引漢濟渭秦嶺隧洞5 號洞主洞段巖爆時空分布特征研究

胡恒千

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

巖爆是一種巖體從母巖脫離，并伴隨能量釋放的物理現象，是一種對人員和設備存在安全隱患的地質災害[1-2]。 國內外對其發生機理、發生條件和預判等多個方面進行了大量的研究。 萬姜林等[3]在太平驛電站引水隧洞施工現場進行了調查研究，記錄分析了433 次巖爆，研究發現了巖爆的獨特形成機理；劉立鵬等[4]依托錦屏二級水電站隧洞施工中發生的巖爆事件，利用FLAC3D 軟件模擬分析，從應力釋放率對巖爆發生機理和特征進行了解釋；張津生等[5]以天生橋二級水電站引水隧洞為例，分析了巖爆的特征；吳文平等[6]在劃分深埋硬巖隧洞圍巖的破壞模式的過程中將巖爆分為應變型巖爆和結構面型巖爆兩種；馮夏庭[7]、陳炳瑞[8]等人根據錦屏二級水電站引水隧洞現場巖爆的時空顯現特征，將巖爆分為即時型巖爆和時滯型巖爆兩類。雖然國內外許多學者對巖爆問題各方面研究做出了很多努力，但隨著地下工程埋深越來越大和巖爆形成過程及影響因素的復雜性，目前對于巖爆機制和預測等研究還不十分成熟，所以對工程現場的巖爆數據分析就顯得尤為重要，雖然周德培[9]、徐林生[10]等人在太平驛隧洞、二郎山公路隧道等多項工程中對現場巖爆進行過統計分析，并研究其發生規律，為巖爆研究提供了重要依據，但是引漢濟渭秦嶺輸水隧洞比國內外深埋長隧洞更深更長，所處的地質條件也更加復雜。 因此，有必要展開巖爆相關影響因素的研究，并為進一步的巖爆預警提供理論基礎。

本文以引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞5 號洞TBM 施工段為工程背景，通過對2018 年下半年內現場巖爆統計資料的整理，并結合微震監測分析了巖爆的時空分布特征。

2 工程背景

2.1 工程概況

引漢濟渭秦嶺隧洞嶺北TBM 施工段位于陜西省周至縣，標段全長16 690 m(樁號K46 ＋360 ～K63 ＋050)，隧洞平均坡降1/2 500[11]，高程范圍1 070 ～1 850 m，洞室最大埋深約1 570 m。 原生層理、淺層風化節理、裂隙較發育，次生構造節理裂隙總體不發育，節理、裂隙的充填性較好，洞身段位于弱風化-微風化巖體中，巖體破碎-較完整[12]。 圖1 為引漢濟渭秦嶺隧洞嶺北TBM 施工段5 號洞段地質縱斷面圖。

圖1 5 號洞段地質縱斷面圖

2.2 巖爆基礎統計

2018 年7 月1 日至2018 年12 月24 日，嶺北5 號洞主洞段有記錄的巖爆統計為82 次，其中強烈巖爆3次，占比3.7%，其余均為中等巖爆和輕微巖爆，占比96.3%，無極強巖爆發生。 在地應力和TBM 掘進擾動共同作用下引起該段巖爆事件發生，在隧洞埋深相對較淺情況下，巖爆受構造應力影響為主，在隧洞埋深相對較深的情況下，巖爆受TBM 掘進速度、巖體自重應力和構造應力三個因素共同影響。

3 巖爆空間分布特征

3.1 巖爆軸向分布特征

所研究洞段里程為K47 ＋150 ～K46 ＋360，共790 m，沿里程方向研究巖爆的軸向分布特征。 巖爆軸向分布特征如圖2 所示，此圖為每段里程內巖爆發生次數、破壞長度、微震事件數量及能量和巖爆發生時隧洞垂直埋深的最大值之間的關系圖。

受工程地質影響，隨著里程數的減少，隧洞垂直埋深逐漸增加。 從圖2 中可以看出，巖爆的發生數量和破壞長度也隨里程數的減少呈現出總體增加的態勢，但在K46 ＋750 ～K46 ＋365 之間卻出現高位振蕩現象，且巖爆數量峰值出現在K46 ＋650 ～K46 ＋550 洞段，破壞長度峰值出現在K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段；微震事件數和微震能量曲線也有沿軸線方向逐漸增加的趨勢，并在K46 ＋550 ～K46 ＋365 洞段出現急劇上升現象。 發生圖2 這種現象的主要原因為：隨著里程數的減小，隧洞埋深逐漸增加，垂直應力逐漸增大。 巖爆發生的概率逐漸增加，表明了軸向巖爆的空間分布受垂直應力作用影響較大。 巖爆發生數量和破壞長度峰值分布于不同里程段的主要原因在于K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段發生了兩次強烈巖爆，相比于中等及其以下巖爆，強烈巖爆的破壞強度更大，而微震事件及其能量的突增現象表明巖體破裂比較劇烈，擾動程度更強，進一步解釋說明了強烈巖爆和中等巖爆的區別，所以巖爆數量的震蕩起伏和巖爆數量及破壞長度峰值出現在不同洞段說明了巖爆在不同洞段會發生不同類型的巖爆，其破壞程度受巖爆數量和等級影響，同時也說明微震事件可以很好地解釋現場巖爆發生過程和破壞強度。雖然K46 ＋750 ～K46 ＋365 巖爆發生數量最多，為巖爆高風險區，但是K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段破壞力度較大，為事故高風險區。

綜上所述，秦嶺隧洞5 號洞主洞段的巖爆軸向空間分布特征受垂直應力影響作用較大，總體隨著里程數的減小呈上升趨勢，在K46 ＋750 ～K46 ＋365洞段呈現高位震蕩。 同時研究表明里程K46 ＋750～K46 ＋365 洞段為巖爆高發洞段，發生巖爆數占總巖爆數量的77%。 里程K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段出現兩次強烈巖爆，對巖體造成的破壞較大，為事故高風險洞段。 此外微震監測可以很好地解釋現場巖爆發生過程和破壞強度。

3.2 巖爆橫斷面分布特征

橫斷面巖爆分布特征的研究有利于隧洞的針對性側面支護，根據現有巖爆位置描述和記錄數據(見表1)，繪制不同位置巖爆數量占比圖，如圖3 所示。根據表1 和圖3 可以看出巖爆主要發生在右側拱肩(面向掌子面方向)位置，占比55%，超過總量的一半以上，且強烈巖爆均發生在右側拱肩位置。 拱頂和左側拱肩位置發生巖爆數量不及右側拱肩一半，其原因為：研究洞段裂隙較發育，受構造作用影響嚴重，使主應力作用于右側拱肩位置，在相同斷面，巖體的巖性相似，承載能力也相差不多，但由于右側拱肩承受應力較大，導致右拱肩發生巖爆次數最多，破壞最嚴重，且三次強巖爆均發生在右拱肩位置。

表1 現有巖爆描述和記錄數據統計

圖3 橫斷面巖爆位置分布

綜合分析表明：秦嶺隧洞5 號洞主洞段的橫斷面巖爆產生受地應力影響作用較大，巖爆發生位置主要集中在右側拱肩，且強烈巖爆均位于右拱肩發生，所以斷面分布中右側拱肩巖體穩定性相對較低，在支護過程中應加強拱頂及右側支護，增強巖體穩定性。

4 巖爆與掌子面時空關系研究

根據第2 章的分析和巖爆記錄數據，選取里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 為研究洞段，9 月1 日至12月24 日為研究時間段。 該時間段共發生巖爆69次。 此處巖爆發生位置選取破壞長度距離掌子面最近的一端為參照點，并以1 m 為一分段，圍巖揭露時間以掌子面推進過程中時間段為參照點，以間隔天數為單位。 其具體統計結果如表2 所示。

根據表2 統計數據顯示，巖爆發生位置主要是在掌子面位置，發生頻次34 次，占比49%，接近半數。 巖爆發生時間主要在掌子面開挖擾動后一天之內，發生頻次46 次，占比67%。 圖4 為巖爆發生位置與時間和掌子面之間的關系圖。

圖4 巖爆發生位置與時間和掌子面之間的關系

如圖4 所示，巖爆發生位置距離掌子面的長度和圍巖開挖擾動后發生巖爆的時間間隔變化趨勢較為相似，為總體先減小后增大再減小，不同之處為巖爆與掌子面位置關系曲線的結尾處有一個向上翹起的“小尾巴”。 圖4a 表明巖爆的發生位置主要集中在掌子面后方4 m 范圍之內，而隨著距離的增加，巖爆發生的機率逐漸減小，“小尾巴”翹起表明距離掌子面較遠地方雖然發生巖爆的可能性較小，但也存在發生巖爆的可能性。 圖4b 的變化趨勢表明研究洞段的巖爆發生時間大多數集中在掌子面開挖后24 h 之內，而隨著巖體揭露時間的增加，發生巖爆的可能性逐漸減小，對于研究洞段，間隔5 d以后沒有巖爆發生，說明該洞段應力調整時間一般為5 d，但因為隧洞施工條件的復雜性，并不能否定5 d 以后沒有發生巖爆的可能。 根據兩圖的擬合曲線可知，隨著與掌子面之間的距離增加和巖體暴露時間的增長，巖爆發生的機率都呈逐漸減小的趨勢。 分析圖4 現象的主要原因在于：巖體開挖過程中，掌子面附近的巖體應力調整比較劇烈，在快速調整的應力場中巖體來不及轉移或吸收應力，在應力超過自身極限承載能力后發生破壞，因此掌子面附近巖體是隧道開挖過程中最容易和最快發生巖爆的高風險區。 掌子面附近的巖爆釋放了大量的彈性應變能后，應力向四周調整的力度有所減小，因而隨著與掌子面距離的增加，發生巖爆的可能性逐漸減小，但因為巖體自身內部組成的復雜性，應力集中并不會隨著與掌子面距離的增加而均勻地調整，所以在距離掌子面2 m 的位置出現了折線“尖角”。 同樣的道理也說明了巖體剛開挖時，短時間內應力經過劇烈調整，導致巖體開挖24 h 內是巖爆的高發生時間段。 而隨著時間的推移，應力調整的劇烈程度越來越弱，5 d 之內基本完成二次應力平衡，隨著巖體暴露時間增長，巖爆發生的幾率越來越小。 同樣因為巖體內部的結構缺陷，應力調整過程中不會以掌子面為中心向四周均勻散射，所以產生了掌子面揭露后2 ～5 d 內巖爆發生頻次高低變化的現象。

綜上所述，秦嶺隧洞5 號洞主洞段里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 洞段巖爆發生的位置主要集中在掌子面及其4 m 范圍內(此處不包含巖爆影響的范圍)，應力調整主要集中在24 h 內，5 d 內可以基本完成應力調整。

5 微震事件時域分布規律

微震事件是巖體內部活動的表現形式，為了更好地展現微震事件的活動規律，選取11 月份發生的一次強烈巖爆來展現微震事件和巖爆的空間演化規律。 圖5 為掘進過程中巖爆事件、震級及其釋放能量的發生規律，圖中圓點數量表示巖爆發生次數，圓點大小表示巖爆釋放能量的大小，圓點顏色由紫變紅表示震級由小增大。

圖5 巖爆事件、震級及其釋放能量的發生規律

以11 月13 日為初始掌子面的掘進位置，11 月19 日為掌子面結束位置。 從圖5 中可以看出，在11月13 日時，微震事件在掌子面周圍離散分布，且數量和能量均比較弱勢，沒有明顯的規律，說明深部巖體正處于應力累積狀態。 在14 日到15 日微震事件逐漸在掌子面周圍聚集，并集中分布，且震級和能量都出現危險預警，表明此時巖體內部應力調整比較活躍，裂隙數量增多，有裂隙貫通的可能性，應發出預警信號，在16 日時，由于掌子面的持續推進，微震事件在掌子面周圍集結成核，表明此時裂隙發生貫通，巖體出現大面積破壞現象，實際情況是當天在K46 ＋550 ～K46 ＋539 里程段的右側拱部發生了強烈巖爆，這與前面分析該洞段易發生巖爆相符。 17 日時，微震事件分布呈現出長條形離散狀態，原來的微震集核區開始“擴漲”，說明此時應力正在發生轉移，不會輕易發生巖爆，但是會有發生“余震”的可能。 18 日時微震事件數量迅速減少，于掌子面附近離散分布，且事件能量和震級也較小，說明16 日發生的巖爆能量釋放比較徹底，且在經歷過2 d 的應力調整后，巖體基本趨于穩定，這與前面分析的巖爆應力調整時間也十分吻合。

6 結論

(1)地應力對巖爆的空間分布特征影響作用較大。 巖爆的軸向分布受垂直應力影響作用較大，橫斷面分布主要集中在拱頂和拱肩位置，受主應力方向的影響作用較大。

(2)巖爆發生的位置主要集中在掌子面及其4 m范圍內，應力調整主要集中在24 h 內，5 d 內可以基本完成應力調整。

(3)微震監測系統分析研究結果可以很好地解釋現場實際巖爆的孕育規律和時空分布特征。