高地溫高應力隧道巖爆特征及機制研究

嚴 健，何 川，汪 波，徐國文，吳枋胤，潘 朋

(1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031；2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

地處青藏高原的川藏鐵路全長1 551 km，是目前我國重點建設的項目之一。沿線高地應力隧道35座、高地溫隧道13座，高地溫高地應力共存的隧道有12座[1]。在已開工建設的拉(薩)林(芝)段及毗鄰的拉(薩)日(喀則)鐵路隧道中高溫熱害和巖爆現象十分突出，例如拉日鐵路吉沃西嘎隧道巖溫最大值為57 ℃，桑珠嶺隧道巖溫最大達到89.5 ℃。在桑珠嶺隧道中，巖爆里程占到了總里程的55%。巖爆具有發生突然性、高危性特點和動力失穩特征，在高地應力隧道及地下工程開挖過程中發生頻率極高[2]。

圍繞巖爆的發生機制、發生條件、影響因素等方面，國內外眾多專家學者進行了廣泛深入研究。Ortlepp等[3]、馮夏庭等[4]系統研究了巖爆機制和巖爆孕育過程；徐林生[5]深入研究了巖爆爆源機制、破壞機制以及巖爆產生條件；He等[6]利用深部巖爆過程試驗系統從應力強度角度對巖爆分類、巖爆判據進行了研究。針對高地溫隧道，李天斌等[7]等研究了硬脆性巖石熱-力-損傷模型， 蒙偉等[8]通過疊加原理，將溫度應力場疊加到重力及構造應力場中得到了與高地溫相符的巖體初始地應力場；蘇國韶等[9]、胡躍飛等[10]、趙國凱等[11]分別就高溫后、高溫和應力循環作用下花崗巖巖爆、巖石力學特性做了分析；嚴健等[12]就高地溫對隧道巖爆發生的影響性做了探討；宮鳳強等[13]就深部直墻拱形隧洞圍巖板裂破壞開展了模擬試驗研究。在利用工程現場資料統計分析方面，相關學者分別對桑珠嶺隧道和巴玉隧道[14]、錦屏二級水電站引水隧洞[15]等大型工程的巖爆特征和巖爆機理進行了分析。上述成果對研究不同環境下的隧道巖爆特征和成因機制提供了借鑒。

本文以川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道巖爆為研究對象，就隧道開挖過程中觀察記錄的190組巖爆數據進行統計分析，并基于現場測試、數據反演分析和數值計算，就隧道巖爆高發里程段內巖爆基本特征、初始地應力、開挖卸荷洞周二次應力、高地溫以及洞壁溫降量等特征展開研究，最后基于熱力耦合計算探討了高地溫隧道巖爆機制。

1 工程概況

川藏鐵路拉(薩)林(芝)段桑珠嶺隧道位于西藏自治區山南市桑加峽谷區、雅魯藏布江縫合帶，全長16.449 km。受印度板塊向歐亞板塊相俯沖碰撞影響，桑珠嶺隧道高地溫特征顯著[16]。

桑珠嶺隧道設計之初即判定為Ⅰ級風險隧道。在隧道施工過程中產生十分頻繁、輕微到劇烈程度不等的巖爆災害。

在D1K179+740—D1K189+420段里程內(隧道第二橫通道大小里程方向)，隧道埋深在300～1 500 m之間，且全隧最大深埋和最小深埋均位于該里程段，同時，受沃卡斷層、巴玉斷層地質構造作用影響，該里程段初始地應力場復雜且多變，見圖1。

圖1 桑珠嶺隧道縱斷面圖

地質背景調查顯示，沃卡斷層全長約60 km，寬近150 m，呈W、NW傾向、近SN—NE向展布；巴玉斷層呈近南北向展布，斷裂帶寬10～20 m，于DK183+645里程處與隧道洞身垂直相交。在上述斷層兩側，巖體均為中細粒角閃黑云英石閃長巖(K2M)，就巖體脆性系數和巖體儲存最大彈性應變能分析顯示，該類圍巖具有輕微—中等級別的巖爆傾向性。

2 巖爆及巖爆特征分析

巖爆的發生機制極其復雜，相關學者從不同角度對巖爆進行了定義。Russenes[17]認為只要巖體破壞時有聲響、有新鮮破裂面，且產生片幫、爆裂松脫、剝離甚至彈射等現象即可稱為巖爆(一般的冒頂、塌方、掉塊和片幫如不具有相應的聲響特征且無新鮮破裂面則不屬于巖爆)；譚以安[18]認為只有產生彈射、拋擲性破壞者才能稱為巖爆(無動力彈射現象的破裂歸屬于靜態下的脆性破壞)；從巖爆引發地層震動以及巖爆對工程的損傷角度，Cai等[19]總結認為只有以突然、劇烈的方式發生的，且引起地層震動、會對隧道或礦井的開挖造成破壞的圍巖損傷才能被稱為巖爆(僅產生地震但本身不造成破壞的不屬于巖爆)。徐林生等[20]基于川藏公路二郎山隧道巖爆研究，從巖爆的力學機制出發認為：因開挖卸荷引起高地應力地下硐室圍巖產生應力分異造成巖石內部破裂、彈性應變能突然釋放，進而引起的巖體爆裂剝落、彈射甚至拋擲性破壞現象均為巖爆。

目前，對涉及高溫高地應力隧道的巖爆研究正在開展，所涉及的巖爆烈度分級及分級依據還沒有專題報道，為此，借鑒Russenes[17]、譚以安[18]、徐林生等[20]學者研究成果，巖爆烈度分級及主要分級依據見圖2。參考圖2中的巖爆烈度分級依據，綜合工程現場實錄的巖爆形跡、發生范圍、發生和持續時間、巖爆影響深度、聲響，將桑珠嶺隧道巖爆分為輕微、中等、強烈、劇烈4個等級(分別以數字1～4代表以上等級)。

現場不完全統計顯示，桑珠嶺隧道全隧巖爆次數高達9萬多次，且同一里程處巖爆呈現多形式、多層次錯綜復雜的特征。為厘清主次并方便統計分析，將從打鉆開始到近掌子面圍巖發出聲響同一時段內連續發生的巖爆記作一組，以該組巖爆的最高烈度及最顯著破壞特征作為巖爆的主體特征。現對2016年11 月—2017年11月施工期間，桑珠嶺隧道第二橫通道工區D1K183+000—D1K186+500段(共3 500 m)190組巖爆實錄資料進行統計分析。

2.1 巖爆基本特征統計

2.1.1 不同烈度巖爆發生位置分布特征

在截取的隧道3 500 m范圍內，隧道橫斷面內不同位置巖爆發生概率分布圖和各部位不同烈度巖爆統計結果見圖3(小里程方向正對開挖面)。分析可見：巖爆發生組數由多到少的位置分別是：掌子面、拱頂、右拱腰、邊墻以及其他位置，對應發生組數分別是71組、65組、14組、8組。同時，隧道傍河谷一側右拱肩、右邊墻和右拱腳位置巖爆烈度更高，巖爆次數亦明顯多于同一里程段內隧道左側巖爆組次。

分析認為：在空間上，巖爆發生在掌子面及其附近，該范圍在工程開挖卸荷效應影響內；受雅魯藏布江谷坡地形、河道兩岸巖性及地質構造等因素影響，隧道傍河谷一側巖體內部地應力將部分釋放，從而在地層中形成初始應力分異帶，進而影響隧道巖爆發生的空間分布。

2.1.2 不同烈度巖爆發生時間和持續時間特征

巖爆發生時間和持續時間分析見圖4(a)，開挖12 h內的巖爆次數與時間關系見圖4(b)。

由圖4(a)、圖4(b)可見，桑珠嶺隧道研究里程段內以即時性應變型巖爆為主，其主要體現在以下幾方面：時間上發生在開挖后6 h內，69.3%的巖爆集中發生在掌子面開挖后的2～4 h；巖爆次數隨開挖后暴露時間的增大呈現先增加后逐漸減小的趨勢。

2.1.3 不同位置巖爆破壞特征

巖爆形跡實錄顯示，發生在隧道不同位置的巖爆具有不同烈度和破壞特征。拱腳處巖爆頻率小，但巖爆后形成規模較大、棱錐形的爆坑，爆坑最深可達3 m，爆坑內破裂面整齊如刀切，破裂面大致垂直于隧道軸線，見圖 5(a)。在完整性差、結構面發育的洞段邊墻和大部分的拱頂處，巖爆以板裂化破壞為主。參考周輝等[21]基于錦屏二級水電站開挖過程中圍巖板裂化機制的相關研究，板裂破壞通常表現為隧道洞壁圍巖出現密集分布的同心圓、洋蔥皮層狀裂紋。在桑珠嶺隧道高地溫高應力洞段，以張拉型為主的裂紋切割圍巖形成近似平行于開挖面的巖板，受開挖擾動進而剝離母巖，形成規律性的板裂化破壞。片狀巖體直接剝落，片幫剝落具有明顯薄板狀或片狀特征，巖片厚度在18～25 cm之間，最大巖塊長度達到0.6 m，見圖5(d)。

在完整性較好、結構面不發育或局部發育的洞段，掌子面和拱頂發生強烈和劇烈巖爆時發出炮彈發射的巨響聲，產生劇烈的爆裂彈射、拋擲性破壞，見圖5(b)、圖5(c)。由于這部分里程內巖爆具有突發性，會迅速向圍巖深部發展，影響深度在2～3 m。現場記錄顯示該類型巖爆造成了隧道掌子面附近臺架嚴重毀壞，施工人員受傷的安全事故。

圖5 桑珠嶺隧道典型巖爆破壞現場實錄

2.2 初始地應力分布特征

根據桑珠嶺隧道地應力反演結果，得到第二橫通道巖爆高發段沿隧道軸線方向的初始地應力分布。其中，主應力值(最大、最小主應力，自重應力)分布規律見圖6，由圖6可知，地應力以構造應力與自重應力聯合作用為主。在埋深較大的D1K183+000—D1K185+800段以自重應力場為主，豎向主應力總體上與隧道埋深的變化趨勢一致，量值變化范圍為36.094～36.275 MPa，最大豎向應力位于D1K183+300里程；里程段內最小水平主應力變化不大，量值在2.3～11.5 MPa。

隧道軸線上最大水平主應力量值普遍較高，在埋深較淺的D1K185+800—D1K186+500段以水平構造應力場為主。由于埋深降低且靠近河谷，地質構造的影響較大，其值隨著隧道埋深的減小而逐漸減小，但最大水平主應力整體上大于自重應力；隧道工程區域整體應力場的分布整體較線性，只在近斷層處出現突變。

圖6 D1K183+000—D1K186+500隧道軸線主應力分布圖

2.3 開挖卸荷洞周二次應力特征

采用洞壁二次應力解除法現場實測開挖后巖壁的切向應力。量測點選定在隧道開挖掌子面附近洞壁，要求能最大限度保證試驗人員安全、方便現場操縱且巖體完整、受爆破影響不大。現場鉆一深度為50 mm的孔，用鉆頭將孔底磨平、磨光后在孔底粘貼電阻應變片，見圖7。利用靜態電阻應變儀讀初始讀數后，套鉆取下長度為50 mm的巖芯，讀取解除后的巖芯應變值。根據彈性力學理論，代入巖石彈性常數、測試應變值，進而推算測試處巖體所受各向應力大小。

圖7 洞壁二次應力解除

結合相關判據[22-23]，將現場巖爆高發段洞壁二次應力解除法測試并計算得到的洞周應力情況直觀形象地展示見圖8。由圖8可見：D1K183+000—D1K186+500段均處在中等—強烈巖爆區。結合現場觀察認為，桑珠嶺隧道的巖爆發生機制復雜，包含了眾多類型的巖爆機制特征。在斷面埋深最大、自重應力場最高的位置，以拱腳處發生圍巖內部影響深度大、爆坑規模大的破壞，屬于剪切斷裂型巖爆；在斷面埋深迅速降低的里程區域，隨著隧道埋深變化，地應力也出現復雜變化，在自重應力場和構造應力場發生交替過渡段，碎裂圍巖經過地質構造反復作用，內部能量已得到一定的釋放，拱頂、拱腰、邊墻等部位多以密集的輕微—中等巖爆為主，呈現低烈度、高頻次的特征，屬于應變型巖爆；在近巴玉斷層附近，應力場出現突變，開挖卸荷過程中掌子面和拱頂處產生了以爆裂彈射、拋擲形跡為主的劇烈巖爆破壞，屬于斷層滑移型巖爆。

圖8 圍巖洞壁二次應力分布圖

2.4 高溫分布及溫降特征

為了進一步掌握隧道巖爆高發段高地溫分布以及開挖中巖體內部、洞壁面溫降特征，揭示巖爆-高地溫-溫降量之間可能的聯系，獲得熱力耦合計算中的溫度邊界，課題組在施工中就隧道不同埋深時的原始地溫分布情況、以及正常通風情況下不同時間的巖石壁面溫度進行了現場測試。現場測試方案包括：利用布設在隧道兩側邊墻處的紅外測溫儀測試洞壁面溫度，通過不同深度測溫孔測試圍巖中的溫度。

根據測試數據繪出桑珠嶺隧道不同里程、不同埋深掌子面初始地溫分布，不同通風時間內的圍巖壁面溫降，以及開挖后不同時間洞壁溫度變化與巖爆分布見圖9。由圖9(a)可知，在隧道巖爆高發段，隧道圍巖溫度分布與埋深較為一致。由圖9(b)可知，在最大埋深處圍巖最高溫度89.6 ℃，在正常通風3 h后其壁面溫度依然有40 ℃；在埋深為780 m處的圍巖溫度也在32 ℃左右，正常通風后依然高于鐵路隧道施工安全要求的上限溫度(28 ℃)；由圖9(c)可知，巖爆發生頻率最高的區域與溫降急劇降低的區域存在較大的重疊。可見高溫在深埋段隨通風雖有所降低但依然嚴峻，同時，高地溫隧道開挖過程中的溫降與巖爆的發生之間存在一定聯系。

圖9 初始巖溫及圍巖壁面溫降與巖爆分布

3 桑珠嶺隧道巖爆機制探討

結合以上統計分析，考慮高地應力、開挖卸荷和溫度作用，利用開挖卸荷-溫降耦合數值模型，對高地溫高地應力下巖爆破壞機制進行探討。

3.1 開挖過程中的洞周溫度場

借助Ansys有限元軟件，采用間接熱力耦合分析方法，先進行熱分析再進行結構分析。其中，結構分析部分采用DP屈服準則，利用二維平面應變計算模型模擬隧道開挖應力釋放過程中的開挖應力釋放-溫降耦合計算。建立熱模型見圖10。其中模型幾何尺寸為100 m×120 m(高×寬)，模型單元26 136個。為模擬開挖引起的溫度分布情況，模型上下左右溫度邊界設定為89 ℃，并以多組溫度作為隧道洞壁面溫度邊界，進而簡化計算。模型參數見表1，通過瞬態熱分析得到隧道開挖后的節點溫度，得到隧道開挖后不同邊界條件時的溫度云圖，見圖11。

表1 模型相關物理力學及熱力學參數

圖10 數值計算模型

圖11 隧道開挖后洞周溫度分布云圖(單位：℃)

選取隧道洞壁15、65 ℃邊界條件時的溫度云圖，見圖11。由圖11可知，相對模型尺寸而言，溫度變化只在洞壁較薄的一層發生，變溫區在15～30 cm之間，且變溫區的尺寸與洞壁邊界溫度量值關系不大。計算結果與2.1節現場巖爆巖塊的板狀或片狀特征以及巖片18～25 cm厚度相一致。

參考文獻[24]并結合現場實錄可見，在近隧道開挖面的降溫區內，由于巖體內外大溫差影響，圍巖由臨空面向內部切割形成多組近似平行的、近同心圓狀的溫度裂縫，這些溫度裂紋受逐漸增大的切向應力作用，進而擴大并連接形成新的結構面，見圖12。

圖12 降溫區內圍巖板裂化破壞結構面形成示意圖

3.2 開挖過程中的熱力耦合分析

固定洞壁邊界溫度量值為25 ℃，根據2.4節反演得到的地溫梯度計算出不同埋深時的模型溫度邊界。假設花崗巖的物理力學參數保持不變，利用ETCHG命令，將熱單元轉換作結構單元進行求解。根據表2定義結構材料特性，上邊界豎直向下施加σy，右邊界水平向左施加σx，其中σx和σy的大小根據埋深進行適當簡化，結果見表2。

表2 桑珠嶺隧道區段地溫及構造應力表

對隧道附近圍巖進行彈塑性有限元分析。采用平面四邊形等參單元，并在計算模型的下邊界施加豎向約束，左邊界施加水平約束。求解隧道開挖前的初始地應力場，并提取洞壁等效節點力；在隧道開挖過程中，通過施加等效節點力來模擬圍巖應力釋放情況，其中應力釋放率按20%遞增。

在模型上分別施加等效節點力以及從熱分析中讀取的節點溫度。求解荷載步，實現隧道開挖溫降過程熱力間接耦合計算，進而得到隧道開挖應力釋放過程中的洞周切向應力σθ及最大主應力σ1分布云圖。限于篇幅，論文僅給出地溫85 ℃，洞壁溫25 ℃時的洞周應力云圖，見圖13。

圖13 85 ℃時不同應力釋放率時σ1、σθ云圖(單位：Pa)

根據數值計算結果，繪出2組不同埋深、不同應力情況和不同溫降量時隧道不同位置在洞周應力釋放過程中的最大主應力，和洞周切向應力變化曲線，見圖14。

圖14 不同溫差時洞周最大主應力和洞周切向應力分布變化曲線

由圖13、圖14可知：

(1)隧道開挖，應力釋放率從20% 增加到100% 過程中圍巖整體受壓且受壓范圍逐漸收窄，同時，就壓應力增加情況來看，在以自重應力場為主的埋深段(埋深1 400 m)側壓力系數λ=σx/σy<1，壓應力隨溫度升高而增大，且拱腳處增長最快，拱頂次之；在以構造應力場為主的淺深段(埋深600 m)側壓力系數λ=σx/σy>1，應力在兩邊墻、拱腰處增長最快。

(2)溫降量越高，σθ及σ1增長越快；當應力釋放率達到100%時，溫差60 ℃時的σθ增加幅度均大幅提升，可見，高溫巖體開挖出現的大溫差使洞周圍巖產生附加溫度應力，增加了應力釋放過程中的洞周應力發展速度。

(3)隧道開挖前原巖溫度和開挖后洞壁溫度差越大，對隧道洞周溫度應力變化影響越明顯，當溫差分別為15、60 ℃時，斜率分別在應力釋放率達到60%、40% 時增加，可見，溫差越大，洞周圍巖最大切向應力σθ及最大主應力σ1增長越快。

(4)在隧道洞壁面后15～30 cm，高溫巖體的迅速降溫導致硬脆圍巖開裂，與開挖卸荷作用共同導致圍巖板裂化結構面的形成，在切向集中應力的不斷增加過程作用下，巖板向隧道凈空屈曲變形，在外界擾動作用下極易發生突發性失穩破壞，形成以巖板壓折、巖塊彈射為特征的巖爆現象。

4 結論

本文對新建川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道開挖過程中觀察、記錄的大量巖爆、溫度、應力資料進行統計分析，并從熱力學角度就巖爆破壞機理進行了探討，得出如下結論：

(1)桑珠嶺隧道高地溫高應力段主要以即時型巖爆為主，開挖后4 h以內是巖爆高峰期，巖爆頻率隨開挖時間的推移呈減小趨勢。

(2)高溫巖體開挖后降溫區主要分布在掌子面、拱頂和邊墻洞壁15～30 cm范圍內，巖爆發生時間和持續時間與溫降量線性相關，且邊墻處巖石呈現板裂化巖爆特征，破裂板狀、片狀18～25 cm厚度與溫降范圍重合。

(3)高地溫高應力隧道的巖爆發生機制復雜，包含了眾多類型的巖爆機制特征，其中主要以大埋深位置剪切斷裂型巖爆，自重應力場和構造應力場發生交替過渡段的低烈度、高頻次的應變型巖爆和近斷層附近的斷層滑移型巖爆為主。

(4)高地溫在開挖釋熱過程中使巖體產生附加溫度應力，同時，較大的溫降量在圍巖較薄區域內產生的較大溫差與開挖卸荷作用共同導致圍巖板裂化結構面的形成，隨著開挖過程中的最大切向應力及最大主應力增加，在熱力耦合作用下加速了巖爆的發生。