燕山山脉某隧道地应力特征及岩爆预测与防治

2015-03-17李建伟刘广英

铁道勘察 2015年3期

关键词：岩爆主应力岩体

李建伟　刘广英　李　翔

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

Research on Stress Character and Rock-burst Forecasting and Prevention Measure of Some Yanshan Mountain Tunnel

LI Jianwei　LIU Guangying　LI Xiang

燕山山脉某隧道地应力特征及岩爆预测与防治

李建伟刘广英李翔

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Research on Stress Character and Rock-burst Forecasting and Prevention Measure of Some Yanshan Mountain Tunnel

LI JianweiLIU GuangyingLI Xiang

摘要岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。为研究燕山山脉某深埋隧道的地应力特征及岩爆预测，对研究区地貌地层岩性、地质构造以及构造破碎带的地质过程进行分析，并在研究过程中选取典型部位，采用水压致裂法实测获得了工程区地应力资料，利用多种方法对隧道岩爆进行预测：(1)该隧道三个测试钻孔附近地应力分布较为稳定，无明显异常带，以水平主应力作用为主，隧道轴线与最大主应力方向夹角约17°，轴线选择方案可行，基本有利于隧道的稳定性。(2)该隧道施工过程中可能发生片帮现象或轻微的岩爆。经施工验证，开挖过程中实际岩爆特征基本与预测一致。

关键词地应力水压致裂法岩爆预测与防治

岩爆是指在高地应力地区洞室开挖后，由于洞室围岩的应力重分布和应力集中，在较短时间产生的突发、猛烈的脆性破坏形式。破碎岩石从坑洞壁面弹射或大量岩石崩出，产生强烈的气浪或冲击波，最强可摧毁整个作业面乃至整个洞室[1-3]，直接威胁施工人员及设备的安全，影响工程进度。燕山地区深埋隧道开挖诱发的岩爆问题是工程施工关注的热点，其突发性常带来灾害性的事故。因此，在该地区开展深埋隧道地应力特征及其岩爆预测研究具有重要现实意义。以燕山山脉某深埋铁路隧道为研究对象，在系统梳理搜集隧道区域地质资料的基础上，开展了三方面的研究：①区域地质环境分析；②地应力测试与特征分析；③岩爆可能性判别及防治措施，为隧道岩爆地质灾害的预报及合理制定开挖支护方案提供可靠的依据。

1隧址区地质概况

1.1　地形地貌及地层

隧址区地处燕山山脉西段，近东西向展布，地貌属构造剥蚀中低山区。整个隧道穿越起伏叠嶂的山峦，山势挺拔绵延，呈西北—南东向展布，山高坡陡谷深，地形急剧起伏，多呈悬崖陡坎，沟谷切割强烈。区内最高主峰海拔高程为1 567.5 m。隧道最大埋深为557 m。

隧道范围穿越地层复杂，进出口为第四系上更新统坡洪积新黄土及碎石类土；洞身范围经过的主要地层为太古界水地庄岩组角闪斜长片麻岩、变粒岩及花岗片麻岩，侏罗系上统张家口组安山岩，长城系常州沟组石英砂岩、粉砂岩，燕山期二长花岗岩，燕山期正长斑岩、石英正长斑岩、辉绿岩。围岩埋深最大部分主要为硬质火成岩，岩体内的应力环境受到河流沟谷、隧道埋深、构造应力的综合控制。

1.2　地质构造

隧道区大地构造上位于华北地台燕山台褶带北缘西段，隶属龙关穹褶束Ⅳ级构造单元。区内构造比较复杂，构造形迹以断裂构造和褶皱构造为主，不同方向、不同性质、多期活动的断裂构造交错在一起，构成隧道区内的主体构造格局。区内小断裂构造较发育，未发现有深大断裂通过本区，按其展布方向可分为近东西向、北东向、北西向和北北东向4组，其中以北东向和北北东向断裂最为发育。区内褶皱构造不发育，多表现为断层附近的牵引褶皱，而且规模较小。

本区地表断裂构造不发育，地表在DK60+800有一条逆断层，走向NWW，在DK61+150有一条挤压破碎带，走向NE；在5个钻孔中揭露到了构造，根据断裂所切割的地层和所处区域构造应力场分析，断裂主要活动时代为侏罗系-早白垩系，结构面、断层和节理裂隙叠置组合在一起，构成了隧道的构造破碎带，隧道工程地质剖面见图1。

图1　某铁路隧道工程地质剖面示意

2水压致裂法地应力测试

2.1　测试原理

水压致裂法是20世纪70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量[4-6]，利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压，同时利用X-Y记录仪、计算机数字采集系统或数字磁带记录仪记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值SH、Sh以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数，其中估算垂直应力SV采取上覆岩石容重约为2.65 g/cm3估算。

图2　最大、最小水平主应力和垂直主应力量值随深度分布线性关系

2.2　测试成果

本次选取在隧道不同地段的ZK1、ZK2、ZK3三个钻孔，在不同的深度共进行了25个测段的水压致裂法地应力测量，既有岩石完整段也有岩石微裂的测段，测试结果较真实的反映了各测孔附近的原地应力特征，具有很好的代表性(见表1及图2)。

表1　三个测试孔最大、最小水平主应力值和

由表1中三个孔测量结果可以看出，在钻孔测试深度域内，大小地应力值大体相等，地应力值不高，三个测孔最大主应力值在5.0～12.0 MPa，最小水平主应力在3.0～8.0 MPa，估算的垂直应力在2.0～9.0 MPa。最大主应力大于垂直应力和最小主应力，表明三个钻孔均以水平主应力作用为主。

3测试区域应力场特征

3.1　地应力量值随深度分布特征

为了进一步分析了解工程区隧道地应力随深增加的分布规律，首先对ZK1孔、ZK2孔和ZK3孔各测段的地应力值随深度分布进行线性回归计算。如图2所示，得到三个钻孔线性回归计算关系表达式(见表3)。式中，SH，Sh，SV分别为最大、最小水平主应力和垂直主应力，单位为MPa，H为深度，单位为m，r为线性相关系数。

由图2以及表2线性回归计算式可见，三个钻孔线性回归关系均较好，r相关系数较大于0.90，表明各孔测段的应力值离散度小。说明三个钻孔的水平主应力的大、小值随深度(H)的增加而增大的梯度变化较有规律，钻孔附近应力状况分布均匀。

分析认为三个钻孔推算得到的线性回归计算关系表达式，均适用于该隧道在各个不同地段、不同埋深处的应力推算。

表2　隧道3个钻孔主应力随深度H线性回归表达式

3.2　地应力场作用方向与隧道轴线关系

根据水平压致裂应力测量原理，在完整岩石中进行压裂测量，不管两向水平主应力的大小如何，破裂面总是沿着最大主应力方向的孔壁上首先产生，且裂缝多为近垂直，压裂缝的方向就是最大水平主应力的方向。为了测定主应力方向，三个钻孔共进行了9次印模测定。这里需要指出绝大多数破裂印痕与孔轴近于平行，以此确定的最大水平主应力方向是准确可靠的，有些印痕拐弯与孔轴倾斜或斜交，这些裂缝确定出来的最大水平主应力方向有一定的误差。

如表3所示，三个钻孔主应力的方向结果均在N50°～84°E 的范围内，测量结果有较好的一致性，由此表明工程区现今构造应力场为以NEE～SWW方向挤压为主。

理论及实践证明，最大水平主应力方向与隧道轴线的夹角θ越小越有利于硐室的稳定性[7]，本隧道轴线的方位角为N67°E，与隧道最大水平主应力方向约以17°相交，角度较小，有利于隧道工程的稳定性。

表3　隧道3个钻孔最大水平主应力方向统计

3.3　隧道轴线处平面应力及横截面最大切向应力

根据弹性力学及水平压致裂应力测量原理，由三个主应力SH、Sh、SV及最大水平主应力与隧道轴线夹角θ，可以推导出隧道侧向应力σ横、隧道轴向应力σ纵、隧道剪切应力τ及隧道轴线横截面上最大切向应力σθmax。计算式如下

(1)

(2)

由以上公式，可推出在隧道轴线附近三个钻孔中的各个应力参数(见表4)。

表4　隧道轴线附近应力参数

4隧道岩爆预测分析

大量的工程实例证明，岩爆多数发生在石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体中。这些岩体的共同力学特征是弹脆性，并且岩体坚硬、致密、完整、风化程度低、含水量少[7]。本文所研究的隧道岩性组成主要为花岗岩及片麻岩，埋深多处于200～400 m，具备了发生岩爆的岩性条件及埋深条件。对三个钻孔的岩石进行取样并统计得出抗压强度参数(见表5)，可知该隧道钻孔岩石强度大于60 MPa，为坚硬岩。

本次岩爆分析从地应力角度着手，采用强度理论判别法进行定性或定量的综合评价。

表5　三个钻孔岩石物理力学指标统计一览

4.1　工程岩体分级判别方法

《工程岩体分级标准》(GB50218—94)相对完整地考虑了地应力因素对地下洞室的成洞性的影响，评价了开挖过程中的主要现象，并规定硬质岩在高应力地区当RC/σθmax的值介于4～7时，在开挖过程中可能发生岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性差[8]。

本工程中三个钻孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置RC/σθmax值分别为5.0、5.5、4.2，根据《工程岩体分级标准》判别，该隧道可能会发生岩爆及剥离掉块现象。

4.2　Andersson判别方法

Dowding C.H. & Andersson C.A.提出[9]：

本工程中三个钻孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置σθmax/RC的值分别为0.20，0.18和0.24，根据Andersson判据，该隧道一般不发生片帮或岩爆。

4.3　Turchaninov判别方法

前苏联N.A.Turchaninov(多尔恰尼诺夫)[10]根据矿井建设经验，提出了岩爆活动性由硐室切向应力σθ和轴向应力σL的和与单轴抗压强度Rc之比确定：

本工程中三个钻孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置(σθ+σL)/RC的值分别为0.33、0.30和0.39，根据多尔恰尼诺夫判据，该隧道有岩爆发生的可能。

4.4　陶振宇判别方法

我国的陶振宇教授在总结多项工程经验的基础上，修正了挪威曾采用的巴顿法，根据围岩围岩抗压强度RC与最大主应力σ1的关系，提出一组新的判别临界值[11]

本工程中三个钻孔ZK1、ZK2和ZK3在洞身位置RC/σ1的值分别为7.2、8.3和6.5，根据陶振宇方法判据，该隧道存在低岩爆活动，有轻微声发射现象。

从岩爆分析理论看，岩石抗压强度对岩爆预测分析结果及岩爆的等级有着直接影响。通过以上几种岩爆预测判别方法进行分析，结果仅Andersson判据预测无岩爆发生，其他方法均预测为弱岩爆或可能发生低岩爆活动。另外，岩爆作为一种复杂的地质现象，除了受地应力及岩石强度影响外，还与岩体结构、地质构造、水文地质、施工中洞壁轮廓的平整性、爆破方式等各种因素有关。综合分析，该隧道施工过程中可能发生片帮现象或轻微的岩爆，在施工过程中仍需要采取监测手段和必要的安全措施。

5施工开挖特征及防治对策

5.1　施工开挖特征

现场三个测试孔位置段落已经完成了施工开挖。在施工过程中，由于采取了洞壁洒水、挂网喷射混凝土及打应力释放孔等措施，仅在ZK1、ZK2两钻孔段落内发生了轻微级别的岩爆，有剥落和片帮现象，伴随清脆的“啪啪”声响，未出现弹射。但在ZK3钻孔附近段落未出现岩爆现象。综合分析，是由于在ZK1、ZK2两个段落内岩体完整，节理裂隙不发育，而在ZK3段落发育小型构造F7，能量已通过节理裂隙方式消散。现场实际情况印证了之前的岩爆预测结果，同时，也证明了地质构造及岩体特征对岩爆形成的影响。