成蘭鐵路特長深埋隧道巖爆段應力特征

唐澤林， 羅春， 張志強*， 林迪睿

(1.中鐵隧道集團三處有限公司， 深圳 518052； 2.西南交通大學地下工程系， 成都 610031)

隨著經濟的快速發展，交通隧道、水電站、地下廠房、井巷坑道等地下工程因各行各業的需要而迅猛發展，其“長、大、群、深”的特點日趨明顯，由于艱險地質環境中應力場的分布復雜，地質構造運動強烈等原因，造成了地下工程建設過程中將不可避免的遭遇巖爆頻發的高地應力區[1-2]。

巖爆作為在高地應力環境中特有的地質災害，其發生的機制、預測及其防控措施歷來都是巖土工程界研究的熱點問題[3]。為了對巖爆進行有效的防治，減少巖爆災害對工程的損害，在隧道工程建設中，應充分考慮隧道工程所處的實際環境，采用適宜的力學參數對巖爆發生的應力特征進行分析，并制定合理的防控措施對巖爆進行防控[4]。中外學者針對巖爆發生的力學機制做了大量深入的研究：錢七虎院士依據巖爆發生的不同機制，將巖爆分為斷裂滑移型和應變型巖爆，并分析了應變型和滑移型兩類巖爆發生的力學機制和特點[5]。Manouchehrian等對深部隧道在節理面附近發生的巖爆進行了數值模擬，結果表明隧道附近位置的節理面會造成應力的集中和圍巖剛度的降低，從而誘發巖爆的發生[6]。李夕兵等[7]考慮靜應力和動力擾動對巖爆的影響，用動靜組合的加載方式考察了深埋隧道開挖過程中圍巖發生應變型巖爆的破壞特性。吝曼卿等[8]進行了不同應力梯度條件下的巖爆物理模型加卸載試驗，借助掃描電鏡對巖石試件破壞面進行細觀形貌特征分析，研究了不同應力梯度的巖爆對圍巖內部細觀結構的影響。李建高等[9]依托成蘭鐵路平安隧道巖爆現場施工，對隧道現場發生的巖爆特征進行了總結，分析了不同時段、不同隧道部位、不同等級，以及不同洞段的巖爆發生特征。

由于巖爆發生的因素與條件非常復雜，發生時又具有很強的突發性、隨機性與破壞性，因此，認清巖爆發生的力學機制，掌握巖爆孕育規律，對于準確預測、預報巖爆的發生，具有很重要的意義。為此，以成蘭鐵路平安特長深埋隧道為工程背景，以其高地應力巖爆易發段為研究對象，采用現場實測、數值分析以及室內實驗等手段，對成蘭鐵路平安特長深埋隧道巖爆段應力特征及工程效應進行了研究，相關研究成果不僅能為類似特長深埋隧道的建設提供科學依據，也能夠深化對于高地應力環境下巖爆段的應力場的認識，對相關工程的建設具有一定的參考意義。

1 工程概況

成蘭鐵路起于成都，經茂縣和松潘、九寨溝縣，最終到達蘭州，整條線路從海拔500 m的成都平原上升至海拔3 400 m的青藏高原東緣。全線橋隧工程比例大，長大隧道多，工程地質具有“四極三高”的顯著特點。成蘭鐵路與既有寶成鐵路，規劃的川青鐵路、川藏線共同構建溝通西北與西南及華南沿海的區際干線鐵路通道。平安隧道是成蘭鐵路最重要的控制性工程，隧道全長28 428 m，位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣境內桃花寨溝與太平溝之間，是中國目前西南山區已貫通的最長鐵路隧道。隧道采用分修(雙洞單線)的建設方案，左線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖段落共長7 550 m, Ⅳ級圍巖段落共長16 230 m, Ⅴ級圍巖段落共長4 648 m；右線隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖段落共長7 166 m, Ⅳ級圍巖段落共長16 465 m, Ⅴ級圍巖段落共長4 797 m。通過對已發生巖爆事件的大量統計，平安隧道巖爆頻發在地質結構較完整的Ⅱ級和Ⅲ級圍巖段和構造應力較集中的破碎帶。隧道最低高程1 690 m，最高高程4 200 m，相對高差2 510 m，最大埋深1 720 m，如圖1所示。隧道按新奧法原理組織施工，光面爆破，1噴錨初期支護，噴混凝土采用濕噴工藝，隧道開挖斷面及設計尺寸如圖2所示。

圖2 平安隧道開挖斷面圖

平安隧道隧址區屬剝蝕深切割高中山峽谷地貌，溝谷縱橫，局部為陡壁，橫穿龍塘溝、石大關等多條間溪流，并伴行岷江活動斷裂，距岷江活動斷裂約3～4 km，受其影響隧址區域內構造發育，施工揭示圍巖以砂巖、灰巖為主，天然抗壓強度最高達127.7 MPa，實測最大水平主應力為31.5 MPa。隧道主要穿越的地層巖性以砂巖、灰巖為主，多呈深灰色、灰色、青灰色，細粒結構，薄至中厚層狀、局部夾厚層狀，巖層傾角水平～陡傾狀，巖質堅硬，圍巖致密，在穿越深埋堅硬完整的圍巖段落，受高應力、強擾動、高滲透壓以及不利結構面等因素的影響，遭遇高烈度巖爆，巖爆的發生對隧道施工和人員安全構成嚴重的威脅與挑戰。

2 平安隧道巖爆的特征

為了更好地了解平安隧道巖爆發生狀況，研究成蘭鐵路特長深埋隧道巖爆段應力特征及工程效應，對成蘭鐵路平安隧道現場巖爆發生的時段、地質條件、巖爆特征進行了總結。在巖爆區段，左線的輔助坑道設在隧道的左側，右線的輔助坑道設在隧道的右側，左線為先行洞，左線比右線提前3個月貫通。隧道具體巖爆情況如表1所示。

表1 平安隧道巖爆發生情況統計

平安隧道左線D8K160+990處開挖后發生強烈巖爆，巖爆聲響有似雷管的清脆爆裂聲，掌子面巖體多處剝落，爆坑長軸約3.2 m，短軸約2.1 m，最大深度約1.2 m，最大塊徑約1.3 m，在隧道左線D8K168+938處巖性為砂巖，線路右上方開挖后發生強烈巖爆，巖爆聲響有似雷管的清脆爆裂聲，爆坑呈不規則形狀，長軸約2.9 m，短軸約2.2 m，最大深度約0.9 m，巖爆物方量約8 m3，最大塊徑約0.8 m，如圖3所示。

圖3 平安隧道左線強烈巖爆現場照片

平安隧道右線巖爆破壞程度較左線嚴重，右線部分強烈巖爆段拋射巖塊體量達到50 m3，拋射距離最遠達30 m，強烈巖爆導致右線初支結構破壞，拱架嚴重扭曲變形，局部出現嚴重垮塌。在右線貫通前50 m形成中巖柱，由于應力集中和能量集聚，發生強烈巖爆，如圖4所示。

圖4 平安隧道右線強烈巖爆現場照片

從發生時間來看，平安隧道80%的巖爆發生在隧道開挖的3 h內，屬于即時型巖爆，但局部段落在隧道支護完成后的1～2個月內仍能聽到巖爆聲響，說明平安隧道局部段落也存在時滯型巖爆。從發生巖爆的地質條件看，均為高地應力環境下的堅硬圍巖段落，對存在硬性結構面的地段，即使是零星的硬性結構面，也會誘發高烈度的巖爆，經過現場勘查發現，硬性結構面對爆坑的邊界起到至關重要的控制作用。從發生部位看，當無明顯裂隙時，巖爆易發生于掌子面待循環開挖段及開挖支護段的兩側；當掌子面圍巖呈不規則倒“U”或“S”形時，巖爆易發生于彎曲凹陷部位，當圍巖一側相對較破碎另一側圍巖整體性完整時在其交接線位置易產生巖爆。

3 平安隧道巖爆段模型的建立

對于穿越地質復雜的高地應力區的特長深埋隧道，巖爆的發生會嚴重影響工程的安全及進度[10-11]。因此，對于平安隧道這樣地質復雜的特長深埋隧道，科學地建設方案對于隧道巖爆的防治及其建設具有十分重要的意義，為了更好地了解平安隧道巖爆發生的程度，全面詳細的反映巖爆段建設方案下圍巖在高地應力條件下的力學行為特征，并對高地應力下隧道施工過程中可能發生的巖爆災害進行分析，在選定的較為合理的進尺和支護條件下進行開挖模擬，利用有限元進行了施工過程的三維彈塑性有限元動態仿真分析。

3.1 施工期間現場地應力測試

施工期間采用應力解除法測試了原始地應力。測點位置地點在右線下游YD8K168+760處，該段圍巖堅硬完整，無明顯裂隙，巖性以砂巖為主，為準確獲取原始地應力情況，避免隧道施工和地應力測試測試的相互影響，在YD8K168+760處實開鑿4 m×4 m×3 m的硐室作為地應力測試場所，鉆孔施工于硐室內壁，如圖5所示，具體步驟如下。

圖5 現場地應力測試

在測量應力的地方，打一個130 mm直徑的應力測試孔，至一定深度時，在大孔中心鉆一個36 mm直徑的測量小孔，測量孔的深度約為36 mm，然后在測空中安裝測量探頭，探頭引線與孔外測量儀器相接，測得初始值。再用130 mm口徑的鉆頭同心鉆進，開挖應力解除槽，在鉆進過程中，導線從鉆桿中心穿過，在節頭位置引出與測量儀器相連，監視解除過程中的變化，隨著應力解除槽的加深，巖芯逐漸與外界應力場相隔離，巖芯發生彈性恢復，儀器測值隨著發生變化，直至儀器讀數不再變化時，停止鉆進，取出巖芯，測試結果如表2所示。

表2 地應力測試結果

3.2 三維模型的建立

平安隧道沿線穿越多個大的地質構造，而其中數值模擬巖爆洞段受到附近兩條斷層的影響，因此，為了真實反映現場地應力情況，在YD8K168+760處即開挖洞段處，開鑿了4 m×4 m×3 m的硐室作為地應力測試場所，并采用應力解除法測試了原始地應力，而所測試得到的原始地應力是受到附近斷層的影響的，以此為依據，建立相關模型，考慮到邊界效應，模型中隧道兩側及上下位置設置為距模型邊界5倍洞徑，三維計算模型尺寸為200 m×60 m×200 m，模型中圍巖采用六面體單元進行模擬，數值計算模型共分74 620個單元，如圖6所示。

圖6 隧道模型的建立

根據測試得到的原始地應力，施加模型的邊界條件，值得說明的是，模型的三維計算尺寸雖然為200 m×60 m×200 m，但由于模擬位置開挖洞段埋深達到了1 250 m，為真實反映埋深深度，在模型頂部施加了30 MPa左右的頂部荷載，對于模型的邊界的條件，為了考慮構造應力對隧道開挖的影響，在模型的x方向邊界面上施加側壓力來模擬構造應力對隧道的影響，模型的y、z方向上分別約束該方向的平動自由度，如圖7所示。

圖7 隧道模型的邊界條件

模型的巖土材料特性考慮成摩爾庫侖屈服準則的彈性理想塑性行為。依據平安隧道地勘資料，考慮到平安隧道巖爆地段右線YD8K168+760原始地應力場的復雜性，為真實反映巖爆段地應力情況，結合現場測試所得的原始地應力，多次對模型的邊界條件及施加的荷載進行調整與修正，最終確定出適合研究位置洞段的初始地應力場，如圖8所示。

圖8 初始地應力場

平安隧道采用分修(雙洞單線)的建設方案，左線為先行洞，即左側隧道先挖，右側再開挖，在研究位置，現場開挖步距為2 m，左右洞間距為30 m,左線隧道較右線隧道先行60 m，模擬過程遵循現場的開挖順序及開挖步距，在選定的合理的支護條件下進行開挖模擬，如圖9所示。

圖9 隧道開挖過程示意

3.3 三維模型計算參數的選取

根據平安隧道的工程勘察資料以及施工設計資料，綜合確定巖爆段隧道的圍巖及支護結構的物理力學參數，其隧道的初支及襯砌的計算參數根據等效剛度法原理換算，參見表3。

表3 模型計算參數

4 平安隧道巖爆段應力特征

由巖爆的強度理論可知，巖爆發生與否與洞周圍巖的應力有很大關系[12]。開挖后圍巖出現應力集中，就有部分巖石達到其極限強度，脆性巖石就可能發生巖爆[13]。因此，對巖爆的研究必然離不開對圍巖的應力應變狀態、承載能力等問題的深入分析。為了探究高地應力環境下深埋隧道巖爆發生的機理，我們對平安特長深埋隧道巖爆段圍巖的二次應力場進行了分析，再運用經典應力巖爆判據指標，對巖爆發生進行評價，從而對成蘭鐵路特長深埋隧道巖爆段應力特征及工程效應進行研究。

4.1 平安隧道左洞巖爆段應力場分析

由3.2節可知，平安隧道采用分修(雙洞單線)的建設方案，左側隧道為先行洞，且在研究位置左線隧道較右線隧道先行60 m，根據設計資料及現場支護條件進行開挖模擬，模擬過程遵循現場的開挖順序，開挖步距為2 m，左洞計算結果如圖10所示。

由圖10可知：開挖過程中，隧道開挖斷面全截面受壓，最大主應力出現在邊墻處，剪切應力主要分布在邊墻及拱腰位置。為研究開挖過程中巖爆段隧道應力分布情況，在模型結果文件中設置監測點對模型中的應力參量進行跟蹤，從而可以獲得在模型計算過程中不同應力的變化路徑，這對于分析隧道開挖過程中隧道不同位置的應力顯得尤為重要。因此本次計算在模型求解完成后在隧道的各個部位布置了監測點來研究開挖過程中不同部位的應力變化和最終的應力狀態。

圖10 左洞隧道的應力云圖

為對隧道開挖過程中隧道不同位置的應力變化進行分析，繪制開挖過程中隧道左洞各部位最大主應力變化曲線如圖11所示。由圖11可知，各位置應力的關系為S邊墻>S拱腰>S拱頂>S掌子面中部，拱頂、拱腰、邊墻位置的主應力隨著距離的增大而變小，最大主應力值均在掌子面處，其值分別為拱頂32.63 MPa，拱腰32.76 MPa，邊墻處的受力最大，達到了34.89 MPa，說明開挖過程中邊墻位置發生巖爆的可能性較大，側壁處在較大的壓應力作用下是造成巖爆發生的主要原因，施工過程中應采取相應措施進行巖爆的防控。掌子面中部位置的主應力在開挖面處最小，最小值為17.34 MPa。

圖11 隧道左洞各部位最大主應力變化曲線

開挖過程中隧道的位移如圖12所示，結合隧道開挖過程中隧道不同位置的應力變化與隧道的位移分析發現，相比于拱頂、拱腰、邊墻等位置，掌子面中部位置的位移是最大的，說明由于在掌子面中部位置處沒有施加支護而發生了較大的應力釋放，在實際的開挖過程中，在高地應力條件下，如果洞周圍巖應力很大，且由于開挖面處結構面等不利因素的存在，就會造成掌子面中部位置處的原巖應力突發釋放而引發高烈度的巖爆，此時應在巖爆區段進行應力釋放孔的布置，起到原巖應力釋放的目的，從而在進行下一循環的開挖中減少其發生巖爆的可能，有利于巖爆的防控。

圖12 隧道的位移云圖

繪制開挖過程中隧道各部位的剪切應力變化曲線如圖13所示。由圖13可知，剪切應力主要分布在邊墻和和拱腰位置，最大剪切應力出現在邊墻位置，其值為2.03 MPa，根據Ryder提出的利用剪切應力判斷巖爆發生的超量剪應力(excess shear stress，ESS)判別指標ESS≤5 MPa[10]，開挖過程中剪切應力引發的剪切破裂型巖爆的可能性較小。

圖13 隧道左洞各部位剪切應力變化曲線

4.2 平安隧道右洞巖爆段應力場分析

根據設計資料及現場支護條件對右洞進行開挖模擬，模擬過程遵循現場的開挖順序，開挖步距為2 m，右洞計算結果如圖14所示。

圖14 隧道右洞應力云圖

由圖14可知：開挖過程中，隧道開挖斷面全截面受壓，最大主應力出現在邊墻處，剪切應力主要分布在邊墻和和拱腰位置。為研究開挖過程中巖爆段隧道右洞應力分布情況，在模型結果文件中設置監測點對模型中的應力參量進行跟蹤，獲得在模型計算過程中不同應力的變化路徑。同左洞類似，本次計算在模型求解完成后在隧道的各個部位布置了監測點來研究開挖過程中不同部位的應力變化和最終的應力狀態，如圖15所示。

圖15 隧道右洞各部位最大主應力變化曲線

繪制隧道右洞各部位最大主應力變化曲線如圖15所示。由圖15可知，各位置應力的關系為S邊墻>S拱頂>S拱腰>S掌子面中部，拱頂、拱腰、邊墻位置的主應力隨著距離的增大而變小，最大主應力值均在開挖面處，其值分別為拱頂34.11 MPa，拱腰32.86 MPa，邊墻處的受力最大，達到了34.52 MPa，而掌子面中部位置的主應力在掌子面處值最小，最小值為17.28 MPa，右洞拱頂、拱腰、邊墻以及掌子面中部位置的最大主應力值均接近先行開挖的左洞，說明左洞開挖并沒有對右洞的開挖造成影響，因此在高地應力環境下采用分修的建設方案，左右洞開挖保持30 m間距，左洞先行60 m是合適的。

繪制開挖過程中隧道各部位的剪切應力變化曲線如圖16所示。由圖16可知，剪切應力值主要分布在隧道的邊墻和拱腰位置，最大剪切應力值出現在邊墻位置，其值為2.25 MPa，其值及變化規律接近于先行開挖的左洞的剪切應力，說明二者之間無相互影響，根據Ryder提出的利用剪切應力判斷巖爆發生的超量剪應力(ESS)判別指標ESS≤5 MPa，開挖過程中剪切應力引發的剪切破裂型巖爆的可能性較小。

圖16 隧道右洞各部位剪切應力變化曲線

5 平安隧道不同位置巖爆情況

為研究巖爆對平安隧道的影響，對現場巖爆段圍巖取樣加工，如圖17所示，砂巖試驗的巖石物理參數見表4，試樣加工為直徑D=50 mm的圓柱形試件，高度為2.5D，為測定巖石的單軸抗壓強度，對試件進行了抗壓強度測試，由于巖樣采用了高度為2.5D=125 mm的非標準樣，考慮到高度對單軸抗壓強度測試具有影響，對所得試驗結果采用經驗公式進行修正，得到標準試樣下的單軸抗壓強度強度，試驗結果見表4。 該經驗公式為

表4 巖石試樣的物理參數

圖17 試驗所用砂巖試樣

Rc=8R/(7+2d/h)

(1)

式(1)中：Rc為標準件抗壓強度，MPa；R為非標準件抗壓強度，MPa；d、h分別為試件的直徑、高度，mm。

為了對隧道不同位置的巖爆情況進行預測，選擇了具有代表性的幾種判據，如盧森判據、陶振宇判據、王元漢判據、王蘭生判據、關寶樹判據以及TB 10003《鐵路隧道設計規范》和《川藏鐵路巖爆隧道設計暫行規定》均建議采用的應力判據Rc/σmax，各判據的判別情況如表5所示。根據施工過程中的現場巖爆情況，按照TB 10003《鐵路隧道設計規范》中對高地應力隧道巖爆分級的描述進行現場巖爆等級判定，參見表6，通過不同判據的巖爆預測狀況與現場巖爆發生情況的對照，參見表7，以及各個位置巖爆成因的分析，說明了對于平安隧道而言，采用應力判據Rc/σmax判斷得出的巖爆等級情況是準確且偏于安全的。因此，采用了巖石強度應力比的比值Rc/σmax作為巖爆的判定指標，并對巖爆進行分析預測，即

表5 不同判據的巖爆預測狀況

表6 巖爆分級表

表7 隧道不同位置巖爆情況

(2)

通過不同判據的巖爆預測狀況與現場巖爆發生情況的對照，結果見表7，由表7可知：通過應力判據Rc/σmax判斷出在拱頂、拱腰、邊墻位置的巖爆情況與現場開挖過程中的巖爆情況基本一致。但在掌子面中部位置的巖爆情況與計算情況有較大出入，這是因為計算過程中在掌子面處沒有施加支護而發生了較大的應力釋放，導致計算結果掌子面中部位置的應力減小，而在實際的開挖過程中，在高地應力條件下，如果洞周圍巖應力很大，且由于開挖面處結構面等不利因素的存在，就會造成掌子面中部位置原巖應力突發釋放而引發高烈度的巖爆。因此，在隧道開挖過程中，應在巖爆區段進行應力釋放孔的布置，在開挖前釋放部分原巖應力，從而在進行下一循環的開挖中減少發生巖爆的可能性，有效的控制巖爆的發生。

6 結論

以成蘭鐵路平安特長深埋隧道為工程背景，以其高地應力巖爆易發段為研究對象，采用現場實測、數值分析以及室內實驗等手段，對成蘭鐵路平安特長深埋隧道巖爆段應力特征及工程效應進行了研究，得到的如下主要結論。

(1)針對研究的高地應力巖爆段，隧道各位置的應力的關系為S邊墻>S拱腰>S拱頂>S掌子面中部，拱頂、拱腰、邊墻位置的應力隨著距離的增大而變小，應力最大值在左洞邊墻處，最大達到了34.89 MPa，隧道掌子面中部位置的應力值最小，最小值為17.28 MPa。

(2)在高地應力條件下，由于開挖面處存在結構面等不利因素，會造成掌子面中部位置處原巖應力突發釋放而引發高烈度的巖爆。因此，在隧道開挖過程中，應在巖爆區段進行應力釋放孔的布置，在開挖前釋放部分原巖應力，從而在進行下一循環的開挖中減少發生巖爆的可能性，有效的控制巖爆的發生。

(3)從發生部位看，當無明顯裂隙時，巖爆易發生于掌子面待循環開挖段及開挖支護段的兩側。開挖過程中邊墻位置發生巖爆的可能性最大，側壁處存在較大的壓應力，是造成巖爆發生的主要原因，施工過程中應采取相應措施對邊墻進行巖爆的防控，降低巖爆的強度，減小巖爆的危害，從而更好地控制巖爆發生，實現巖爆段的安全快速施工。