深埋隧道巖爆傾向性評(píng)估方法

吳春成 朱志輝 張 偉

(1. 中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司, 西寧 810007； 2. 西藏鐵路建設(shè)有限公司， 拉薩 850000； 3. 東北大學(xué), 沈陽(yáng) 110819)

某隧道位于我國(guó)西南部，埋深達(dá) 2 000 m，巖爆風(fēng)險(xiǎn)極高[1]。迄今已發(fā)生上百次巖爆，中等及以上巖爆次數(shù)較多。巖爆傾向性判別是深埋高應(yīng)力隧道開挖過(guò)程中的重要內(nèi)容，因此，開展深埋隧道巖爆傾向性判別方法研究具有重要意義。

關(guān)于巖爆傾向性判別方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在強(qiáng)度、剛度、突變、分形和能量等諸多方面提出了眾多巖爆風(fēng)險(xiǎn)和傾向性估計(jì)判據(jù)。代表性的有巖爆變量公式預(yù)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)判據(jù)評(píng)判、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判、模糊概率風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、可拓物元評(píng)判、距離判別分析方法等。巖爆傾向性判別方法可概括性地化分為單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)和多因素經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)或系統(tǒng)兩大類。單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法多以強(qiáng)度、能量和剛度等理論為基礎(chǔ)，典型性的判別方法有Hoek判據(jù)[2]、Russenes判據(jù)[3]、Turchaninov判據(jù)[4]、二郎山隧道判據(jù)[5]、陶振宇判據(jù)[6]、Barton判據(jù)[7]等。面對(duì)不同工程概況，各類巖爆傾向性判據(jù)方法的適用性不同。為準(zhǔn)確判定深埋隧道開挖過(guò)程中的巖爆傾向性，有必要針對(duì)各類巖爆傾向性經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法，開展適用性對(duì)比分析研究。

因此，本文基于某隧道工程，以巖爆傾向性單指標(biāo)判別方法為對(duì)象，開展巖爆傾向性評(píng)估方法適用性對(duì)比分析研究，為深埋高應(yīng)力隧道開挖巖爆傾向性判別方法選取，隧道開挖和支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 隧道概況及其初始地應(yīng)力特征

1.1 工程概況

某隧道位于我國(guó)西南部，隧道走向104°。隧道大部分為中粒角閃黑云花崗巖(E2R)，部分區(qū)段夾有極少量的偉晶巖脈(ρ)，構(gòu)造發(fā)育輕微。隧道沿線發(fā)育有斷層破碎帶，寬30～50 m。隧道最大埋深處 2 080 m。根據(jù)已有的巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，有巖爆危害的洞段長(zhǎng)為 12 242 m，占全長(zhǎng)的94%，其中輕微巖爆等級(jí)洞段為 4 106 m，中等巖爆等級(jí)洞段為 5 922 m，強(qiáng)烈?guī)r爆等級(jí)洞段為 2 214 m。

1.2 隧道進(jìn)口工區(qū)巖爆發(fā)生情況

將該隧道2017年4月20日至次年2月25日期間施工的 1 197 m進(jìn)口平導(dǎo)，每隔200 m進(jìn)行1次統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)6次。以統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)所發(fā)生過(guò)的最強(qiáng)巖爆等級(jí)作為此200 m范圍的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并以0代表無(wú)巖爆，1代表輕微巖爆，2代表中等巖爆，3代表強(qiáng)烈?guī)r爆，繪制某隧道進(jìn)口平導(dǎo)DK 194+450～DK 195+647段沿線巖爆等級(jí)分布，如圖1所示。

圖1 隧道進(jìn)口巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化圖

由圖1可知，輕微巖爆里程段為1個(gè)，占比為16.7%，中等巖爆里程段則有4個(gè)，占比為66.7%；發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的里程段為1個(gè)，占比為16.7%。因此，隧道進(jìn)口工區(qū)該洞段開挖過(guò)程中以中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)為主，截止到統(tǒng)計(jì)時(shí)期，最強(qiáng)巖爆等級(jí)為強(qiáng)烈?guī)r爆，且?guī)r爆主要發(fā)生在隧道拱肩至拱頂位置處。

2 巖爆傾向性經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法

單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法多以強(qiáng)度、能量和剛度等理論為基礎(chǔ)。根據(jù)巖爆傾向性評(píng)估的單指標(biāo)能否反映硐室開挖過(guò)程的影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征，可分為兩類：一是不能反映上述兩因素；二是能反映上述兩因素。這里，偏應(yīng)力定義為σ1-σ3，即初始應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差。這里主要介紹基于應(yīng)力與強(qiáng)度的單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)。

2.1 不反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)偏應(yīng)力特征的判別方法

(1)Barton判據(jù)

基于應(yīng)力強(qiáng)度比或強(qiáng)度應(yīng)力比理論，Barton等在挪威工程實(shí)踐中建立的Q系統(tǒng)分類，考慮巖石強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值，作為一個(gè)評(píng)價(jià)脆性破壞的指標(biāo)，該指標(biāo)判別公式為：

(1)

(2)陶振宇判據(jù)

我國(guó)學(xué)者陶振宇在Barton判據(jù)、Russense判據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合囯內(nèi)巖爆實(shí)際情況，制定了如式(2)所列巖爆判據(jù)。

(2)

式中:σc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，該隧道花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為160 MPa;

σ1——洞室圍巖的最大主應(yīng)力。

2.2 反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的判別方法

(1)Hoek判據(jù)

Hoek和Brown總結(jié)了發(fā)生在南非石英巖中長(zhǎng)方形開挖隧道邊墻脆性破壞(包括巖爆、片幫和剝落)的案例，通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)最大主應(yīng)力于巖石短期單軸抗壓強(qiáng)度之比作為脆性破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了脆性巖體破壞模型分類，劃分公式為：

(3)

(2)二郎山隧道判據(jù)

根據(jù)二郎山隧道施工過(guò)程的巖爆事件，徐林生和王蘭生對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度比判據(jù)進(jìn)行了總結(jié)，如式(4)所列：

(4)

式中:σmax——圍巖最大切向應(yīng)力;

σθ——圍巖切向應(yīng)力。

3 巖爆傾向性經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法對(duì)比分析

3.1 地應(yīng)力及開挖擾動(dòng)應(yīng)力反演

公式表明，圍巖地應(yīng)力及開挖擾動(dòng)應(yīng)力是巖爆傾向性判別的重要依據(jù)。為獲取某隧道原始應(yīng)力場(chǎng)及開挖后圍巖擾動(dòng)應(yīng)力分布特征，建立該隧道三維地質(zhì)反演模型及局部洞段開挖模型，所得結(jié)果與已有資料及地應(yīng)力測(cè)試保持較好的一致性，這里不再介紹反演的具體過(guò)程。該隧道正洞沿線主應(yīng)力分布特征，如圖2所示(該隧道正洞與平導(dǎo)間距30 m，認(rèn)為二者主應(yīng)力基本一致)。以此主應(yīng)力作為局部洞段開挖模型的邊界條件，即可獲得隧道開挖擾動(dòng)應(yīng)力。該隧道開挖后圍巖切向應(yīng)力狀態(tài)，如表1所示。

圖2 隧道正洞軸線主應(yīng)力分布特征

3.2 巖爆傾向性評(píng)估分析

分別利用Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)、Hoek判據(jù)、二郎山隧道判據(jù)對(duì)該隧道巖爆傾向性進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)果如圖3～圖6所示。

表1 隧道開挖過(guò)程中的切向應(yīng)力狀態(tài)表

里程樁號(hào)埋深/m切向應(yīng)力豎直水平DK 201 0～2001 326.049.78122.95200～4001 216.547.80122.45400～6001 139.045.90121.75600～8001 086.044.37120.66800～1 000981.544.07121.14DK 202 0～200820.536.94111.82200～400702.033.1994.41400～600595.530.7981.96600～800397.023.5167.13800～1 000183.013.4037.39DK 203 0～200133.510.5124.74200～400105.58.9518.59400～45521.04.318.10

利用Barton判據(jù)評(píng)價(jià)的該隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示。

圖3 由Barton判據(jù)確定的隧道開挖巖爆風(fēng)險(xiǎn)

由圖3可知，由Barton判據(jù)確定的該隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)分為無(wú)巖爆、中等巖爆及強(qiáng)烈?guī)r爆，其中，進(jìn)口 DK 190+408～DK 190+950長(zhǎng)542 m，出口DK 202+558～DK 203+455長(zhǎng)897 m，共 1 439 m為無(wú)巖爆區(qū)域，從DK 190+950～DK 202+558長(zhǎng)11 614 m為中等巖爆區(qū)域，占全部里程的88.98%。由于最大主應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度比值大于2.5，所以全長(zhǎng)以中等巖爆為主。但Barton判據(jù)缺乏對(duì)強(qiáng)度應(yīng)力比大于5時(shí)的分級(jí)，對(duì)于這個(gè)范圍的巖爆風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)不夠精確。

利用陶振宇判據(jù)評(píng)價(jià)的該隧道開挖巖爆風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

圖4 由陶振宇判據(jù)確定的隧道開挖巖爆風(fēng)險(xiǎn)

由圖4可知，由陶振宇判據(jù)確定的該隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)分為無(wú)巖爆、低等巖爆、中等巖爆及高巖爆。其中，進(jìn)口DK 190+403～DK 190+603，出口DK 203+142～DK 203+455共513m為無(wú)巖爆風(fēng)險(xiǎn)，即有巖爆風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)段為 12 540 m，占全隧的96.1%，其中低等巖爆風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)镈K 190+603～DK 190+878，DK 202+658～DK 203+142，共759m。其余里程即DK 190+878～DK 202+658共 11 781 m為中等巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

受地應(yīng)力影響，該隧道開挖過(guò)程中圍巖最大切向應(yīng)力σmax為Y向水平應(yīng)力，其作用于拱頂及拱肩，引起拱頂及拱肩的片幫及巖爆。隧道垂向作用應(yīng)力σv為垂直應(yīng)力，作用于拱腰，引起拱腰的片幫及巖爆。由于拱頂巖爆風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于拱腰巖爆風(fēng)險(xiǎn)，本文利用Hoek判據(jù)分析了拱頂?shù)膸r爆風(fēng)險(xiǎn)，如圖5所示。

圖5 由Hoek判據(jù)確定的隧道拱頂巖爆風(fēng)險(xiǎn)

由圖5可知，DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，拱頂有嚴(yán)重巖爆風(fēng)險(xiǎn)，其他進(jìn)出口共 2 903 m為片幫至中等破壞。拱腰部分多表現(xiàn)為剝落與片幫破壞，DK 191+288～DK 202+408共 11 120 m，其他進(jìn)出口共 1 933 m無(wú)或支護(hù)后穩(wěn)定。當(dāng)然也有拱頂或拱肩巖爆發(fā)育延伸至拱腰，引起拱腰巖爆或片幫等現(xiàn)象。

利用二郎山隧道判據(jù)評(píng)價(jià)的隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)，如圖6所示。

圖6 由二郎山隧道判據(jù)確定的隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)

由圖6可知，采用二郎山隧道判據(jù)能較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)該隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)，其中，拱頂有巖爆風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)段為DK 190+708～DK 203共 12 292 m，占全隧的94.2%，其中有嚴(yán)重巖爆風(fēng)險(xiǎn)的為DK 191+908～DK 202+58共 10 150 m，占全隧的77.8%。拱腰有巖爆風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)段為DK 192+408～DK 201+308共 8 800 m，占全隧的67.4%。

3.3 巖爆傾向性經(jīng)驗(yàn)判據(jù)方法適用性分析

該隧道進(jìn)口各分析單元巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與實(shí)際發(fā)生的對(duì)比結(jié)果，如表2所示。

表2 隧道DK 194+450～DK 195+647段巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同判據(jù)方法判定結(jié)果對(duì)比表

巖爆判據(jù)低估率/%高估率/%正確率/%誤判率/%Hoek判據(jù)083.316.783.3二郎山隧道判據(jù)083.316.783.3Barton判據(jù)16.716.766.733.4陶振宇判據(jù)16.716.766.733.4

由表2可以看出：

(1)反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的二個(gè)判據(jù)準(zhǔn)確率均較低，普遍為高估巖爆風(fēng)險(xiǎn)(評(píng)估為強(qiáng)烈，實(shí)際以中等巖爆為主)。

(2)不反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的判據(jù)中：Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)準(zhǔn)確率均達(dá)到了66.7%，適宜于該尺度(200 m為單元)的某隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但少量洞段(占比16.7%)存在低估的情況。

(3)總體來(lái)說(shuō)，在大尺度(200 m為一單元)上，采用Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)能較為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(4)在巖爆潛在發(fā)生位置上，反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的二個(gè)判據(jù)均給出了較為準(zhǔn)確的判斷。

3.4 深埋隧道巖爆傾向性評(píng)估建議

(1)由圖1可知，該隧道曾發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，而大多洞段在開挖過(guò)程中發(fā)生中等巖爆。運(yùn)用上述4個(gè)巖爆風(fēng)險(xiǎn)判據(jù)可以在大尺度上給出較為正確的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，尤其是Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)，為隧道掘進(jìn)前的選址選線、工程設(shè)計(jì)等提供依據(jù)，適用于隧道開挖前的巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(2)隧道施工過(guò)程中，除地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度外，巖爆風(fēng)險(xiǎn)更與水文地質(zhì)條件、洞型尺寸、施工速率等因素相關(guān)，應(yīng)開展隧道施工過(guò)程中的巖爆風(fēng)險(xiǎn)多指標(biāo)評(píng)估。通過(guò)微震等巖爆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，為深埋隧道的安全快速施工提供有效幫助。

4 結(jié)論

(1)深埋硬巖隧道巖爆災(zāi)害頻繁，如某隧道DK 194+450～DK 195+647段，該洞段大部分區(qū)域發(fā)生了巖爆，以中等-強(qiáng)烈?guī)r爆風(fēng)險(xiǎn)為主，且主要發(fā)生在拱肩至拱頂部位。

(2)巖爆傾向性單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估方法應(yīng)用分析表明：采用Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)能較為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，反映洞室開挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)偏應(yīng)力特征的判據(jù)方法(Hoek判據(jù)、二郎山隧道判據(jù))對(duì)巖爆傾向性判別的準(zhǔn)確率較低，但能夠較為準(zhǔn)確判斷巖爆可能發(fā)生位置。

(3)深埋隧道巖爆傾向性評(píng)估應(yīng)采用綜合多類經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)的評(píng)估方法。開挖過(guò)程中，還應(yīng)開展微震監(jiān)測(cè)，為深埋隧道的安全快速施工提供有效幫助。