深埋長大公路隧洞巖爆預測及防治措施

袁 海 波

(中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117)

深埋長大公路隧洞巖爆預測及防治措施

袁 海 波

(中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南 長沙 410117)

基于陶振宇判據，從地應力大小和圍巖條件兩方面考慮，對昌寧高速雩山隧道開展了巖爆預測和防治，判定結果表明雩山隧道以無巖爆為主，局部洞段可能發生輕微巖爆。

隧道，巖爆，數值模擬，防治

0 引言

巖爆是深埋地下工程常見的地質災害之一，其主要是由于完整的脆性圍巖在高地應力條件下，在隧道的開挖擾動下，發生的一種動力失穩破壞。巖爆的發生具有突發性和不確定性，常常給地下施工帶來巨大的危害。由于巖爆發生機理復雜，影響因素眾多，大量的學者對其從各個方面進行了研究，雖然得出了一些有益的結果，但還沒有統一的共識，目前巖爆預測和防治仍是一個世界性的難題。

雩山隧道是昌寧高速中最長的隧道，隧道長度大于5 000 m，而且埋深大，最大埋深超過600 m，圍巖巖性主要以砂巖為主，巖石強度高，脆性大，具有較高的發生巖爆的可能性。另外考慮到工期的因素，需提前對隧道可能出現的地質災害進行預測，做到未雨綢繆。因而對雩山隧道進行了巖爆預測，并對可能出現的巖爆提出合理可靠的巖爆防治措施具有重要的意義。

1 工程概況

文中研究的雩山隧道位于江西省境內，為昌寧高速公路的控制性工程。隧道區域處于中、低山丘陵地貌，地表植被發育，表層巖石分化嚴重。洞身最高點高程約1 160 m，地形起伏大，山勢較陡峻。隧道進出洞口地形較陡，植被發育，出洞口風化層厚。雩山隧道位于揚子準地臺之江南臺隆的豐城—樂平凹斷束及華南褶皺系之贛中南褶隆的武功山—玉華山隆斷束、大湖山—芙蓉山壟斷束、寧都—南昌拗斷束構造區。

現場采用剛性試驗機對雩山隧道砂巖巖樣進行單軸力學試驗，得到巖樣全過程的應力—應變曲線，如圖1所示。由圖1可知，該洞段巖石的單軸抗壓強度較高，可達到140 MPa以上。并且從破壞的全過程曲線來看，峰值達到一定強度以后，巖石呈突然破壞，未有較明顯的屈服過程，可見巖石的脆性較大，具有較大的發生巖爆的可能性。

根據江西昌寧高速雩山隧道的地勘報告及隧道施工后的實際現場地質調查情況，將雩山隧道分為5個研究地質段，具體樁號范圍為：YK190+508～YK191+048，YK191+048～YK191+662，YK191+662～YK192+108，YK192+108～YK192+378，YK192+378～YK192+750。

2 硐室應力場分布計算和巖爆預測

2.1 隧道開挖后周邊應力場分布情況

隧道開挖后二次應力場的計算采用大型通用有限元軟件Ansys進行計算，有限元計算模型采用5倍的影響范圍進行計算。模型采用平面應變問題進行分析，計算模型采用二維分析。在模型的底邊界采用固定約束，左、右邊界根據構造應力場的大小施加線性變化的荷載，頂邊界根據埋深施加豎向的荷載。其中右線K191+360洞段開挖后隧洞周邊二次應力場分布情況如圖2所示。

由隧道開挖后的最大主應力云圖可得，隧道開挖后隧道周邊的應力發生應力集中和應力分異，但隧道周邊的應力主要以壓應力為主。其中拱頂部位的應力最大，也是最有可能發生巖爆的部位。圖2為典型洞段的計算結果，其他洞段的計算結果可能存在差異，但應力的變化趨勢還是基本一致的。

2.2 雩山隧道巖爆預測及防治措施

現有巖爆研究結果表明，影響巖爆發生強度的主要因素為圍巖的強度條件和地應力的大小。依據這兩個主要因素，學者們提出了很多巖爆預測判據，其中主要以陶振宇判據最具代表性。陶振宇判據如表1所示。其中，σc為巖石單軸抗壓強度；σ1為最大主應力。

將隧道的圍巖強度分析結果和圍巖應力的計算結果應用于陶振宇判據，可以得出雩山隧道的巖爆強度，如表2所示。由表2的判斷結果可知雩山隧道的巖爆等級主要以輕微巖爆為主，局部為中等巖爆。

表1 陶振宇判據

表2 雩山隧道各段巖爆預測結果

對于中等巖爆的防治措施可以采用先對掌子面進行高壓噴水，軟化圍巖，并加強光面爆破，或采用預裂爆破來降低爆破對圍巖的擾動。支護方式可采用掛網噴錨支護法。錨桿采用φ25，@1.2 m×1.2 m，L=4.0 m～4.5 m，梅花形布置方案，加墊板。洞壁噴15 cm厚C20混凝土或鋼纖維混凝土；掛網：φ6.5 mm，@15 cm×15 cm。打脹殼式錨桿。對于輕微巖爆區域，可采用放炮開挖后進行高壓噴水，軟化圍巖的方法。

3 結論和建議

根據陶振宇巖爆預測判據綜合，雩山隧洞巖爆預測分析結果為：YK190+508～YK191+048，YK191+662～YK192+108，YK192+378～YK192+750不會發生巖爆，YK191+048～YK191+662，YK192+108～YK192+378可能發生輕微巖爆。

考慮到影響巖爆發生的因素眾多，在現場的巖爆預測中，應結合隧道開挖后的實際地質情況，進行巖爆的現場識別。如圍巖情況干燥完整，則參考文中巖爆預測的結果，如圍巖條件較差且裂隙水發育，則實際巖爆強度應降級處理。

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Rock burst prediction and preventive measures of deep-embedded long highway tunnel

Yuan Haibo

(ChinaRailway5thBureauGroup1stEngineeringCo.,Ltd,Changsha410117,China)

Based on Taozhenyu criteria, considering from two aspects of stress and surrounding conditions, the paper launches rock burst prediction and prevention of Yushan tunnel of Chang-Ning highway. The identification results show that: Yushan tunnel takes no rock burst as the orientation; local karst may lead to light rock burst.

tunnel, rock burst, numerical simulation, prevention

2015-01-05

袁海波(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0183-02

U455.6

A