大萬山特長深埋隧道地應力研究與巖爆分析

師永翔

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

巖爆是高地應力條件下，隧道掌子面或洞壁出現爆裂聲響、剝落、彈射、震動的地質災害現象[1]。發生巖爆的主要原因為隧道圍巖三向應力狀態所蓄積的應變能，在開挖暴露形成臨空面后瞬間轉換為了沖擊動能。國內外很多地下工程均發生過巖爆，其直接威脅人員和設備安全，影響工程進度。由于巖爆預測的復雜性，巖爆已成為地下工程世界性難題之一[2]。自1738年世界上最早記錄并報道發生在英國南史塔福煤田的萊比錫煤礦巖爆起，國內外學者在現場實測、理論分析基礎上，對隧道高地應力與巖爆做了大量的研究工作，提出了一系列的理論和方法，如失穩理論、強度理論、能量理論、斷裂損傷理論和突變理論等。目前較為認同、應用較多的是強度應力比法[3]。

大萬山隧道為山西靜興高速公路橫穿呂梁山支脈的越嶺型特長深埋隧道，設計為分離式，左洞長10 373 m，右洞長10 490 m，隧道最大埋深695 m。圍巖以硬質變質巖為主，具備可能產生高地應力與巖爆的條件。本文針對靜興高速公路大萬山特長深埋隧道進行了地應力研究，并對隧道巖爆可能發生的部位與等級進行了綜合分析。

1 隧道地應力研究

1.1 隧道地質條件

隧道所處大萬山屬呂梁山中北段的西部支脈，山體主脊主要走向為北北東南南西向（NE33°—SW213°），山脊南北走向長約30 km，總體屬基巖高中山地貌。隧址區地質構造屬呂梁—太行斷塊呂梁山塊狀隆起北西端，赤堅嶺梭形掀斜褶帶中段，靠近該褶帶的中間寬厚部位，即構造應力相對較為集中的部位。在隧址區內構造形態表現為白龍山倒轉向斜構造，并伴生部分斷裂構造。地層巖性主要為太古界與元古界硬質變質巖組成，根據鉆孔取樣與室內試驗統計，巖石飽和單軸抗壓強度平均值約80.2 MPa。隧道圍巖主要為Ⅲ級、Ⅳ級。

1.2 隧址區域構造應力分析

根據隧道周邊區域構造線的走向、構造形態組合及特征，對該區構造應力的來源與應力、構造之間的關系按應力橢球體理論進行簡要分析，如圖1，隧址區域構造主應力為壓扭應力，時期為呂梁期，壓扭主應力方向為北北西—南南東向，拉張應力方向為北東東—南西西向。壓扭應力造就了區內白龍山倒轉向斜、斷裂、韌性剪切帶構造的形成。拉張應力形成了區域范圍北北西—南南東向深大斷裂構造，為輝長輝綠巖沿深大斷裂的貫入充填提供了空間條件，對于把控隧址區整體構造應力與構造活動的關系明確了方向。

圖1 大萬山隧道構造應力分析示意圖

1.3 鉆孔水壓致裂法地應力測試

國際巖石力學學會測試方法委員會頒布的“測定巖石應力的建議方法”，包括USBM鉆孔孔徑變形測量法、CSIR鉆孔三軸應變計鉆孔孔壁應變測量法、巖體表面應力恢復測量法和水壓致裂法等方法。與其他測量方法相比，水壓致裂法具有操作簡單、測試周期短、測量深度大、測值可靠誤差較小、可連續重復測試等優點[3]。該次勘察研究在大萬山隧道向斜軸部埋深較大、成孔質量較高的SZK11鉆孔里，選取完整巖體部位進行水壓致裂地應力試驗。現場測試共取得了10個測試段的地應力結果，試驗測試數據如表1所示：在SZK11鉆孔測試深度范圍內，實測最大水平主應力值為17.25 MPa，最大水平主應力方向為NW58°左右。

表1 大萬山隧道SZK11鉆孔地應力測試成果表

地應力量值隨深度變化曲線如圖2所示，各測試段側壓系數λ（實測最大水平主應力與鉛垂向應力比值 λ=σH/σv）隨深度的關系曲線如圖3所示。

圖2 大萬山隧道應力量值隨深度變化曲線

圖3 大萬山隧道側壓系數隨深度變化曲線

測試結果表明：

a）側壓系數在淺部較大，隨著深度增加、側壓力系數λ逐漸減小。各測試段的側壓系數λ均大于1，表明工程場區存在一定程度的水平構造應力。

b）450 m深度以下側壓系數均值λ=σH/σv=1.25，表明深部巖體初始地應力的水平大主應力值略大于巖層的自重應力。

國內的實測和統計資料表明：工程巖體的初始地應力側壓力系數在0.8～3.0之間，絕大多數在0.8～1.5之間。該次大萬山隧道SZK11鉆孔的實測側壓力系數由淺至深部逐漸減小，深部（大于450 m）側壓力系數均值僅為1.25，水平大主應力值略大于巖層的自重應力。測試表明大萬山隧道所處的巖體應力場屬于正常的應力場區，不存在明顯偏高的構造應力場。

1.4 隧道地應力分析計算

大萬山隧道最大埋深695 m，該次地應力測試孔最大測試深度534 m。為推測隧道實際最大埋深的地應力，根據水壓致裂法實測地應力數值，采用回歸分析與隧洞截面應力計算公式[4]：

軸向應力：σL=σhsin2α+σHcos2α，

橫截面最大初始應力：σmax=σHsin2α+σhcos2α，

橫截面最大切向應力：σθ=3max(σmax/σv)-min(σmax/σv)，

式中：σH為最大水平主應力；σh為最小水平主應力；α為最大水平主應力與隧洞的走向的夾角；σv為自重應力。

計算得：

隧道深部最大、小水平主應力為：

σH=1.254σv、σh=0.929σv，

沿擬開挖隧道軸向應力：σL=1.24σv，

橫截面最大初始應力：σmax=1.00σv，

橫截面最大切向應力：σθ=2.06σv.

1.5 隧道地應力分級

根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）地應力分級表，見表2，計算大萬山隧道地應力分級見表3。

表2 地應力分級表

表3 大萬山隧道地應力分級表

2 隧道巖爆分析

巖爆是非常復雜的動力地質災害現象，影響巖爆的因素較多，歸納起來主要為內部因素和外部因素。內部因素主要是堅硬完整的高儲能巖體；外部因素主要受隧道開挖卸荷、應力釋放與地下水、地溫條件等影響。地下水豐富、地溫高的地段，隧道發生巖爆的可能性和危害性會降低[5]。

本文根據強度應力比法中代表性的E.Hoek法、鐵路隧道設計規范與公路隧道設計規范規定的3種方法計算，并結合地下水與地溫進行巖爆分析[4-6]。

2.1 E.Hoek法計算分析巖爆

E.Hoek總結采礦圍巖破壞觀測結果，判據與計算分析見表4。

表4 E.Hoek法巖爆判據與計算分析表

2.2 鐵路隧道設計規范計算分析巖爆

根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）巖爆分級表，計算分析見表5。

表5 鐵路隧道設計規范巖爆分級與計算表

2.3 公路隧道設計規范計算分析巖爆

根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）巖爆分級表，計算分析見表6。

表6 公路隧道設計規范巖爆分級與計算表

2.4 地溫對巖爆的影響分析

大萬山隧道SZK11鉆孔內進行了3組地溫測試，如圖4所示：孔深100～250 m溫度隨深度增加而降低，平均地溫梯度為-1.4℃；210～300 m為恒溫帶，平均溫度約10.8℃；300 m以下為增溫帶，平均地溫梯度為1.9℃；計算隧道最大埋深695 m處地溫為18.5℃左右。隧道地溫整體溫度較低，變化較小，地溫對隧道巖爆基本無影響。

圖4 大萬山隧道地溫測試圖

2.5 地下水對巖爆的影響分析

由于地下水對軟化圍巖、降低圍巖彈性應變能的儲存能力有很大作用，所以巖爆發生段巖體一般干燥無水，潮濕或滴水現象較少[5]。

根據大萬山隧道水文地質勘察成果：隧道地下水類型為變質巖類裂隙水與構造裂隙水，預測隧道正常涌水量2 537.5～2 834.9 m3/d，最大涌水量7 360.9～8 244.9 m3/d，隧道埋深較大段主要為中等富水，出水狀態為淋雨狀或涌流狀。綜合分析地下水對大萬山隧道巖爆有弱化的作用。

2.6 隧道巖爆綜合分析預測

根據以上3種方法的計算與判據結果，并結合地溫與地下水條件對巖爆的影響作用，綜合分析預測：大萬山隧道埋深小于450 m無巖爆；埋深450～600 m發生巖爆可能性較小，巖爆等級為Ⅰ級輕微；埋深600～695 m有發生巖爆的可能，巖爆等級為Ⅱ級中等。

3 結語

a）現場水壓致裂法測試結果表明，大萬山隧道所處的地應力場屬于正常的應力場區，不存在明顯偏高的構造應力場。

b）大萬山隧道地應力分級 埋深小于340 m為一般應力；埋深340～600 m為高應力；埋深600～695 m為極高應力。

c）地溫對大萬山隧道巖爆基本無影響，地下水對大萬山隧道巖爆有弱化的作用。

d）在已有的研究水平和研究成果的基礎上，綜合分析判斷大萬山隧道埋深小于450 m無巖爆；埋深450～600 m發生巖爆可能性較小，巖爆等級為Ⅰ級輕微；埋深600～695 m（隧道 K40+200—K41+100段）發生巖爆的可能性較大，巖爆等級為Ⅱ級中等，以上里程段落在開挖過程中可能會出現洞壁巖體剝離、掉塊、新生裂縫等情況，建議加強對圍巖的監測，采取針對性的設計與施工方案。

e）巖爆預測極為復雜，影響因素很多。應該指出，巖爆預測研究仍具有一定的不確定性[6]。為隧道順利建設，在隧道施工過程中需加強地質超前預報與監控量測工作，并結合隧道工程建設進一步開展巖爆研究工作。