崗木拉山隧道巖爆影響因素相關性研究

閆蘇濤

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

隨著我國鐵路向西部延伸，遇到的高埋深、高地應力隧道越來越多，伴隨著巖爆的問題也越來越突出。為保證巖爆隧道安全快速施工，巖爆準確的預測和有效的防治尤為重要，而其前提是正確地辨識巖爆影響因素［1］。巖爆影響因素極為復雜［2］，現階段普遍認為巖爆發生主要與地應力和巖石強度有關［3］，巖爆預測大多采用這兩個因素，但實際上巖爆的發生是多種因素共同作用的結果［4］，不僅有自然因素，還有人為因素，僅對影響巖爆發生的部分因素進行分析，具有片面性和局限性，巖爆預測和防治就存在盲目性。隧道施工中能否確定巖爆影響因素及這些因素對巖爆的作用程度，對巖爆預測和防治具有重要意義。

2 工程概況

拉林鐵路崗木拉山隧道位于西藏自治區米林縣境內，隧道起訖里程DK346＋340～DK358＋000，全長11 660 m，隧道最大埋深1 800 m。隧道地處雅魯藏布江桑加峽谷地貌，兩岸均為極高山，地形起伏較大。隧道圍巖主要為早白堊系英云閃長巖及閃長巖、新遠古-中元古界念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖。含水層以第四系孔隙水及基巖裂隙水為主，含水層富水性強，地下水涌水集中在隧道進口受斷層影響段落，水文地質條件簡單。

3 巖爆影響因素相關性分析

3.1 埋深與巖爆相關性

國內外隧洞巖爆多發生在埋深較大的區域［5］，普遍認為埋深大的段落巖體自重應力較大，所以容易產生巖爆。然而很多巖爆工程案例中，即使構造應力很大，巖爆發生的原始動力已經不依賴自重應力提供，這種狀態下隧道依舊很少在埋深淺的段落發生，也就是無論是否存在構造應力，巖爆都與埋深有關系，崗木拉山隧道也驗證了這一點。崗木拉山隧道兩端埋深較淺，向中間方向埋深逐漸增大，最大埋深1 800 m。由于青藏高原由亞歐板塊與印度洋板塊碰撞擠壓形成，存在很大的構造應力，很多專家認為開挖之初在兩端埋深較淺的地段就可能會產生巖爆。然而實際是隨著隧道的掘進，進口在埋深300 m左右、出口在埋深500 m左右時才發生巖爆，而且隨著埋深的增加，巖爆有增大的趨勢，分析其原因是埋深如果不夠大，構造應力無法儲存，容易消散。

3.2 巖體與巖爆相關性

巖體包括兩部分，巖塊及巖塊之間的結構面。

3.2.1 巖塊與巖爆相關性

巖爆多發生在強度大、硬脆、完整性較好的圍巖中［6］，因為這類圍巖在高地應力作用下能儲存較大的應變能。開挖卸荷之后，在集中應力作用下，巖塊受到的壓力越來越大，向臨空面的變形越來越多，巖塊所儲存的應變能越來越大，最后達到極限平衡狀態，而突然破壞向臨空面彈射［7］，這是最傳統的對巖爆的認識。巖爆的表現形式是多樣的，不僅僅有塊體彈射，還有片狀剝落、塊狀松脫等。崗木拉山隧道多表現為塊狀松脫，在圍巖壁上形成楔形或者梯形的爆坑，而松脫的塊體底面往往有原生的結構面，有的甚至在側面也存在結構面，說明此隧道巖爆的發生并不是地應力壓壞了完整的巖塊，而是先破壞了結構面，結構面強度較巖塊本身強度減小很多，導致圍巖的破壞強度降低了很多。傳統的以地應力和巖塊抗壓強度來預判巖爆的方法不再適用，巖塊本身強度對巖爆的影響已經不大了。

3.2.2 結構面與巖爆相關性

巖體中如果存在很多結構面，則地應力尤其構造應力會減小，因為裂隙為地應力提供了釋放的空間，也可以認為有裂隙說明地應力已經釋放過了。由于結構面的影響，崗木拉山隧道巖爆如果采用傳統的強度應力比的方法進行判別，則大多為無巖爆或者輕微巖爆，支護設計往往是和巖爆等級對應的，無巖爆或者輕微巖爆往往采用素噴或者錨噴支護。但在施工過程中經常有大的塊體從拱部或者邊墻沿著結構面塌落，這也是現場巖爆主要表現形式。當有較大的塊體在自重應力和地應力共同作用下松脫時，素噴或者錨噴不足以支撐，給隧道安全施工帶來威脅，隧道內很多判定為無巖爆或者輕微巖爆的地段甚至有鋼拱架被壓彎。不設置鋼拱架工人無法進場施工，安全無法得到保證，所以巖爆預測和防治必須要考慮結構面的影響。

結構面與巖爆發生位置也有關系，在頂部或者拱腰存在結構面時（見圖1），開挖后不穩定塊體形成臨空面，在自重應力和地應力作用下很容易松脫掉落。崗木拉山隧道巖爆多發生在右上角，并且是沿著結構面松脫也證實了這一點。

圖1 洞體與結構面關系示意

3.3 平導與巖爆相關性

崗木拉山隧道正洞左側30 m設置了一個寬度為6.5 m的平導。隧道開挖初期，很多人認為由于平導先行，平導的開挖能釋放正洞周邊的應力，使正洞巖爆減弱。為了判斷平導對正洞巖爆的影響程度，建立了數值模型，通過不開挖平導和開挖平導兩種工況進行對比分析。

本次數值模擬選取DK348＋700～DK348＋720段落進行分析，此段落埋深在760 m左右，模型埋深設置為60 m，其余700 m通過等效荷載模擬。為減少邊界效應，設置兩側巖土體寬度為4倍洞徑［8］，見圖2。此段落地層主要以閃長巖為主，結合勘察資料及現場試驗數據，得到圍巖的物理力學參數如表1所示。

表1 圍巖物理力學參數

圖2 數值計算模型

圖3 隧道周邊主應力云圖

計算結果見圖3。在不開挖平導的工況下，正洞周邊主應力分別為左拱腰33.3MPa、左拱腳32.5MPa、左邊墻45.8 MPa、右拱腰33.5 MPa、右拱腳 32.6 MPa、右邊墻45.9 MPa。在開挖平導的工況下，正洞周邊主應力分別為左拱腰33.6 MPa、左拱腳32.7 MPa、左邊墻46.5 MPa、右拱腰 33.9 MPa、右拱腳 32.8 MPa、右邊墻46.1 MPa。由此可見，開挖平導和不開挖平導兩種工況下正洞周邊圍巖應力相差很小，基本可歸為計算誤差，平導對正洞周邊圍巖壓力無明顯影響，平導釋放的圍巖應力主要在其周邊塑性圈范圍內，在塑性區外影響很小，所以平導對正洞巖爆基本無影響。

3.4 時間與巖爆相關性

巖爆發生有明顯的時間效應，在開挖后4 h內是巖爆發生較頻繁的時段，這一段時間內圍巖噼啪聲、撕裂聲明顯，主要發生在掌子面及與掌子面距離一倍洞徑內，其范圍之外逐漸減小，在開挖后尚未進行初期支護裸露的圍巖發生最為頻繁。4～8 h時間段內巖爆發生頻率減緩，但發生的強度并未減小，也經常會有較大的塊體松脫和掉落。已經進行了初期支護的段落，隨著時間的推移，仍有可能發生二次巖爆破壞初支，現場很多段落在初支完成幾天甚至十幾天后發生了巖爆。所以從時間上來說沒有完全不發生巖爆的時間節點，只能加強支護防止二次巖爆破壞隧道初支，從而避免對人員機械造成傷害。

3.5 開挖方式與巖爆相關性

現階段隧道開挖方式對巖爆影響認識尚存在分歧［9-10］，有人認為巖爆隧道應分臺階開挖，因為分臺階開挖圍巖一次應力釋放不至于太多，能減少巖爆發生；有人認為巖爆隧道應全斷面開挖，斷面一次成型，以減少圍巖的二次擾動，從而減少巖爆發生。為了驗證不同開挖方式對巖爆的影響，分別采用全斷面開挖和分臺階開挖兩種工況進行數值模擬，參數同表1。

計算結果如圖4所示。隧道上部開挖之后，在拱腳處出現較大的應力集中，達到52.6 MPa；隧道下部開挖后，整個輪廓圍巖應力和全斷面開挖情況下基本一致，說明分部開挖并不能減少周圍圍巖應力，雖然分部開挖每一部都能減少地層總的應力釋放量，但是由于每一部的裸露面都較小，按面積分配下來圍巖應力并不會減小。拱腳處角度一般比墻角處小，就導致上臺階開挖后在拱腳處產生較大的應力集中，所以巖爆如果主要表現為彈射，則全斷面開挖法比分部開挖法有優勢；如果巖爆主要表現為松脫和剝落，則全斷面開挖和分部開挖沒什么區別，但是如果松脫和剝落位置在邊墻，且面積很大跨越上臺階和下臺階，則先開挖上臺階能優先固定住不穩定塊體，這種情況下分臺階開挖比全斷面開挖更有優勢。

圖4 隧道分部開挖周邊主應力云圖

4 巖爆發生機制及支護措施

4.1 巖爆發生機制

通過對已發生巖爆段落觀測，崗木拉山隧道巖爆很少有彈射，主要表現為沿著結構面松脫、剝落。隧洞開挖后，洞壁圍巖產生應力集中，由于在拱腰部位發育傾斜的結構面，在集中壓力作用下，不穩定塊體首先沿著結構面張裂，同時向臨空方向變形［11］，周邊應力進一步集中，并且狀態發生變化，裂隙開始沿著一定角度向臨空面延伸，結構面的張裂轉變為巖石的剪切，隨后不穩定塊體與母巖的連接越來越少，應力越來越集中［12］，最后達到極限平衡狀態而破壞。所以崗木拉山隧道巖爆的發生主要經過了結構面張裂、巖塊剪切、失穩破壞三個階段。

4.2 建議支護措施

從巖爆相關性分析中可知巖爆和結構面關系很密切，這和傳統巖爆的認識不一樣，支護措施也應該進行相應地改進。巖爆段落的支護不能按照巖爆級別對應關系形成慣性思維，應根據現場具體情況進行調整。隧道很多段落雖然判別為輕微巖爆，但是由于拱頂和拱腰發育有結構面，這些結構面在地應力作用下很容易發展貫通形成不穩定塊體，在自重應力和地應力作用下發生塌落，從而對施工安全造成威脅。所以在結構面不利有可能產生大塊落石的高地應力地段，不管判別為什么級別的巖爆，都必須設置鋼拱架，以確保塊體不會掉落傷人。施工中要根據結構面狀態提前判別大掉塊位置，同時還要設置臨時保護措施，以防在支護過程中產生塊體塌落。由于巖爆發生主要為塊體沿著結構面塌落，所以傳統的巖壁灑水、高壓注水等措施不再適用，這些措施會軟化結構面，從而加劇巖爆的發生，這和傳統巖爆防治措施不一樣。

5 結束語

（1）崗木拉山隧道巖爆特征和傳統巖爆不一樣，受結構面影響顯著，發生概率和發生位置都受結構面影響，而受巖石強度的影響相對較小。巖爆的發生主要經過了結構面張裂、巖塊剪切、失穩破壞三個階段。

（2）存在構造應力場時巖爆和埋深仍有關系；平導沒有改變正洞周邊的圍巖應力，所以對正洞巖爆基本無影響；全斷面開挖和臺階法開挖哪個更有優勢取決于巖爆表現形式，巖爆如果主要表現為彈射，則全斷面開挖法有優勢，如果主要表現為松脫和剝落，且不穩定塊體很大，則分臺階開挖更有優勢。

（3）巖爆的防治措施不應該僅僅與巖爆級別對應，而應該根據現場具體情況有針對性實施。由于巖爆發生主要為塊體沿著結構面松脫，當判定有大體積塊體塌落時，為確保施工絕對安全，應首選鋼拱架支護，而傳統的巖壁灑水、高壓注水等軟化結構面的措施不再適用。