谷竹高速公路大坪山隧道地應(yīng)力特征及巖爆預(yù)測(cè)

尤哲敏，陳建平，李 濤，徐 方

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

深埋特長(zhǎng)隧道穿越中—高地應(yīng)力區(qū)，而高地應(yīng)力意味著深埋隧道在硬巖段的開(kāi)挖過(guò)程中，將會(huì)出現(xiàn)不同程度的巖爆災(zāi)害［1］，影響施工安全和開(kāi)挖進(jìn)度，因此日益成為地下工程研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

巖爆是在高應(yīng)力條件下，由于地下工程掘進(jìn)造成圍巖應(yīng)力重分布，從而引起硬脆性巖體在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的儲(chǔ)備彈性應(yīng)變能突然快速釋放，并發(fā)生巖塊剝落、彈射甚至拋擲［2］。

對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的理論與方法［3-4］。大多是針對(duì)具體工程采用單一或多種判據(jù)，判據(jù)的適用性還有待商榷［5-7］。

大坪山隧道是湖北省谷竹高速公路的一條分離式特長(zhǎng)深埋隧道，尚未開(kāi)挖段存在中—強(qiáng)烈?guī)r爆的可能，因此，對(duì)于大坪山隧道硬巖段的巖爆預(yù)測(cè)亟需研究。本文采用三維有限元回歸分析法，對(duì)大坪山隧道硬巖段開(kāi)挖過(guò)程中巖爆發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 工程概況

大坪山隧道位于襄陽(yáng)市谷城縣紫金鎮(zhèn)與寺坪鎮(zhèn)境內(nèi)，左右洞長(zhǎng)分別為8 263 m和8 242 m，隧道軸線呈NE—SW向展布。

隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕侵蝕低山—低中山區(qū)，地形起伏較大，最大埋深約900 m。該區(qū)出露的地層主要為志留系頁(yè)巖、奧陶系生物碎屑灰?guī)r夾少量炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖;下寒武統(tǒng)泥質(zhì)條帶灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r局部含頁(yè)巖夾層;上震旦統(tǒng)—下寒武統(tǒng)白云巖夾灰?guī)r。大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北緣的青峰臺(tái)褶束，走向近EW向。青峰斷裂帶與隧道軸線小角度相交，其形成的數(shù)條逆沖斷層、破碎帶及韌性剪切帶見(jiàn)圖1，使隧道圍巖局部變得較破碎，地下水發(fā)育，整體穩(wěn)定性差。

圖1 大坪山隧道軸線地質(zhì)剖面示意

2 工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

初始地應(yīng)力的分布是巖爆發(fā)生與否的關(guān)鍵性影響因素，地應(yīng)力的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)直接影響到巖爆預(yù)測(cè)的可靠性［8］。

地應(yīng)力回歸分析法是利用數(shù)值分析和多元回歸分析，將計(jì)算區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)視為自重應(yīng)力場(chǎng)和水平x，y向擠壓和xy面剪切等構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的線性疊加，通過(guò)分別模擬4個(gè)子應(yīng)力場(chǎng)，組合成計(jì)算地應(yīng)力場(chǎng)［9］。通過(guò)三維應(yīng)力場(chǎng)反演和實(shí)測(cè)資料擬合，得出隧址區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)特征［10］，為隧道各斷面的巖爆預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

2.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

工程區(qū)采用水壓致裂法進(jìn)行了2個(gè)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)量，地應(yīng)力分布具有如下特點(diǎn)［11］:①最大水平主應(yīng)力σH＞最小水平主應(yīng)力σh＞上覆巖體的自重應(yīng)力σV，σV=γH;其中γ為上覆巖體的重度，H為上覆巖體的埋深;②水平主應(yīng)力隨深度的增加呈線性增大;③最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E15°～18°，表明測(cè)孔附近地應(yīng)力以NE向擠壓為主;④各測(cè)孔側(cè)壓系數(shù)均＞1，表明工程區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主。

2.2 初始地應(yīng)力場(chǎng)的三維有限元反演分析

根據(jù)大坪山區(qū)域地形地貌特點(diǎn)及巖層力學(xué)特性，選取長(zhǎng)×寬=8 375 m×3 000 m，底部高程為 －1 000 m，以隧址區(qū)為主的計(jì)算區(qū)域，主要巖體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用線彈性本構(gòu)模型，對(duì)四個(gè)子應(yīng)力場(chǎng)分別施加位移邊界條件進(jìn)行求解［12］。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

將鉆孔實(shí)測(cè)應(yīng)力和回歸計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示?？芍?在測(cè)試深度范圍內(nèi)，兩者大部分較接近;鉆孔附近地應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。表明所采用的計(jì)算模型是可行的，適合隧址區(qū)的整體地應(yīng)力場(chǎng)反演。

圖2 鉆孔ZK11地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

2.3 大坪山隧址區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)特征

圖3給出了大坪山隧道軸線縱剖面的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力等值線分布圖?？芍?σH，σh隨深度呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的趨勢(shì);應(yīng)力的分布與地形地貌關(guān)系密切，在淺部，受地形地貌影響較大，地形變化較大時(shí)，其應(yīng)力等值線相對(duì)較密;隨著埋深增大，其影響逐漸變?nèi)?。這與實(shí)際地應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律一致，說(shuō)明大坪山隧道縱剖面處計(jì)算的地應(yīng)力場(chǎng)是合理的。此外，應(yīng)力等值線受地質(zhì)構(gòu)造的影響也較大［13］，在斷層及其影響帶中，應(yīng)力等值線出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

圖3 大坪山隧道軸線縱剖面應(yīng)力分布(單位:MPa)

根據(jù)分析結(jié)果，隧道軸線縱剖面處屬于中等應(yīng)力水平，應(yīng)注意有發(fā)生中等巖爆的可能。

3 巖爆判據(jù)及預(yù)測(cè)

對(duì)于大坪山特長(zhǎng)深埋隧道的巖爆預(yù)測(cè)研究，選擇了4種國(guó)內(nèi)外代表性的判據(jù)，即 Russenes判據(jù)、Turchaninov判據(jù)、Rb/σ1判據(jù)及陶振宇判據(jù)，如表2所示(選取原則:最大限度利用巖石的物理力學(xué)參數(shù)及有限元分析結(jié)果)。分別對(duì)隧道各個(gè)洞段依次分析，在多種判據(jù)判斷的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)了各個(gè)洞段發(fā)生巖爆的可能性和強(qiáng)度［14］。隧洞截面應(yīng)力采用式(1)～式(3)計(jì)算。

表2 巖爆判據(jù)

式中，σmax為橫截面最大初始應(yīng)力，α為最大水平主應(yīng)力與隧洞走向的夾角。

預(yù)測(cè)時(shí)各洞段的最大主應(yīng)力σ1和拱壁切向應(yīng)力σθ采用前面有限元分析的數(shù)據(jù)，對(duì)四種判據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果綜合評(píng)價(jià)得出沿線巖爆發(fā)生的可能性及強(qiáng)度，并將已開(kāi)挖段巖爆發(fā)生情況與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3～表7。

表3 Russenes判據(jù)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果

表4 Turchaninov判據(jù)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果

表5 Rb/σ1判據(jù)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果

表6 陶振宇判據(jù)巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果

表7 大坪山隧道各斷面巖爆綜合預(yù)測(cè)結(jié)果及與實(shí)際情況對(duì)比

根據(jù)室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，取灰?guī)r和白云巖天然巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度Rc=100.5 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb=63.0 MPa(僅考慮硬巖段的灰?guī)r和白云巖)。

由巖爆綜合預(yù)測(cè)結(jié)果可知，大坪山隧道的硬巖段巖爆發(fā)生情況:除了3 301 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)不發(fā)生巖爆外，弱巖爆區(qū)長(zhǎng)2 900 m，中等巖爆區(qū)長(zhǎng)600 m，強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)長(zhǎng)3 00 m(埋深900 m處完整堅(jiān)硬白云巖段)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)特別注意中等—強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生區(qū)段，及時(shí)做好支護(hù)。

大坪山隧道出口段左右洞尚處于頁(yè)巖段，所以不考慮發(fā)生巖爆。進(jìn)口段施工進(jìn)入巖爆區(qū)段后未發(fā)生巖爆，這與沿線出現(xiàn)多條斷層破碎帶、隧道埋深不大、地下水相對(duì)較發(fā)育等有關(guān)。但隨著掘進(jìn)的深入，隧道出口段將逐漸進(jìn)入硬巖段，進(jìn)口段埋深也隨之增大，洞內(nèi)出現(xiàn)巖爆的可能性增大。因此，在隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、開(kāi)展超前預(yù)報(bào)工作，并結(jié)合工程建設(shè)采取巖爆防治措施，避免災(zāi)害發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)三維有限元回歸分析，對(duì)大坪山深埋特長(zhǎng)隧道兩個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果表明所選模型是可行的，可用來(lái)進(jìn)行隧址區(qū)的整體地應(yīng)力場(chǎng)的反演。

2)采用4種國(guó)內(nèi)外常用的巖爆判據(jù)對(duì)隧道各斷面進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)，綜合評(píng)價(jià)各斷面發(fā)生巖爆的可能性及強(qiáng)度，預(yù)測(cè)有600 m長(zhǎng)為中等巖爆區(qū)，300 m長(zhǎng)為強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)。但以上預(yù)測(cè)是根據(jù)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行的，還需要結(jié)合施工階段巖爆的發(fā)生情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

本文巖爆預(yù)測(cè)僅采用了理論法中的4種判據(jù)，未涉及能量法及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法，且對(duì)巖爆發(fā)生的影響因素未做分析，還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和測(cè)試，分析影響巖爆的因素，以更準(zhǔn)確判斷巖爆發(fā)生的可能性。

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