計算結果

4.3 強度脆性系數法

巖石的單軸抗壓強度Rb與抗拉強度Rt之比稱為強度脆性系數B，它反映了巖石的脆性程度。計算公式為

國內外已有研究表明［7-8］:B≥40.0，無巖爆傾向;26.7≤B ＜40.0，弱巖爆傾向;14.5≤B ＜26.7，中等巖爆傾向;B＜14.5，強烈巖爆傾向。

根據試驗測得的結果，依據巖石脆性指標，進行盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石脆性系數B的計算，結果見表6。由表6可知，無論干燥還是飽和狀態下，盆因拉隧道2#橫洞和正洞均有強烈巖爆傾向。

表6 巖石試樣強度脆性系數B計算結果

4.4 變形脆性系數法

巖石的峰值強度前的總變形與峰值強度前的永久變形或塑性變形之比稱為變形脆性系數，變形脆性系數Ku的計算公式為

式中:U為巖石峰值強度前的總變形;U1為巖石峰值強度前的永久變形或塑性變形。

國內外已有研究表明［7-10］:Ku≤2.0，無巖爆傾向;2.0≤Ku＜6.0，弱巖爆傾向;6.0≤Ku＜9.0，中等巖爆傾向;Ku≥9.0，強烈巖爆傾向。

試驗時，一般先將樣品加載到單軸抗壓強度的70% ～90%，然后再卸載到單軸抗壓強度的5%，根據試驗測得的巖石峰值強度前的總變形與峰值強度前的永久變形或塑性變形。對盆因拉隧道2#橫洞和正洞的巖石變形脆性系數Ku進行計算，計算結果見表7。

表7 巖石試樣變形脆性系數Ku計算結果

5 巖爆預判

Barton將巖石的單軸抗壓強度Rb與最大地應力σH的比值作為預測巖爆的判據，并認為 Rb/σH≥5時無巖爆發生2.5≤Rb/σH＜5.0時有輕微—中等巖爆發生，Rb/σH＜2.5時有嚴重巖爆發生。

采用Barton判據對隧道圍巖巖爆進行預測，預測結果表明:盆因拉隧道將發生輕微～中等巖爆。預測結果如表 8 所示［11］。

表8 Barton判據(Rb/σH)預測結果

6 結論

針對拉日鐵路盆因拉隧道的地質特征，在施工中對可能出現巖爆的地段提前預判，采用理論與現場實測相結合的手段，判定掌子面前方一定范圍內巖爆發生的可能性。主要結論如下:

1)根據現場孔內水壓致裂試驗，最大主壓應力實測值(埋深為550 m)為24.7～27.4 MPa。

2)盆因拉隧道圍巖以花崗巖、閃長巖為主，巖石存在不同程度蝕變，巖石為硬脆性。

3)根據巖石的彈性應變能指數進行巖爆的傾向性分析，巖石存在中等～強烈巖爆傾向;依據最大儲存彈性應變能判斷，巖石有微弱巖爆傾向;依據巖石強度脆性系數判斷，巖石有強烈巖爆傾向;根據巖石變形脆性系數Ku判斷，巖石有中～強烈巖爆傾向。Barton判據預測結果與傾向性分析結果一致，為現場采取防護措施提供了依據。

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Prognosis method of rockburst in tunnel with high geostress in plateau areas

WANG Yongfu

(China Railway 21th Bureau Group Corporation，Xianyang Shaanxi 712000，China)

The PenYinLa Tunnel is a key project of the new Lhasa-Shigatse Railway．The Rockburst occurred frequently during the construction．The lithology analysis was conducted with a field test and a lab test．Based on the test results，three parameters were used to predict the rockburst:the index of rock elastic strain，the index of the maximum storage of elastic strain and the brittleness coefficient．This prediction can be applied to the engineering construction．

Plateau;Deeply-buried long tunnel;Crustal stress;Dynamic instability;Rockburst prediction

U456．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．06

1003-1995(2014)10-0022-05

2014-06-15;

2014-08-20

王永福(1986— )，男，河南洛陽人，助理工程師。

(責任審編 李付軍)