深埋公路隧道高地應力場特征分析及巖爆預測

孫峰偉， 喬棟磊， 安艷軍， 李文杰*

(1. 中鐵十五局集團第五工程有限公司， 天津 300133； 2. 河南科技大學土木工程學院， 洛陽 471023)

隨著公路、鐵路建設逐步向中國西部地區推進，深埋特長隧道的建設需求越來越高，這類隧道因需以深埋形式穿越巨大山嶺，故而巖爆成為深埋特長隧道建設過程中最典型的災害之一。巖爆是一種在地應力較高的巖體處，因隧道開挖使得巖石中積聚的彈性變形勢能突然猛烈地釋放出來，導致巖石爆裂，松脫，彈射出來的巖體破壞活動。巖爆的發生給施工人員以及設備造成了嚴重的安全威脅[1]，因此，在隧道施工之前準確地反演出地應力場，并在此基礎上進行巖爆預測是保障安全施工的關鍵[2]。

針對巖爆分級和預測這類熱門課題，中外學者進行了大量研究。在巖爆分級方面，譚以安[3]從力學和聲學特征出發，依據巖爆危害程度及破壞方式將巖爆烈度劃分為弱、中、強、極強4級。牛文林等[4]通過巖體基本質量指標(basic quality，BQ)法對工程巖體分級標準進行了優化，分級結果與實際情況更吻合，優化后的分級標準能更好地應用于巖爆隧道中。在巖爆預測方面，中外學者通過強度、能量等理論對巖爆發生機制進行研究，結合工程實例，提出了一系列巖爆發生風險等級預測的判據與方法[5]。孫曉明等[6]基于多重巖爆判據，研究了巖體層理傾角對巖爆發生的影響，為具有層理結構巖體的巖爆預測提供了參考。李波等[7]通過數值計算、現場地應力測試研究了圍巖應力環境，并結合工程區地質條件進行了巖爆預測。孫臣生[8]基于MATLAB-BP神經網絡，選取多個影響巖爆的關鍵性預測指標，建立了改進的巖爆預測模型。劉海濤等[9]針對巖爆的隨機性，將數值模擬與蒙特卡羅方法相結合，提出了深埋隧道巖爆的抽樣概率預測新方法。現階段，雖然巖爆預測方法較多，但能將工程地質條件、開挖后圍巖具體應力環境與預測方法緊密結合起來的準確又實用的方法較少。

因此，現基于巫鎮高速公路重慶段筆架山隧道，在地質調查的基礎上，利用巖石脆性系數和圍巖完整性系數對巖石性質進行研究，評價隧道圍巖的巖爆傾向性；結合地應力資料，利用有限元數值模擬手段反演出隧址區完整的地應力場，綜合分析地應力場特征及隧道開挖后圍巖應力狀態，并在此基礎上依據雙重巖爆判據對巖爆發生區段和巖爆等級進行分析和預測。所得巖爆預測結果為隧道開挖支護提供依據，降低人員、設備的安全威脅。

1 工程概況及區域地質條件

1.1 工程概況

筆架山隧道位于巫溪縣白鹿鎮境內，隧道為分離式隧道，南北走向。其中左線里程樁號為ZK23+248～ZK28+245，右側里程樁號為YK23+266～YK28+265，隧道單洞長度約為5 000 m，為特長隧道。隧道工程區地處秦嶺山脈及南麓，位于大巴山構造溶蝕中山區，南瀕長江、大寧河及支流，北靠中壩河。區域內地勢高聳、巖層陡立、山體多為峰叢狀，懸崖陡壁發育普遍。隧道進洞口方向與自然斜坡近乎垂直，斜坡坡度約為35°，地勢險峻。工程區內山脊走向以東西為主，隧道最大埋深為1 382 m。

1.2 隧址區地質條件

根據地質勘察報告，隧道路線范圍內發育有構造溶蝕侵蝕地貌、構造剝蝕侵蝕地貌及侵蝕堆積地貌等地形地貌區，其中以溶蝕地貌為主，地形地貌形態復雜。工程區內斷層不發育，構造形跡為一系列向南微突的東西向弧狀跡象，以褶皺構造為主。區域內褶皺構造平面圖如圖1所示，從南向北主要有貓兒籠背斜、貝母淌向斜、橙子巖背斜以及秀登城向斜。根據工程地質測繪及鉆探結果，隧道工程區上覆第四系松散積層碎石土，基巖為三疊系下統、二疊系和志留系灰巖、泥巖、頁巖和頁巖夾粉砂巖，隧道沿線巖性分布如圖2所示。由圖2可知隧道在開挖過程中穿過砂巖夾層，在這樣的地質條件下進行隧道開挖，施工會面臨高地應力及巖爆災害問題。

圖1 區域內褶皺構造Fig.1 Regional fold structure

圖2 工程區地質縱斷面圖Fig.2 Geological profile of the engineering area

2 隧址區巖石性質研究

區域內巖石的性質是巖爆發生的內因，在完整性好、巖性脆、堅硬程度較高的巖體中易發生巖爆。為保證區域內巖爆預測結果的準確性，對圍巖巖體進行分析研究。

2.1 巖體完整性分析

在地質勘察過程中對工程區節理裂隙進行統計，對各控制性鉆孔進行聲波測井，最終綜合巖體體積節理Jv以及巖體完整性系數Kv兩個量值指標對隧道各區段圍巖完整程度進行定量劃分。根據評價結果，雖然區域內普遍發育層面與裂隙，但有72%區段結構面組數不超過兩組，發育程度較低，圍巖巖體較完整，局部區段由于構造裂隙發育，巖體較為破碎，但所占比例不大，故隧道圍巖巖體整體完整性較好，鉆孔部分巖芯如圖3所示。根據巖石的堅硬程度、巖體的完整程度以及層間結合情況對筆架山隧道圍巖級別進行劃分，區域內以Ⅳ圍巖為主，占隧道總長63.8%，Ⅲ級圍巖區段占隧道總長17.9%，大多數巖體單軸抗壓強度較高，巖體較堅硬，且隧道埋深大，此類情況下隧道施工發生巖爆概率較大。

圖3 鉆孔巖芯Fig.3 Core obtained by drilling

2.2 巖爆傾向性評價

在工程區內針對不同地層單元共采取62組巖樣進行室內抗壓、物性、抗拉、抗剪及變形試驗,圍巖強度試驗值如表1所示。

表1 圍巖強度試驗值Table 1 Test value of surrounding rock strength

近年來，中外學者對巖爆傾向性指標做了進一步的發展與完善，其中巖石脆性系數B因其較容易獲得，且代表性強，故而在巖爆傾向性評價中被廣泛使用[10]。巖石脆性系數反映了巖石的硬脆程度，巖石越脆，巖爆越容易發生，計算公式為

(1)

巖石脆性系數與巖爆傾向性強烈程度有如下標準：當B<14.5時，強烈巖爆傾向；當14.5≤B<26.7時，中等巖爆傾向；當26.7≤B<40時，弱巖爆傾向；當B≥40時，無巖爆傾向。據此標準，區域內圍巖巖爆傾向性評價如表2所示。從巖石脆性系數判斷，工程區內各區段巖體有中等-強烈巖爆傾向。

表2 巖爆傾向性評價Table 2 Rockburst tendency evaluation

根據GB/T50218—2014《工程巖體分級標準》[11]中給出的巖石堅硬程度劃分標準，工程區內T1d1灰巖、S2xj頁巖、S2xj泥巖以及S1sh頁巖飽和巖樣單軸抗壓強度Rc<30 MPa，為軟質巖，該類巖體通常不發生巖爆；根據地質勘察報告綜合確定的完整性系數，K23+543～23+596區段P2m灰巖以及K23+660～23+765區段P2q灰巖巖體完整程度較破碎。因此綜合判斷隧址區內除以上區段，其他范圍內巖體較完整、圍巖巖性脆且堅硬，具備巖爆發生的基礎條件。

3 工程區地應力場綜合分析

3.1 區域構造應力場環境

工程區內初始應力場由自重應力場與構造應力場共同決定，研究工程區周圍環境的構造應力場可以初步掌握地應力場的大致規律，為有限元地質模型邊界條件的確定提供參考。依據區域震源機制資料得到的震源機制解可以估算出最大水平應力走向，是分析區域構造應力場的重要依據之一。依據重慶市震源機制解提取的區域內最大水平主應力方向分布如圖4所示，由圖4可知，工程區構造作用引起的最大水平主應力方向總體表現為北北西(north-north-west，NNW)向[12]。

圖4 區域最大主應力方向分布Fig.4 The distribution of the maximum principal stress in the region

3.2 地應力實測結果分析

采用水壓致裂法選取區域內貝母淌向斜核部處鉆孔，測量其地應力。埋深H在602.62～847.60 m范圍內共獲得10個實測地應力點，不同埋深地應力實測值如圖5所示，根據實測結果對測試深度范圍內最大水平主應力σH、最小水平主應力σh和豎向應力σv進行線性回歸分析，所得線性回歸方程為

圖5 應力值隨深度變化圖Fig.5 Variation of stress value with depth

(2)

在602.62～847.60 m共10個地應力測點，σv為13.18～23.36 MPa，σh為8.94～14.88 MPa，σH為15.64～24.34 MPa，σH>σv，但相差不大，故工程區內該埋深范圍構造作用較強，地應力場由自重應力場與構造應力場聯合作用形成；各鉆孔實測最大水平主應力方向為22°N～35°W，表明測孔附近地應力實測結果與震源機制解所給出的NNW向擠壓應力方向基本保持一致。

3.3 地應力場的有限元反演分析

3.3.1 三維有限元地質模型建立

為消除邊界效應，提高計算精度，綜合工程區內地質構造特點適當擴大模型邊界范圍，沿隧道軸線選取工程區1 000 m×5 000 m的一塊長方形區域作為模型計算區域，取標高100 m為計算模型底面，模型高度取至地表，隧道開挖區位于模型中央。模型的建立考慮主要褶皺構造影響。根據62組巖樣力學特性試驗，所得巖體物理力學參數如表3所示。

表3 巖體力學參數表Table 3 Rock mechanical parameter table

通過MIDAS-GTSNX建立地質模型，模型使用混合四面體單元，網格劃分質量較好。因地質模型尺寸較大，因此在不同位置確定不同的網格尺寸，在地層分界處和隧道洞口處進行尺寸控制。三維有限元地質模型如圖6所示，模型共計單元數256 878個，節點數229 311個。

圖6 有限元地質模型Fig.6 Finite element geological model

3.3.2 邊界條件確定

筆架山隧道的地應力場反演結合隧址區地應力實測數據以及重慶地區內震源機制解確定的構造作用方向，采用直接調整邊界條件的方法，確定地質模型邊界條件，綜合分析巖體自重以及地質構造作用引起的地應力場分布規律。地應力場反演具體過程為：①參考區域內震源機制解確定的最大水平主應力方向施加不同類型的邊界條件，觀察應力場變化規律，確定最佳邊界條件類型；②調整邊界力的作用方向和量值大小，使數值模擬的結果與地應力實測值達到最佳擬合；③微調邊界，計算兩者的方差，確定出方差最小的邊界力。

3.3.3 地應力場特征分析

將確定的邊界條件添加到地質模型進行計算，得到區域內完整的地應力場，提取貝母淌向斜核部埋深608～839 m段x向應力σx、y向應力σy以及xy平面內剪應力τx，根據式(3)和式(4)計算得到最大水平主應力σH為14.3～23.8 MPa，方向α0為N19°～32°W，與工程區向斜核部地應力實測結果15.6～24.3 MPa相近，且方向近似，由此可驗證地應力場數值模擬的可靠性。

(3)

(4)

最大主應力云圖如圖7所示，由圖7可知：在褶皺構造處，出現應力集中現象，最大主應力增加，在貝母淌向斜核部應力集中現象最為明顯，最大增量達12.0 MPa，因此最大主應力受褶皺構造影響較大。不同巖層最大主應力變化云圖如圖8所示，S2xj砂巖Rc=93.1 MPa，P2q灰巖Rc=52.9 MPa，S2xj頁巖Rc=18.4 MPa，由S2xj頁巖地層到S2xj砂巖地層，最大主應力值增加，增量為4.5 MPa；由

圖7 最大主應力云圖Fig.7 Maximum principal stress nephogram

圖8 巖層應力變化圖Fig.8 Rock stress variation diagram

P2q灰巖、S2xj砂巖到S2xj頁巖地層，最大主應力值突降。因此，相近地應力場環境下，不同巖體其抗壓強度越高，最大主應力值越大，巖體中積聚的能量越高，其巖爆傾向性越大。

提取隧道沿線最大主應力值σ1、x軸向水平應力σx、y軸向水平應力σy以及豎向應力σz，結果如圖9所示。

圖9 隧道沿線主應力分布圖Fig.9 Distribution diagram of principal stress along the tunnel

(1)隧道沿線K24+175～K26+896區段，埋深較大，最大主應力為18.5～35.1 MPa，根據GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》給出的地應力狀態評估標準，區域內Rc/σmax=0.74～3.72<4(σmax即為最大主應力)，該區段應力處于極高應力狀態。

(2)埋深較小區段，水平向主應力值與豎直向應力值較為接近，構造作用與重力作用聯合作用形成地應力場；埋深較大區段，豎向應力遠大于水平向應力，且與最大主應力值較為接近，故在埋深較大區段，自重應力場在地應力場中起主導作用。

(3)隧道沿線x軸方向應力為4.2～8.0 MPa，變化幅度較小，總體處于較穩定狀態；y軸方向應力為5.6～18.7 MPa，處于較高量值水平，區域內受到較強水平構造作用。

(4)y軸方向應力大于x軸方向應力，故工程區內構造作用以南北方向擠壓為主；隧道軸線走向為N13°W，計算所得最大主應力方向為N20°～36°W，與隧道軸線夾角為7°～23°，夾角較小，有利于圍巖穩定。

4 隧道開挖圍巖應力場分析及巖爆預測

4.1 隧道開挖后圍巖應力場分析

隧道開挖過程中，原有的空間應力場分布改變，出現二次應力狀態。為保證巖爆預測結果的準確性，有必要在所得地應力場的基礎上進一步分析隧道開挖后圍巖的二次應力狀態[13]。因隧道軸向長度遠大于斷面尺寸，故將其視作平面應變問題，建立2D開挖模型。

隧道開挖對周圍巖體的影響范圍為3～5倍洞徑，隧道尺寸按照設計圖選取，最終確定模型尺寸為80 m(x)×80 m(z)，使用混合四面體網格，提高網格質量。模型位移邊界為：底部豎向位移約束，模型兩側界面固定位移約束，頂部為自由面；模型右側和頂部邊界施加上述計算所得應力σx與σz。

計算結果表明：在隧道開挖后，隨著地應力環境的變化隧道開挖斷面的不同部位出現了不同程度的應力集中。區段內隧道開挖斷面最大壓應力均發生在兩側，沿線最大壓應力峰值為63.2 MPa。不同區段不同地應力環境下隧道開挖斷面最大主應力云圖如圖10所示，由圖10可知：當地應力場中水平向應力與豎向應力較為接近時，壓應力集中區域較小；隨著豎向應力的不斷增加，壓應力集中區域沿隧道兩側壁不斷向外圍擴散。

圖10 不同條件下圍巖最大主應力Fig.10 Maximum principal stress of surrounding rock under different conditions

4.2 隧址區巖爆預測

綜合分析區域工程地質條件、巖石物理力學性質及開挖圍巖應力環境，在此基礎上采用兩種具有代表性的巖爆預測理論判據，即谷—陶巖爆判據[14]以及強度應力比判據[15]，兩種判據如式(5)與式(6)所示。

谷—陶巖爆判據為

(5)

強度應力比判據為

(6)

式中：σ1為最大主應力；Rb為天然巖體單軸抗壓強度；Rc為飽和巖樣單軸抗壓強度。

上述對巖石性質的研究表明，部分區段圍巖不具備發生巖爆的基礎條件。其余區段根據開挖模型所確定的圍巖二次應力情況以及試驗所得巖石力學參數結合兩種巖爆判據綜合評價各區段巖爆發生的可能性與劇烈程度，預測結果如表4所示。

表4 隧道各區段巖爆預測結果Table 4 Prediction results of rock burst in each section of tunnel

工程區內隧道埋深較大，且水平構造作用較強，隧道大多數區段均處于極高應力狀態，并且部分區段為巖體堅硬且完整的Ⅲ級圍巖，具有發生中、高巖爆的基礎條件。筆架山隧道總長4 999 m，綜合巖體完整程度、硬脆程度以及地應力場環境對隧道沿線進行巖爆預測，綜合分析結果表明：隧道無巖爆活動區段長度約3 801 m，占隧道總長76.0%；輕微巖爆活動區段長度約105 m，占比約為2.1%；中等巖爆活動區段長度約為278 m，占比約為5.6%；高巖爆活動區段長度約為815 m，占比約為16.3%。這些區段內隧道開挖后最大主應力均發生在斷面兩側，圍巖兩側處于較高的壓應力狀態，極易發生巖爆，施工時應重點關注兩側區域并采取相應防治措施。

5 結論

(1)筆架山隧道以Ⅳ級圍巖為主，占隧道總長63.8%，沿線圍巖總體完整性較好。工程區地應力場反演結果表明，隧道高程處，豎向應力大于水平應力，故隧道沿線地應力場由自重應力場主導；最大埋深處應力值達33.2 MPa，經評估，隧道沿線大多數區段處于極高應力狀態；最大水平主應力方向隧道夾角為7°～23°，夾角較小。從地應力角度來說，隧道軸線布置方位對圍巖穩定有利。

(2)根據隧道開挖圍巖應力分析，開挖后圍巖最大主應力均發生在斷面側壁，全線最大主應力峰值為63.2 MPa，極易發生巖爆。因此在隧道開挖過程中，對于側壁部位應采取一定的工程措施進行防治，盡可能避免巖爆發生。

(3)根據巖石性質、地應力環境結合巖爆預測判據綜合分析結果，在隧道全線，24.0%區段會發生巖爆，以中等-高巖爆活動為主，在這些區段施工時應加強安全監測與施工防護措施。

(4)依據巖爆發生的兩個決定性因素即圍巖應力狀態和巖體單軸抗壓強度進行巖爆預測，對隧道安全施工有一定的指導性，但巖爆還受到外界復雜環境因素的影響。因此在施工期間還應進行現場巖爆預測、監測工作，如開展超前地質預報研究，以確保隧道施工安全進行。