謝卓雄, 高筠涵, 王志偉, 汪 波

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507； 2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

1 工程概況

鴻圖嶂隧道位于廣東省豐順縣和五華縣境內(nèi)，是大(埔)豐(順)(五)華高速公路的控制性工程，隧道穿越中低山地貌區(qū)，地面標(biāo)高243～1037m，相對高差約794m，山體植被發(fā)育。隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式，雙線中心間距約40m；隧道全長6175m，隧底標(biāo)高239～358m，隧道最大埋深約740m，如圖1所示。

圖1 隧道縱斷面圖

隧道設(shè)計(jì)行車速度100 km/h。隧道準(zhǔn)斷面凈寬約11.8 m，凈高約7.2 m(見圖2)。隧道按新奧法設(shè)計(jì)和施工。隧址區(qū)巖性以花崗巖為主，巖體完整性好，強(qiáng)度高。受區(qū)域構(gòu)造影響，隧址區(qū)原巖應(yīng)力場以水平應(yīng)力場為主，且隨深度變化，各不相同，深埋段巖體因受高圍壓作用，隧道開挖引起洞周應(yīng)力重分布后，可能產(chǎn)生的巖爆將危及洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的安全。因此，為了充分保證施工的安全性，對鴻圖嶂隧道進(jìn)行巖爆預(yù)測研究具有重要的工程的指導(dǎo)意義。

圖2 隧道斷面圖(單位: mm)

2 隧址區(qū)巖性及應(yīng)力場特征

2.1 隧址區(qū)巖性特征

隧址區(qū)巖性主要為燕山早期花崗巖和侏羅系安山玢巖，呈灰白、淺肉紅色，中～粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，隧道區(qū)基巖表部覆蓋有第四系殘坡積層。洞身主要穿過微風(fēng)化新鮮花崗巖，局部穿越小型斷裂帶，巖石強(qiáng)度高、性脆，據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測得隧址區(qū)花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值Rc約為90 MPa，與單軸抗壓強(qiáng)度平均值相近，設(shè)計(jì)中劃定為Ⅱ級圍巖。

2.2 隧址區(qū)應(yīng)力場特征

為準(zhǔn)確獲取隧址區(qū)原始地應(yīng)力場狀況，隧道勘測過程中采用水壓致裂法在隧道軸線附近最大埋深部位進(jìn)行了地應(yīng)力場測試，測試情況如表1所示。

根據(jù)表1中的地應(yīng)力測試結(jié)果可知，隧址區(qū)水平向主應(yīng)力占主導(dǎo)地位，最大主應(yīng)力位于隧道洞身位置，量值σhmax為23.2 MPa，應(yīng)力方向N62°E，與隧道軸線約為43°，經(jīng)換算后，垂直隧道軸線方向水平最大應(yīng)力值σmax取19.1 MPa，與鉛直向應(yīng)力值較為接近，同時(shí)比較其他埋置深度下垂直隧道軸線的豎向與水平應(yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)(見表1)可知，側(cè)壓力系數(shù)接近于1.0，即隧道近似處于靜水壓力場狀態(tài)。

表1 鴻圖嶂隧道地應(yīng)力測試表Table 1 Hongtuzhang tunnel in-situ stress test table孔深/m最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPa鉛直應(yīng)力/MPa最大水平主應(yīng)力方向隧道軸線方向夾角/(°)隧道軸線方向水平應(yīng)力/MPa垂直隧道軸線方向水平應(yīng)力/MPa側(cè)壓系數(shù)2708.55.76.4N74°E105317.16.41.037414.19.410.1N74°E1053112.910.61.0550422.914.813.6N74°E1053120.816.91.24606.218.911.916.4N67°E1053816.214.60.89680.520.313.018.4N65°E1054017.316.00.87703.823.215.519.0N62°E1054319.619.11.0 注:1.破裂壓力、重張壓力和關(guān)閉壓力為測點(diǎn)孔口壓力值;垂直應(yīng)力取容重為0.027 MN/m3進(jìn)行計(jì)算;2.穩(wěn)定水位約在孔深228 m處。

結(jié)合我國《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50218-2014)中對于地應(yīng)力場等級的劃分如下：Rc/σmax極高地應(yīng)力<4，高地應(yīng)力4～7，一般地應(yīng)力>7，其中Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，σmax為工程區(qū)最大主應(yīng)力。計(jì)算得Rc/σmax在4～7之間，即鴻圖嶂隧道屬于高應(yīng)力場區(qū)，開挖過程中可能發(fā)生巖爆危害。

3 鴻圖嶂隧道巖爆預(yù)測分析

巖爆預(yù)測問題極為復(fù)雜，目前國內(nèi)外還沒有一整套成熟的理論與方法，目前有多種巖爆預(yù)測方法，但歸結(jié)起來分2類：一類為理論法，另一類為實(shí)測法。設(shè)計(jì)階段多以理論法為主進(jìn)行，所謂理論法，即利用已建立的巖爆各種判據(jù)和指標(biāo)，結(jié)合巖體力學(xué)指標(biāo)或根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件、理論分析取得工程場區(qū)的地應(yīng)力值，進(jìn)行巖爆預(yù)測的方法。目前理論法中最為常用的為應(yīng)力判據(jù)法(見表2)。

表2 巖爆判據(jù)表Table 2 Criteria for rock burst判據(jù)無巖爆輕微巖爆中等巖爆強(qiáng)烈?guī)r爆盧森判據(jù)σθ/Rc<0.20.2-0.3(含0.2)0.3-0.55(含0.3)≥0.55陶振宇判據(jù)Rc/σ1>14.514.5～5.55.5～2.52.5王元漢判據(jù)σθ/Rc<0.30.3-0.5(含0.3)0.5-0.7(含0.5、0.7)>0.7

從表中可以看出，雖不同判據(jù)界限值有所差異，但各判據(jù)均主要考慮2個(gè)因素：洞壁最大主應(yīng)力或切向應(yīng)力和巖石單軸抗壓強(qiáng)度?？紤]到埋深是影響應(yīng)力值大小的重要因素，故本文首先依據(jù)侯發(fā)亮教授提出的僅考慮上覆巖體自重情況下巖爆發(fā)生的臨界深度公式(1)對鴻圖嶂隧道發(fā)生巖爆的臨界深度做大致預(yù)判如下：

(1)

式中:Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；μ為巖石泊松比；γ為容重。依據(jù)地勘資料取Rc=90 MPa，μ=0.25，γ=0.027 MN/m3。

經(jīng)式(1)測算得Hcr=397.5 m， 也即鴻圖嶂隧道在埋深大于397.5 m時(shí)可能存在巖爆活動。

為準(zhǔn)確預(yù)測鴻圖嶂隧道可能產(chǎn)生的巖爆危害，結(jié)合表2中的不同判據(jù)對隧道開挖過程中可能發(fā)生的巖爆狀況進(jìn)行綜合預(yù)測是非常必要的。為此，根據(jù)不同埋深段的應(yīng)力場分布情況，采用數(shù)值分析手段對鴻圖嶂隧道開挖后巖體應(yīng)力場重分布情況進(jìn)行了研究，建立的數(shù)值分析模型如圖3所示，計(jì)算中采用的物理力學(xué)參數(shù)如下：花崗巖巖石重度27 kN/m3,彈性模量E為5.44×104MPa,泊松比μ為0.26,內(nèi)聚力C為5.4 MPa,內(nèi)摩擦角45°。

圖3 數(shù)值分析模型

通過分析，獲取了不同埋深情況(即不同應(yīng)力場分布)下的圍巖最大主應(yīng)力σ1和切向應(yīng)力σθ分布云圖(圖中單位為MPa)。如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著埋深增大(即地應(yīng)力場增大)，圍巖的最大主應(yīng)力與切向應(yīng)力隨之增大。由于隧道并未設(shè)計(jì)仰拱，隧道輪廓線型發(fā)生突變，在拱腳處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，但根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，拱腳通常不會產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象，由此最大應(yīng)力的提取點(diǎn)應(yīng)不考慮拱腳附近位置。

(a) 埋深270 m

(c) 埋深504 m

根據(jù)應(yīng)力分布云圖和相關(guān)數(shù)據(jù)獲得了不同埋深條件下最大主應(yīng)力與切向應(yīng)力如圖4所示，根據(jù)圖4并結(jié)合表2中的巖爆應(yīng)力判據(jù)法，獲得了鴻圖嶂隧道不同埋深條件下應(yīng)力強(qiáng)度比，見表3。

表3 不同埋深條件下巖爆各判據(jù)的應(yīng)力強(qiáng)度比Table 3 Stress intensity ratio of each criterion of rockburst under different burial depth conditions選取的計(jì)算斷面隧道埋深/mσθ/MPaσ1/MPaσθ/RcRc/σ1ZK90+54527014.514.60.166.16ZK90+64837422.522.50.254.00ZK91+51950427.827.80.313.28ZK92+02560639.338.00.442.37ZK92+82868144.443.50.492.07ZK93+28470443.343.30.482.08

依據(jù)表2中的巖爆發(fā)生判據(jù)指標(biāo)，預(yù)測各埋深條件下巖爆發(fā)生烈度如表4所示。

根據(jù)表4，結(jié)合式(1)的計(jì)算結(jié)果，綜合得出鴻圖嶂隧道不同埋深條件下巖爆發(fā)生烈度情況如下：350 m以下無巖爆發(fā)生，350～500 m將可能產(chǎn)生輕微巖爆，500 m(含)以上將可能產(chǎn)生中等巖爆。

綜合鴻圖嶂隧道各區(qū)段的埋深狀況，預(yù)測各區(qū)段可能發(fā)生的巖爆烈度如表5所示。

表4 不同埋深條件下巖爆發(fā)生烈度Table 4 Rockburst intensity at different burial depths選取的計(jì)算斷面里程隧道埋深/m盧森判據(jù)σθ/Rc陶振宇判據(jù)Rc/σ1王元漢判據(jù)σθ/Rc綜合判斷ZK90+545270無巖爆輕微巖爆無巖爆無巖爆ZK90+648374輕微巖爆中等巖爆無巖爆輕微巖爆ZK91+519504中等巖爆中等巖爆輕微巖爆中等巖爆ZK92+025606中等巖爆強(qiáng)烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆ZK92+828681中等巖爆強(qiáng)烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆ZK93+284704中等巖爆強(qiáng)烈?guī)r爆輕微巖爆中等巖爆

表5 計(jì)算區(qū)段巖爆最終預(yù)測結(jié)果Table 5 Calculates the final predicted results section rockburst巖爆發(fā)生的類型范圍巖爆可能發(fā)生部位(可能性從高到低排序)無巖爆發(fā)生ZK89+353～ ZK90+728ZK94+110～ ZK95+528—輕微巖爆ZK90+728～ ZK92+224邊墻、拱頂、拱肩中等巖爆ZK93+641～ZK94+110ZK92+224～ZK93+641邊墻、拱頂、拱肩

從表5中可以看出，鴻圖嶂隧道輕微巖爆和中等巖爆均可能發(fā)生，輕微巖爆發(fā)生于ZK90+728～ ZK92+224，中等巖爆發(fā)生于ZK93+641～ZK94+110、ZK92+224～ZK93+641區(qū)段范圍，發(fā)生部位主要在邊墻。

4 鴻圖嶂隧道巖爆防治對策

鴻圖嶂隧道巖爆防治按照“安全第一、全面設(shè)防、防治結(jié)合、多種手段、綜合治理”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工中巖爆防治從改善圍巖洞周應(yīng)力狀態(tài)與變形特性、逐步釋放圍巖儲存的應(yīng)變能、改變圍巖物理力學(xué)性質(zhì)和對圍巖進(jìn)行加固等幾個(gè)方面入手。

具體如下：

a.改善圍巖物力性能：對于輕微～中等烈度的巖爆地段應(yīng)在掌子面和洞壁經(jīng)常噴灑冷水，一定程度上降低表層圍巖的強(qiáng)度。中等～強(qiáng)烈烈度的巖爆地段可采用超前鉆孔向巖體深部高壓注水，該方法可以通過3方面作用來防治巖爆：一是可以釋放應(yīng)變能并將最大切向應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體的強(qiáng)度，三是高壓注水產(chǎn)生了新的脹裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，從而降低了巖體儲存應(yīng)變能的能力。

b.改善圍巖應(yīng)力條件：根據(jù)目前國內(nèi)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巖爆地段采用鉆爆法施工時(shí)，應(yīng)采用短進(jìn)尺掘進(jìn)，減小藥量，控制光爆效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。輕微、中等巖爆段盡可能采用全斷面一次開挖成型的施工方法，以減少對圍巖的擾動。強(qiáng)烈?guī)r爆段，必要時(shí)采用分部開挖的方法，以降低巖爆的破壞程度。在中等～強(qiáng)烈和以上烈度的巖爆地段還應(yīng)結(jié)合采取超前鉆孔應(yīng)力解除、松動爆破或振動爆破等方法，使巖體應(yīng)力降低，能量在開挖前釋放。

c.加固圍巖：針對鴻圖嶂隧道可能出現(xiàn)的巖爆等級，結(jié)合工程類比設(shè)計(jì)了巖爆地段加固處理措施(如圖5、表6所示)。

圖5 鴻圖嶂隧道防巖爆支護(hù)參數(shù)圖

表6 鴻圖嶂隧道防巖爆支護(hù)參數(shù)表Table 6 Hongtuzhang Tunnel rockburst support parameter table 巖爆等級預(yù)留變形量/cm噴射砼C25砼/cm錨桿鋼筋網(wǎng)二襯仰拱厚度直徑/mm長度/cm錨桿布置/cm直徑/mm鋼筋布置/cmC30砼/cm鋼筋/(根·m-1)噴C25砼/cmC30砼/cm掌子面加固噴C25砼/mm輕微巖爆510Φ22藥卷錨桿250100×100(拱墻)Φ620×20(拱墻)35————中等巖爆515Φ25端頭脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿300100×100(拱墻)Φ820×20(拱墻)35———必要時(shí)噴混5 cm

從表6中可以看出，較之于輕微巖爆，中等巖爆區(qū)錨桿類型和間距發(fā)生了改變，建議采用脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，隧道開挖后利用該類型的錨桿可快速對洞壁施加徑向力，以改善圍巖應(yīng)力條件，減弱巖爆發(fā)生烈度與范圍。同時(shí)中等巖爆段噴射砼的厚度也相應(yīng)增加，以起到較好的防治巖爆的效果。

5 結(jié)論與建議

從鴻圖嶂隧道巖性條件和應(yīng)力場條件出發(fā)，對該隧道巖爆發(fā)生狀況進(jìn)行了預(yù)測，得到如下結(jié)論：

a.鴻圖嶂隧道巖性以花崗巖為主，巖體強(qiáng)度高，完整性好，具備巖爆發(fā)生的巖性條件。

b.鴻圖嶂隧道隧址區(qū)以水平應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力量值為23.2 MPa，屬于高應(yīng)力場區(qū)，開挖過程中可能發(fā)生巖爆危害隧道。

c.鴻圖嶂隧道輕微巖爆和中等巖爆均可能發(fā)生，輕微巖爆發(fā)生于ZK90+728～ ZK92+224，中等巖爆發(fā)生于ZK93+641～ZK94+110、ZK92+224～ZK93+641區(qū)段范圍。

d.根據(jù)鴻圖嶂隧道巖爆發(fā)生烈度，提出了不同巖爆等級下的防巖爆支護(hù)參數(shù)，尤其是針對中等巖爆區(qū)，建議采用可快速對洞壁施加徑向力的脹殼預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，以改善圍巖應(yīng)力條件，減弱巖爆發(fā)生烈度與范圍。

本文利用現(xiàn)有的資料，在設(shè)計(jì)階段對鴻圖嶂隧道的巖爆發(fā)生狀況進(jìn)行了預(yù)測，建議后期施工中結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)一步開展巖爆預(yù)測與防治工作。