深埋隧道巖爆傾向性評估方法

吳春成 朱志輝 張 偉

(1. 中國鐵路青藏集團有限公司, 西寧 810007； 2. 西藏鐵路建設有限公司， 拉薩 850000； 3. 東北大學, 沈陽 110819)

某隧道位于我國西南部，埋深達 2 000 m，巖爆風險極高[1]。迄今已發生上百次巖爆，中等及以上巖爆次數較多。巖爆傾向性判別是深埋高應力隧道開挖過程中的重要內容，因此，開展深埋隧道巖爆傾向性判別方法研究具有重要意義。

關于巖爆傾向性判別方法，國內外學者在強度、剛度、突變、分形和能量等諸多方面提出了眾多巖爆風險和傾向性估計判據。代表性的有巖爆變量公式預測、經驗判據評判、人工神經網絡預測、模糊數學綜合評判、模糊概率風險預測、可拓物元評判、距離判別分析方法等。巖爆傾向性判別方法可概括性地化分為單指標經驗判據和多因素經驗評價指標或系統兩大類。單指標經驗判據方法多以強度、能量和剛度等理論為基礎，典型性的判別方法有Hoek判據[2]、Russenes判據[3]、Turchaninov判據[4]、二郎山隧道判據[5]、陶振宇判據[6]、Barton判據[7]等。面對不同工程概況，各類巖爆傾向性判據方法的適用性不同。為準確判定深埋隧道開挖過程中的巖爆傾向性，有必要針對各類巖爆傾向性經驗判據方法，開展適用性對比分析研究。

因此，本文基于某隧道工程，以巖爆傾向性單指標判別方法為對象，開展巖爆傾向性評估方法適用性對比分析研究，為深埋高應力隧道開挖巖爆傾向性判別方法選取，隧道開挖和支護方案設計提供科學依據。

1 隧道概況及其初始地應力特征

1.1 工程概況

某隧道位于我國西南部，隧道走向104°。隧道大部分為中粒角閃黑云花崗巖(E2R)，部分區段夾有極少量的偉晶巖脈(ρ)，構造發育輕微。隧道沿線發育有斷層破碎帶，寬30～50 m。隧道最大埋深處 2 080 m。根據已有的巖爆風險評估，有巖爆危害的洞段長為 12 242 m，占全長的94%，其中輕微巖爆等級洞段為 4 106 m，中等巖爆等級洞段為 5 922 m，強烈巖爆等級洞段為 2 214 m。

1.2 隧道進口工區巖爆發生情況

將該隧道2017年4月20日至次年2月25日期間施工的 1 197 m進口平導，每隔200 m進行1次統計，共統計6次。以統計范圍內所發生過的最強巖爆等級作為此200 m范圍的巖爆風險等級，并以0代表無巖爆，1代表輕微巖爆，2代表中等巖爆，3代表強烈巖爆，繪制某隧道進口平導DK 194+450～DK 195+647段沿線巖爆等級分布，如圖1所示。

圖1 隧道進口巖爆風險等級變化圖

由圖1可知，輕微巖爆里程段為1個，占比為16.7%，中等巖爆里程段則有4個，占比為66.7%；發生強烈巖爆的里程段為1個，占比為16.7%。因此，隧道進口工區該洞段開挖過程中以中等巖爆風險為主，截止到統計時期，最強巖爆等級為強烈巖爆，且巖爆主要發生在隧道拱肩至拱頂位置處。

2 巖爆傾向性經驗判據方法

單指標經驗判據方法多以強度、能量和剛度等理論為基礎。根據巖爆傾向性評估的單指標能否反映硐室開挖過程的影響和初始應力場的偏應力特征，可分為兩類：一是不能反映上述兩因素；二是能反映上述兩因素。這里，偏應力定義為σ1-σ3，即初始應力場最大主應力與最小主應力的差。這里主要介紹基于應力與強度的單指標經驗判據。

2.1 不反映洞室開挖過程影響和初始應力場偏應力特征的判別方法

(1)Barton判據

基于應力強度比或強度應力比理論，Barton等在挪威工程實踐中建立的Q系統分類，考慮巖石強度與地應力的比值，作為一個評價脆性破壞的指標，該指標判別公式為：

(1)

(2)陶振宇判據

我國學者陶振宇在Barton判據、Russense判據基礎上，結合囯內巖爆實際情況，制定了如式(2)所列巖爆判據。

(2)

式中:σc——巖石單軸抗壓強度，該隧道花崗巖單軸抗壓強度為160 MPa;

σ1——洞室圍巖的最大主應力。

2.2 反映洞室開挖過程影響和初始應力場的偏應力特征的判別方法

(1)Hoek判據

Hoek和Brown總結了發生在南非石英巖中長方形開挖隧道邊墻脆性破壞(包括巖爆、片幫和剝落)的案例，通過遠場最大主應力于巖石短期單軸抗壓強度之比作為脆性破壞評價指標進行了脆性巖體破壞模型分類，劃分公式為：

(3)

(2)二郎山隧道判據

根據二郎山隧道施工過程的巖爆事件，徐林生和王蘭生對應力強度比判據進行了總結，如式(4)所列：

(4)

式中:σmax——圍巖最大切向應力;

σθ——圍巖切向應力。

3 巖爆傾向性經驗判據方法對比分析

3.1 地應力及開挖擾動應力反演

公式表明，圍巖地應力及開挖擾動應力是巖爆傾向性判別的重要依據。為獲取某隧道原始應力場及開挖后圍巖擾動應力分布特征，建立該隧道三維地質反演模型及局部洞段開挖模型，所得結果與已有資料及地應力測試保持較好的一致性，這里不再介紹反演的具體過程。該隧道正洞沿線主應力分布特征，如圖2所示(該隧道正洞與平導間距30 m，認為二者主應力基本一致)。以此主應力作為局部洞段開挖模型的邊界條件，即可獲得隧道開挖擾動應力。該隧道開挖后圍巖切向應力狀態，如表1所示。

圖2 隧道正洞軸線主應力分布特征

3.2 巖爆傾向性評估分析

分別利用Barton判據、陶振宇判據、Hoek判據、二郎山隧道判據對該隧道巖爆傾向性進行評估分析，結果如圖3～圖6所示。

表1 隧道開挖過程中的切向應力狀態表

里程樁號埋深/m切向應力豎直水平DK 201 0～2001 326.049.78122.95200～4001 216.547.80122.45400～6001 139.045.90121.75600～8001 086.044.37120.66800～1 000981.544.07121.14DK 202 0～200820.536.94111.82200～400702.033.1994.41400～600595.530.7981.96600～800397.023.5167.13800～1 000183.013.4037.39DK 203 0～200133.510.5124.74200～400105.58.9518.59400～45521.04.318.10

利用Barton判據評價的該隧道巖爆風險，如圖3所示。

圖3 由Barton判據確定的隧道開挖巖爆風險

由圖3可知，由Barton判據確定的該隧道巖爆風險分為無巖爆、中等巖爆及強烈巖爆，其中，進口 DK 190+408～DK 190+950長542 m，出口DK 202+558～DK 203+455長897 m，共 1 439 m為無巖爆區域，從DK 190+950～DK 202+558長11 614 m為中等巖爆區域，占全部里程的88.98%。由于最大主應力與單軸抗壓強度比值大于2.5，所以全長以中等巖爆為主。但Barton判據缺乏對強度應力比大于5時的分級，對于這個范圍的巖爆風險分級不夠精確。

利用陶振宇判據評價的該隧道開挖巖爆風險，如圖4所示。

圖4 由陶振宇判據確定的隧道開挖巖爆風險

由圖4可知，由陶振宇判據確定的該隧道巖爆風險分為無巖爆、低等巖爆、中等巖爆及高巖爆。其中，進口DK 190+403～DK 190+603，出口DK 203+142～DK 203+455共513m為無巖爆風險，即有巖爆風險的區段為 12 540 m，占全隧的96.1%，其中低等巖爆風險的區域為DK 190+603～DK 190+878，DK 202+658～DK 203+142，共759m。其余里程即DK 190+878～DK 202+658共 11 781 m為中等巖爆風險。

受地應力影響，該隧道開挖過程中圍巖最大切向應力σmax為Y向水平應力，其作用于拱頂及拱肩，引起拱頂及拱肩的片幫及巖爆。隧道垂向作用應力σv為垂直應力，作用于拱腰，引起拱腰的片幫及巖爆。由于拱頂巖爆風險遠大于拱腰巖爆風險，本文利用Hoek判據分析了拱頂的巖爆風險，如圖5所示。

圖5 由Hoek判據確定的隧道拱頂巖爆風險

由圖5可知，DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，拱頂有嚴重巖爆風險，其他進出口共 2 903 m為片幫至中等破壞。拱腰部分多表現為剝落與片幫破壞，DK 191+288～DK 202+408共 11 120 m，其他進出口共 1 933 m無或支護后穩定。當然也有拱頂或拱肩巖爆發育延伸至拱腰，引起拱腰巖爆或片幫等現象。

利用二郎山隧道判據評價的隧道巖爆風險，如圖6所示。

圖6 由二郎山隧道判據確定的隧道巖爆風險

由圖6可知，采用二郎山隧道判據能較準確的評價該隧道巖爆風險，其中，拱頂有巖爆風險的區段為DK 190+708～DK 203共 12 292 m，占全隧的94.2%，其中有嚴重巖爆風險的為DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，占全隧的77.8%。拱腰有巖爆風險的區段為DK 192+408～DK 201+308共 8 800 m，占全隧的67.4%。

3.3 巖爆傾向性經驗判據方法適用性分析

該隧道進口各分析單元巖爆風險評估與實際發生的對比結果，如表2所示。

表2 隧道DK 194+450～DK 195+647段巖爆風險等級不同判據方法判定結果對比表

巖爆判據低估率/%高估率/%正確率/%誤判率/%Hoek判據083.316.783.3二郎山隧道判據083.316.783.3Barton判據16.716.766.733.4陶振宇判據16.716.766.733.4

由表2可以看出：

(1)反映洞室開挖過程影響和初始應力場的偏應力特征的二個判據準確率均較低，普遍為高估巖爆風險(評估為強烈，實際以中等巖爆為主)。

(2)不反映洞室開挖過程影響和初始應力場的偏應力特征的判據中：Barton判據、陶振宇判據準確率均達到了66.7%，適宜于該尺度(200 m為單元)的某隧道巖爆風險評估，但少量洞段(占比16.7%)存在低估的情況。

(3)總體來說，在大尺度(200 m為一單元)上，采用Barton判據、陶振宇判據能較為準確評價巖爆風險等級。

(4)在巖爆潛在發生位置上，反映洞室開挖過程影響和初始應力場的偏應力特征的二個判據均給出了較為準確的判斷。

3.4 深埋隧道巖爆傾向性評估建議

(1)由圖1可知，該隧道曾發生強烈巖爆，而大多洞段在開挖過程中發生中等巖爆。運用上述4個巖爆風險判據可以在大尺度上給出較為正確的巖爆風險等級，尤其是Barton判據、陶振宇判據，為隧道掘進前的選址選線、工程設計等提供依據，適用于隧道開挖前的巖爆風險評估。

(2)隧道施工過程中，除地應力及巖石強度外，巖爆風險更與水文地質條件、洞型尺寸、施工速率等因素相關，應開展隧道施工過程中的巖爆風險多指標評估。通過微震等巖爆實時監測預警手段，為深埋隧道的安全快速施工提供有效幫助。

4 結論

(1)深埋硬巖隧道巖爆災害頻繁，如某隧道DK 194+450～DK 195+647段，該洞段大部分區域發生了巖爆，以中等-強烈巖爆風險為主，且主要發生在拱肩至拱頂部位。

(2)巖爆傾向性單指標經驗評估方法應用分析表明：采用Barton判據、陶振宇判據能較為準確評價巖爆風險等級，反映洞室開挖過程影響和初始應力場偏應力特征的判據方法(Hoek判據、二郎山隧道判據)對巖爆傾向性判別的準確率較低，但能夠較為準確判斷巖爆可能發生位置。

(3)深埋隧道巖爆傾向性評估應采用綜合多類經驗指標的評估方法。開挖過程中，還應開展微震監測，為深埋隧道的安全快速施工提供有效幫助。