虹梯关隧道围岩岩爆分析

刘丹丹，王玉来，王俊杰

(1.黄河规划勘测有限公司地质勘探院，河南洛阳 471002;2.中交路桥技术有限公司，北京 100029）

虹梯关隧道围岩岩爆分析

刘丹丹1，王玉来2，王俊杰1

(1.黄河规划勘测有限公司地质勘探院，河南洛阳 471002;2.中交路桥技术有限公司，北京 100029）

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主，该隧道属特长深埋隧道，其附近地质构造也十分发育，工程地质条件复杂，发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析，采用水压致裂法地应力测试，经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法，认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。

特长深埋隧道;岩爆;地应力测试

0 引言

在高天然应力的弹脆性岩体中，进行各种有目的的地下开挖工程时，由于开挖卸荷及特殊的地质构造作用引起开挖周边岩体中应力高度集中，当达到岩体所能承受的极限值时，造成瞬间大量弹性应变能释放，使围岩发生急剧变形破坏和碎石抛落，并发生剧烈声响、震动和气浪冲击的现象称为岩爆。岩爆直接威胁着地下施工人员的生命安全，是地下工程中一种危害最大的地质灾害。近几十年来，随着我国隧道建设逐渐向着“长、大、深、群”方向发展，岩爆对工程施工产生的影响和破坏已经越来越严重，做好岩爆预测，从而进行预防治理显得尤为重要。

1 隧道概况

虹梯关隧道位于山西省东南部，该隧道设计为左右线分离式，左线洞体全长13122 m，右线洞体全长13098 m，隧道最大埋深640 m，属深埋特长隧道。

1.1 工程地质条件

隧址区地貌类型总体属侵蚀低中山区。由于新生代以来构造运动的差异性及出露岩性的不同，使其地貌特征复杂多变。主要以溶蚀侵蚀作用为主，山势险峻，岩石坚硬，陡崖发育，形成峡谷。

拟建隧道穿越线围岩多为中厚层、厚层灰岩。山体海拔高程界于820～1610 m之间，设计路面高程894～1102 m之间。

1.2 地质构造

隧址区岩层为单斜缓倾地层，近褶皱、断裂带产状变化大。燕山运动在本项目区内活动强烈，其构造变形主要表现为纵贯全区的由一系列褶皱、断裂构成的近南北构造岩浆岩带，对隧道有影响的构造主要为虹梯关构造褶皱带，该带北起轿顶山，向南经虹梯关、乱石滩，轴迹走向总体上呈NNE5°～10°展布(详见图1）。

该构造褶皱带主要影响奥陶系马家沟组地层，由于该构造带与隧道轴线近垂直相交，轴面近直立，两翼产状舒缓，构造活动轻微，初步判断对隧道围岩分级影响不大。

2 地应力测试

2.1 地应力测试结果

为了解隧址区的应力状态及其沿深度方向的分布趋势，对XKZ127号钻孔不同深度的完整段岩石进行了水压致裂法地应力测试。同时选择4个压裂段采用定向印模器进行破裂缝方向的测定。测试成果见表1。

图1 隧址区构造纲要图

表1 XKZ127钻孔水压致裂法地应力测试结果

图2 XKZ127孔主应力测值随深度的变化关系

由以上可以看出，在测试范围内，应力测值总体上随深度的增加而增大。根据测试，该钻孔的最大水平主应力方向在N30°W～N5°W之间。该钻孔布置于山坡，浅部最大水平主应力基本与山体走势平行，随埋深的增加向NS向偏转。最大水平主应力方向与隧道轴线方向成大角度(约89°）斜交，对隧道围岩的稳定性不利。

2.2 测试成果分析

测试钻孔在测试深度范围内(286.0～480.4 m），最大水平主应力为10.0～15.2 MPa，最小水平主应力6.1～9.2 MPa，铅直应力为7.7～13.0 MPa。通过拟合获得水平主应力值随深度(H）变化关系见图2。

通过对测试范围内最大水平主应力(σH）和最小水平主应力(σh）结果的线性回归，可以得到体现主应力与埋深关系的方程式:

3 隧址区岩爆分析

根据国内外研究，普遍认为引起岩爆的因素很多，影响因素复杂，如地层岩性、应力状态、洞室埋深、围岩应力状态、开挖断面形状、开挖方法等等。但众多因素中，地层岩性和地应力条件是产生岩爆的决定因素，只有具备了这2个条件，才有可能发生岩爆。下面就这2个因素对虹梯关隧道围岩岩爆进行分析判别。

3.1 地层岩性分析

隧道围岩主要岩性为灰岩、白云岩，属坚硬岩，围岩级别Ⅲ级及Ⅲ级以上。地质构造较好，节理不发育，同时无较大的断层水、裂隙水等。根据室内岩石试验成果资料，岩石单轴抗压强度较高，为61.5～89.8 MPa，平均强度80 MPa，具备岩爆可能。本次勘察在XKZ126钻孔隧道部位中取3组岩样进行了岩体弹性应变能系数试验，试验结果为79.1%～99.8%，弹性应变能系数ω＞70%，说明围岩脆性较高，隧道该部位产生岩爆的可能性较大。

3.2 地应力条件分析

测试区域内浅部岩体Rc/σmax一般大于7，依照《工程岩体分级标准》(GB 50218－94），岩体应力量级为中等水平，而在隧道高程附近岩体Rc/σmax在6附近，为高应力水平，产生岩爆可能性较大。本次岩爆地应力条件分析，采用强度理论中普遍应用的陶振宇判别法、Russenes判别法、Turchaninov判别法、切应力判别法等4种判别法进行综合评价。

3.2.1 围岩岩爆地应力判别法

3.2.1.1 陶振宇判别法

陶振宇判别法是把岩石的单轴抗压强度Rc与地应力(最大主应力）σh的比值α=Rc/σ1作为一个衡量岩爆的重要指标，在常用的巴顿判据的基础上，更加细化了岩爆发生的等级范围，提出了更能体现岩爆发生与否的标准。陶振宇判据指出在Rc/σh＞14.5，无岩爆;5.5＜Rc/σh＜14.5，弱岩爆;2.5＜Rc/ σh＜5.5，中等岩爆;Rc/σh＜2.5，强烈岩爆。

3.2.1.2 Russenes判别法

Russenes岩爆判别法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩石点荷载强度Is的关系，建立了岩爆烈度关系图。把点荷载强度Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc，并根据岩爆烈度关系图判别有无岩爆发生。其判别关系如下:σθ/Rc＜0.20，无岩爆;0.20≤σθ/ Rc＜0.30，弱岩爆;0.30≤σθ/Rc＜0.55，中岩爆;σθ/ Rc≥0.55，强岩爆。

3.2.1.3 Turchaninov判别法

Turchaninov岩爆判别法是根据科拉岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室切向应力σθ和轴向应力σL之和与岩石单轴抗压强度Rc之比值确定:(σθ+σL）/Rc≤0.3，无岩爆;0.3＜(σθ+σL）/Rc≤0.5，有岩爆可能;0.5＜(σθ+σL）/Rc≤0.8，肯定发生岩爆;(σθ+σL）/Rc＞0.8，有严重岩爆。

3.2.1.4 切应力判别法

王元汉根据Russenes，Turchan inov，H oek等人的经验判据，考虑硐室的最大切向应力和岩石的单轴抗压强度比的影响，提出了关于σθ/Rc的岩爆判据。当σθ/Rc＜0.3时，无岩爆;当0.3＜σθ/Rc＜0.5时，弱岩爆;当0.5＜σθ/Rc＜0.7时，中岩爆; σθ/Rc＞0.7时，有强岩爆活动发生。

3.2.2 围岩岩爆判别结果分析

隧道最大测试深度约为480 m，小于隧道最大埋深610 m，因此，隧道围岩应力状态分析过程中需对隧道埋深较大、测试空白区的洞身段应力值采取一定的外延。由于测孔附近地层相对稳定，无明显构造，因此根据测试结果，建立隧道围岩的应力场量值式:

以上各种岩爆预测分析中，因为实际上地应力方向与隧道洞轴并不呈正交，因此根据实测的最大、最小水平主应力值及其方向以及垂直方向应力值，按下式计算隧道横断面上的应力分量:

式中:(σθ）顶、(σθ）边——隧道洞顶和边墙中点的切向应力。

上述判别方法给出了已知应力状况和围岩力学参数推断围岩是否发生岩爆以及岩爆级别的标准。在本文下面的分析中，将式(2）代入式(3）经坐标转换后，代入式(4）求得隧道围岩的切向应力和轴向应力，Rc取80 MPa然后求得各判别方法的结果如表2所示。

由于该隧道最大埋深为610m左右，综合以上

式中:σH、σh——水平最大、最小主应力;σH'、σL——分别为垂直、平行隧道轴线的水平应力; α——σH与σH之间夹角。

隧道周边围岩切向应力以圆形洞近似估算，洞顶和边墙中点的应力状态为:岩爆预测分析结果，对于硬质脆性岩类地段的围岩，在隧道埋深＜113 m时，不会发生岩爆，埋深在113～350 m范围，有岩爆发生的可能或发生轻微岩爆，埋深＞350 m会发生中等岩爆。因此，在隧道设计时应根据隧道岩爆强度等级采取有效的防治措施。

表2 岩爆判别表

根据隧道围岩分级对易发生岩爆的区段进行统计，统计结果见表3、表4。

表3 隧道左线易发生岩爆区段

4 结论

隧址区最大主应力为水平应力，方向为NS向，测试结果为3.7～15.2 MPa，岩体应力量级为中等～高应力水平;在隧道埋深小于113 m时，不会发生岩爆，埋深在113～350 m范围，有岩爆发生的可能或发生轻微岩爆，埋深超过350 m会发生中等岩爆，应采取有效的防治措施。

表4 隧道右线易发生岩爆区段

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Analysis on Rockburst of Hongtiguan Tunnel Surrounding Rock

LIU Dan-dan1，WANG Yu-lai2，WANG Jun-jie1(1.Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471002，China;2.China Communication Road and Bridge Co.，Ltd.，Beijing 100029，China）

The surrounding rock in Hongtiguan tunnel is mainly hard rock，which is an extra long and deep buried tunnel.The geological structure around the tunnel is developed very well，engineering geological conditions are complicated and there is great possibility for rockburst.Through the analysis on influencing factors of rockburst，hydrofracturing method，Taozhenyu method，shear stress criterion were used to test ground stress，the results show that there are occurrance possibilities of weak-moderate rockbursts in this tunnel.

extra long and deep buried tunnel;rockburst;ground stress test

U452.1+2

:A

:1672－7428(2012）10－0072－04

2012－05－21

刘丹丹(1986－），女(汉族），河南洛阳人，黄河规划勘测有限公司地质勘探院，地质工程专业，从事工程勘察工作，河南省洛阳市瀍河区启明西路34号院，baoyai@163.com。