圭嘎拉高速公路隧道地應力特征及巖爆預測

邢 軍，王建斌，蔣 蕾，董小波

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710078；2.西安中交公路巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710075；3. 西安市地質環境監測站，陜西 西安 710021)

圭嘎拉隧道是我國青藏高原地區最長的深埋特長公路隧道，隧址區南側靠近雅魯藏布江北界斷裂帶，高地應力、高地溫熱害等特殊工程地質問題突出。在高地應力條件下硬質巖掘進過程中極易產生巖爆，嚴重威脅著建設者的生命財產安全[1]。如2010年11月28日發生于中國錦屏二級水電站2 500 m埋深的引水隧洞中的巖爆，導致了7人死亡和掘進機的嚴重損壞。由此可見，對隧道地應力分析及巖爆預測的準確性是決定工程設計成敗的關鍵。國內外學者對巖爆的發生機理、形成機制等進行了大量研究，何滿朝等[2]認為巖爆的發生次數、強度和規模與埋深呈正相關；Jianchao Wang等[3]認為剪切作用達到一定程度時，采場附近容易發生巖爆，而這種剪切作用是由巖石裂隙帶原有的非均勻應力與采煤工作面超前應力共同組成；Yanbo Zhang等[4]對巖爆的產生條件和表現形式進行了歸納和分類，認為今后應采用多場耦合的方法對巖爆預測進行研究；Zengqiang Yang等[5]認為在強采礦擾動的影響下，采空區超前段易受動、靜聯合荷載的影響而發生沖擊地壓。對于巖爆的預測也進行了大量的工程實踐，杜世回[6]對秦嶺翠華山特長隧道的高地應力巖爆預測問題進行了探討，認為基于地應力參數和巖石參數計算得出的巖爆可能性結論具有片面性；鄧小鵬等[7]基于地應力測試、數值模擬、多種巖爆應力判據等方法對寶塔山特長隧道地應力場與巖爆進行了分析預測；王慶武等[8]采用工程類比、數值反演等方法對巴玉隧道地應力場進行了分析，并利用修改后的谷—陶巖爆判據對巖爆進行了預測；劉造寶等[9]提出了一種基于屬性權重的方法來量化各巖爆指標的巖爆預測模型，并應用于164個樣本進行了驗證。

以上研究成果頗豐，但對巖爆的發生機理、形成機制仍未形成統一認識，對巖爆的預測仍未形成系統的理論。鑒于此，本文依托在建的圭嘎拉隧道工程，在綜合分析區域地質構造和地應力測試成果的基礎上，選取典型斷面構建二維隧道數值計算模型，并將實測地應力值輸入模型研究地應力場的分布規律，在此基礎上進行巖爆傾向性試驗，探討劃分該隧道可能發生巖爆的強度等級。以期為本工程設計提供依據，也為鄰區類似工程提供借鑒。

1 工程地質概況

隧道地處雅魯藏布江斷裂帶的北側(圖1)，穿越地段無大型斷裂構造，以小規模壓扭性斷裂與褶皺構造為主。隧址區地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水、構造裂隙水和風化帶裂隙水，賦存于第四系覆蓋層、風化節理裂隙與構造裂隙中，主要接受冰雪消融與大氣降水補給，季節性變化明顯。鉆孔揭示的地下水埋深0～130 m，抽水試驗揭示的流量Q為12.8～26.1 m3/(h·m)，滲透系數K為0.008～0.014 m/d，屬于強富水區。

2 隧道地應力測試

2.1 鉆孔地應力測試

本文采用水壓致裂法[11]對圭嘎拉隧道進行地應力測試，該方法的優勢有如下幾點：①測量深度深；②資料整理時不需要巖石彈性參數參與計算，可避免因巖石彈性參數取值不準引起的誤差；③巖壁受力范圍廣，可以避免“點”應力狀態的局限性和巖體各向異性影響；④操作簡單，測試周期短。鑒于上述優點，該方法廣泛應用于水電、交通、礦山等工程領域。

本次地應力測試在4#、5#鉆孔內進行，其中4#鉆孔位于測設里程K19+091.5處，孔口高程5 014.5 m，鉆孔深度759.1 m，地層巖性為板巖，微風化，巖體完整性好，較堅硬，呈脆性；5#鉆孔位于測設里程K21+940處，孔口高程4 772.7 m，鉆孔深度572.3 m，地層巖性為黑云母二長花崗巖，微風化，巖體完整性好，呈堅硬狀態。地應力測試段分布在鉆孔的中、下部，4#鉆孔測試深度為164.0～740.3 m，5#鉆孔測試深度為146.0～560.3 m，分別在4#、5#鉆孔進行了12段、10段地應力測試與5段定向印模測試，壓裂段長0.8 m，地應力測試結果[12]見表1，工作區工程地質縱面如圖2所示。

圖1 研究區構造簡圖Fig.1 Simplified structural map of the study area

鉆孔編號測試段編號深度/mσH/MPaσh/MPaσv/MPaσp/MPaσH/σvσh/σv(σH+σh)/2σvσH方向4#1164.5～165.38.345.324.281.95 1.57 0.80 1.19 2227.5～228.39.686.685.921.64 1.45 0.89 1.17 3272.5～273.310.337.177.091.46 1.44 0.99 1.21 4326.3～327.110.908.248.481.29 1.32 1.03 1.18 5389.5～390.312.2510.2510.131.21 1.20 0.99 1.09 NE 41°6443.3～444.114.4111.1011.531.25 1.30 1.04 1.17 7497.5～498.315.9712.3312.941.23 1.30 1.05 1.17 NE 43°8551.3～552.118.0613.2614.331.26 1.36 1.08 1.22 9617.5～618.319.8515.3016.061.24 1.30 1.05 1.17 NE 38°10677.3～678.122.2916.8817.611.27 1.32 1.04 1.18 11722.5～723.323.3017.4818.791.24 1.33 1.07 1.20 NE 39°12740.3～741.123.8118.0619.251.24 1.32 1.07 1.19 NE 40°平均值1.351.351.011.18NE 40.2°5#1146.5～147.310.436.893.882.69 1.51 0.56 1.04 2200.3～201.111.777.755.312.22 1.52 0.69 1.10 3254.5～255.312.618.766.741.87 1.44 0.77 1.10 4308.3～309.115.3410.608.171.88 1.45 0.77 1.11 NE 43°5362.5～363.316.4311.889.611.71 1.38 0.81 1.10 6410.3～411.118.3913.1510.871.69 1.40 0.83 1.11 NE 39°7461.5～462.319.3313.9512.231.58 1.39 0.88 1.13 8506.3～507.120.7714.6413.421.55 1.42 0.92 1.17 NE 42°9542.5～543.321.5515.3214.381.50 1.41 0.94 1.17 NE 40°10560.3～561.121.7815.6514.851.47 1.39 0.95 1.17 NE 44°平均值1.811.430.811.12NE 41.6°

注：σH、σh、σv分別為最大、最小水平主應力和根據上覆巖體埋深計算的垂向主應力。

圖2 隧道工程地質縱斷面簡圖Fig.2 Geological profile of the tunnel engineering

在4#鉆孔測試深度(741.1 m)范圍內，最大水平主應力最大值為23.81 MPa，最小水平主應力最大值為18.06 MPa；5#鉆孔測試深度(561.1 m)范圍內，最大水平主應力最大值為21.78 MPa，最小水平主應力最大值為15.65 MPa。從圖3可知，側壓系數在淺部較大，測點達到一定深度后，其側壓系數變化相對穩定；各測試孔側壓系數均大于1，主應力大小關系均為σH>σh>σv，說明隧道埋深處地應力特征以水平構造應力為主。

圖3 側壓力系數隨深度變化曲線Fig.3 Change in the lateral pressure coefficient with depth

表1中分析了2個鉆孔的最大水平主應力與最小水平主應力的比值、最大水平主應力與垂直應力比值、最小水平主應力與垂直應力比值、水平主應力平均值與垂直應力比值。最大水平主應力方向約為NE40.9°，隧道洞軸線方向為133°，兩者呈正交關系，不利于隧道圍巖的穩定性。當水平主應力平均值與垂直應力比值為1.0時，圍巖的應力分布會比較均勻，對圍巖穩定性有利，但測試結果表明兩者比值的平均值為1.12，圍巖應力分布不均。同時，由于σH/σv的比值較大(1.20～1.57，均值1.39)，最大水平主應力絕對值也較大(23.81 MPa)，具備產生巖爆的條件。

2.2 地應力與埋深關系

將所得水平最大主應力、最小主應力進行線性擬合，得圖4。可知，地應力隨深度增加而增大，呈近似線性關系。

圖4 應力與深度測試線性擬合曲線Fig.4 Linear fitting curve of stress and depth test

3 地應力特征數值分析

本隧道涉及的地層巖性可概化為黑云母二長花崗巖、板巖、變質砂巖三種巖性，其中黑云母二長花崗巖的飽和抗壓強度最大，普遍埋深也較大，高-極高應力段落長度最長，發生巖爆的可能性最大。進行地應力測試的兩個鉆孔中，5#鉆孔的地層巖性為黑云母二長花崗巖。由于篇幅有限，這里以5#鉆孔所在里程斷面為例，通過建立隧道二維數值計算模型，將巖石物理力學試驗、地應力測試結果輸入計算模型，對隧道開挖前后地應力場及開挖后的凈空位移場的分布規律進行分析，進而預測巖爆等級。

3.1 數值模型的建立

該斷面位于測設里程K21+940，隧道埋深560 m，地層巖性以黑云母二長花崗巖為主，洞身為微風化，局部夾少量變質砂巖俘虜體，地表覆蓋層厚度小于5 m，建立二維數值計算模型如圖5。

圖5 二維計算模型Fig.5 2D computation model

為了更加真實地反映隧道地應力分布情況，根據實測斷面確定模型范圍：水平方向(x軸)長度取160 m，垂直方向(y軸)兩側取值均為600 m。根據鉆孔實測資料，地層可概化為中-微風化黑云母二長花崗巖。模型類型為二維平面應變模型，網格的劃分采用四邊形+三邊形相結合的形式，共劃分網格592個，節點627個，屈服準則選取Mohr-Coulomb準則，本構模型采用彈塑性莫爾—庫倫模型，該模型參數包括彈性模量E、泊松比λ、黏聚力C和內摩擦角φ。邊界條件定義為：左右邊界均施加法向約束，底部邊界施加固定約束，地表為自由邊界。荷載采用自重、地應力實測值與擬合函數(圖6)，由于最大水平主應力方向與隧道呈90°交角，地應力荷載可施加于左側邊界。

圖6 地應力荷載函數曲線Fig.6 Geostress load function curve

在結合現場勘探、地應力測試與室內巖石物理力學試驗的基礎上，綜合確定計算參數(表2)。

表2 地層計算參數Table 2 Stratigraphic parameter

3.2 計算結果

從圖7可知，主應力分布呈橢圓狀不均勻分布，這是由水平應力與自重應力疊加后的應力不均導致的，而地應力測試結果表明隧道以水平構造應力為主，數值分析與地應力測試所得規律一致。隧道開挖后易在洞室周邊形成應力集中(圖7b)，由于圍巖屬于脆性堅硬巖類，自身及周邊圍巖儲存的能量需要迅速釋放，這就導致巖體獲得了動能，以應力波的形式釋放，進而產生巖爆。

圖7 開挖前后主應力分布等值線圖Fig.7 Contour map of the principal stress distribution before and after excavation

從圖8(a)、(c)可知，在水平地應力下，隧道凈空位移、等效應變均呈不對稱分布。由于受力不均勻，隧道施工可能產生左側邊墻、仰拱及拱腳的嚴重變形、破壞，施工中應引起足夠的重視。

從圖9可知，開挖后隧道洞身3～5倍洞徑范圍內的剪應力變化較大，開挖后應力較開挖前增大了14%，可見這部分增加的應力與凈空條件是產生巖爆的主要原因。

圖8 凈空位移、應力應變等值線圖Fig.8 Contour map of displacement and stress strain

3.3 數值計算與實測結果對比

從整體上看，圍巖應力大小與隧道埋深呈正相關。根據數值計算結果，對比深孔實測結果(表3)，隧址區存在水平構造應力，4#孔為23.81 MPa，5#孔為21.78 MPa，水平構造應力與隧道軸向呈正交關系，隧道開挖會導致洞室圍巖應力狀態的二次調整，邊墻、仰拱及拱腳部位有明顯的應力集中，開挖過程中可能產生較嚴重的巖爆。

表3 數值計算與地應力實測結果對比Table 3 Comparison between the simulated andmeasured ground stress

圖9 最大剪應力隨深度變化曲線Fig.9 Change in the maximum shear stress with depth

4 彈性應變能指數法測試

該方法由波蘭學者A Q Kidybin-shi提出，該方法認為巖爆是由于開挖卸荷后原本在初始應力場下聚集的彈性應變能突然釋放的結果，而彈性應變能的大小通常與初始地應力狀態、巖體的物理力學性質有關。因此，可通過巖石的應力-應變曲線計算彈性應變能指數來評價巖爆發生的可能。彈性應變能指數計算的示意圖見圖10，計算公式為：

(1)

式中：Wet——彈性應變能指數；

φsp——卸載后釋放的彈性應變能，對應圖中ABC所圍面積；

φst——開挖卸荷后圍巖發生的破裂與塑性變形耗散的應變能，對應圖中AOB所圍面積；

εp——塑性應變；

εs——彈性應變；

σ0——0.7～0.9倍巖石單軸抗壓強度，一般取0.8倍。

圖10 巖石試樣彈性應變能計算示意圖Fig.10 Diagram showing calculation of the elastic strain energy of the rock sample

國內外大量現場試驗與研究表明[13-16]，彈性應變能指數越大，開挖時圍巖釋放的沖擊能量就越大，可代表發生巖爆的可能。波蘭國家標準建議的能量預測判據如下[17]：

Wet<2.0，不會產生巖爆

2.0≤Wet<5.0,形成中、低等巖爆

Wet≥5.0,形成嚴重巖爆

本次試驗選取了10組能夠代表隧道圍巖特征的試樣進行試驗，巖性包括板巖、變質砂巖、黑云母二長花崗巖，得到的彈性應變能指數表4。三種巖性的代表性試驗單軸加載、卸載應力-應變曲線見圖11。

圖11 巖石單軸加載、卸載應力-應變曲線Fig.11 Stress-strain curve of rock under uniaxial loading and unloading

鉆孔編號取樣深度巖性與編號天然密度ρ/(g·cm-3)天然抗壓強度R/MPa飽和抗壓強度Rc/MPa黏聚力C/kPa內摩擦角φ/(°)卸載值/破壞值彈性應變能指數Wet判定結果4#733.4～734.0板巖12.6543.135.26.9742.90.671.93無巖爆4#740.2～740.8板巖22.6046.638.74.9041.70.622.45低巖爆4#743.6～35.9板巖32.5938.029.76.4243.30.581.42無巖爆4#749.2～749.8板巖42.5646.338.46.1342.60.662.38低巖爆3#151.2～151.8變質砂巖12.5843.735.67.1743.50.552.68低巖爆3#176.0～176.6變質砂巖22.4646.138.36.4643.30.524.41中等巖爆3#520.2～520.8變質砂巖32.4545.037.36.0542.90.463.89中等巖爆5#543.4～544.0二長花崗巖12.7486.479.511.5847.50.497.45嚴重巖爆5#553.0～553.6二長花崗巖22.7377.370.310.9745.80.624.98中等巖爆5#561.2～561.8二長花崗巖32.7185.778.111.3546.70.476.38嚴重巖爆5#570.4～571.0二長花崗巖42.7283.175.411.0546.10.735.96嚴重巖爆

根據以上分析，該隧道黑云母二長花崗巖段落長度3 km，且埋深均大于500 m，處于高-極高地應力水平，具備發生中等-嚴重巖爆的儲能與釋放條件；板巖段僅局部可能發生低巖爆

5 巖爆預測綜合分析與處治建議

5.1 地應力條件

隧道位于雅魯藏布江斷裂帶附近，區域地質構造顯著，該區具備了高地應力條件。隧道穿越圭嘎拉主峰，最大埋深1 200 m，埋深500 m以上區段長度達6.3 km，占整個隧道長度的48.8%，自重應力與構造應力共同形成了復雜的高地應力場。現場地應力測試結果表明：測試段(埋深大于500 m)應力絕對值處于高水平，為15.97～23.81 MPa，且水平主應力與垂直應力比值均值為1.35～1.43，反應了應力分布極不均勻。綜上，圭嘎拉隧道具備了形成巖爆的地應力條件。

5.2 巖性與結構特征

圭嘎拉隧道以新鮮的板巖夾砂巖、黑云母二長花崗巖、片麻花崗巖等脆性硬質巖類為主，巖體風化程度弱，巖質新鮮，現場鉆探揭示巖芯的RQD>83%，巖芯采取率>95%，多為長柱狀，巖芯完整性好，節理裂隙不發育，具備了較好的儲能條件。彈性應變能指數試驗表明，黑云母二長花崗巖的Wet基本上大于5，可能產生嚴重巖爆；片麻花崗巖與黑云母二長花崗巖的巖性特征類似，同樣具備產生強巖爆的可能；板巖夾變質砂巖段因巖性不穩定，節理裂隙較發育，巖爆等級以低巖爆為主。

5.3 地下水影響

圭嘎拉隧道洞身段地下水主要以基巖裂隙水為主，但由于洞身段巖體完整性好，裂隙發育很微弱，基巖裂隙水主要在隧道進口、出口段發育較為豐富，洞身段地下水的存在對圍巖起到一定的軟化作用，降低圍巖的脆性，在一定程度上能夠減弱巖爆，但由于洞身段圍巖完整性好，原生節理裂隙不發育，因此地下水對隧道巖爆的減弱效果很有限。

5.4 巖爆綜合分析結果

通過地質環境的分析、數值模擬、巖體彈性應變能以及地應力場特征的綜合判斷，圭嘎拉隧道埋深大于500 m時，板巖夾變質砂巖段以低巖爆為主(長度約3.3 km)，黑云母二長花崗巖與片麻花崗巖段以中等-嚴重巖爆為主(長度約3.0 km)。

5.5 處治措施建議

建議隧道斷面采用圓順的低邊墻斷面，盡可能使洞室周邊處于應力均勻狀態。

低巖爆段落，建議在開挖面上灑水，軟化表層。初期支護采用網噴混凝土、超前錨桿的聯合加固措施。

中等-嚴重巖爆段落，建議采用超前應力解除法、高壓注水等主動防護措施降低洞壁切向應力，初期支護采用噴鋼纖維混凝土、格柵拱架等加固措施。

6 結論及建議

(1) 圭嘎拉隧道所處的地應力狀態總體上為σH>σh>σv，地應力狀態以水平構造應力為主。實測地應力最大值為23.81 MPa，數值計算對應值為24.68 MPa，二者分布規律基本一致。

(2) 最大水平主應力方向約為NE40.9°，隧道洞軸線方向為133°，兩者呈正交關系，隧道施工中邊墻、仰拱與拱腳可能產生嚴重變形、破壞。

(3) 從巖石的應變能指數測試可知，黑云母二長花崗巖儲釋能性質具備發生中等-嚴重巖爆，板巖的儲釋能性質具備發生低巖爆。

(4) 圭嘎拉隧道具備產生中等-嚴重巖爆的條件，工程設計與施工中應采取相應的防治措施。