基于應力判據法適宜性分析的隧道施工期巖爆預測研究

巴福隆

(中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧沈陽 111000)

巖爆是深埋硬巖隧道施工中比較嚴重的地質災害。巖爆預測分為兩大類[1]：一類是實測法，使用實驗儀器對地下工程的巖體進行監測和測試，并以此判別巖爆，常用的方法有微重力法、流變法、回彈法、微震法等；另一類是理論法，將巖石的單軸抗壓強度與地應力的比值作為巖爆預測的重要指標，或以切向應力、地下洞室軸向應力之和與單軸抗壓強度之比作為判據，這些應力判據方法將巖爆分為輕微巖爆、中等巖爆以及強烈巖爆三個等級[2]。目前存在的應力判據方法眾多，標準不統一，給設計和施工帶來很大的不確定性。各判據方法見表1。

以九嶺山隧道為例，探討各應力判據方法在九嶺山隧道巖爆預測中的適用性，并根據現場情況選擇適宜的應力判據方法，對九嶺山隧道做出巖爆預測。

表1 巖爆應力判據法統計

注：σθ—洞壁切向應力;Rc—巖石單軸抗壓強度;σ1—最大主應力 。

1 工程概況

九嶺山隧道位于江西省宜春市境內，隧道結構形式為單洞雙線，進口里程為DK1680+697，出口里程為DK1696+068，全長15 371 m。隧道經過區域最高山峰的高程為1 404.6 m。

隧道位于中低山區，山體陡峭，流水侵蝕切割劇烈，地形起伏較大，自然坡度約30°～60°，相對高差約1 000 m，植被發育。隧道穿越地層較復雜，主要有花崗巖、花崗閃長巖，局部發育有酸性巖脈和石英脈，地表零星分布有第四系坡洪積及殘坡積土層。圍巖完整性好，強度高，在高圍壓條件下，隧道開挖過程中可能發生巖爆。根據地質水文條件推測，隧道DK1687+260～DK1687+500段存在巖爆可能[5]。

本次現場測試采用應力解除法測試洞壁應力[6]，采用點荷載試驗方法測試巖石單軸抗壓強度。

2 基于應力解除法現場洞壁應力實測及巖石強度測試

為科學預測九嶺山隧道巖爆的發生狀況，在隧道已開挖段工作面附近，利用應力解除法對隧道開挖后的二次應力進行實測。因施工期預測段眾多，且原理基本一致，現以DK1687+260～DK1687+500段為例進行研究。

2.1 測試斷面的選擇

測試斷面的選擇關乎巖爆預測的準確性。應該選擇與預測段埋深巖性相近的斷面作為地應力測試斷面，以保證巖爆預測的合理性和科學性。

DK1687+260～DK1687+500段洞身為花崗巖、花崗閃長巖，巖質堅硬，巖體較完整，地下水弱發育。埋深大致為505 m，縱斷面如圖1所示。根據前述的測試斷面選擇原則，現場選擇已開挖斷面DK1687+240進行洞壁應力測試。

選定斷面后，考慮到現場測試中應力解除法的可操作性，將測點布設在邊墻上。再根據應力解除法，測試洞壁二次應力和單軸抗壓強度，然后根據不同的巖爆判據，對前方未開挖段進行巖爆預測。

圖1 DK1687+240～DK1687+500縱斷面

2.2 現場洞壁應力及巖體強度的測試

所謂洞壁二次應力解除法，就是在隧道已開挖段洞壁某點安設傳感器(見圖2)，再通過鉆取一段同心的管狀巖芯而使應力解除，測得約束解除前后巖體的微應變變化，根據應變變化狀況及巖石的彈性常數，利用彈性力學理論來推算解除部位處巖體所受的各向應力，即可求得該點的應力狀態[7]。

圖2 應力解除法時洞壁應變片粘貼示意

圖3 現場洞壁二次應力測試

依據應力解除法，在九嶺山隧道DK1687+240斷面進行了洞壁二次應力測試(見圖3)，獲得的應變增量見表2。

表2 應力解除法測得應變增量

注：表中x方向為平行于隧洞軸線方向，y方向為垂直于隧洞軸線方向，此時，測得εy即為洞壁邊墻上的切應變，計算獲取的σy即為洞壁切向應力σθ；應變增量為儀器讀數值。

從表2可以看出，應力解除后，y方向應變增量最大，x方向應變增量次之， 45°方向應變增量最小。其中，y方向(隧道邊墻洞壁切向)的應變增量明顯大于x方向(平行于隧道軸向)，據此可初步判斷，隧道開挖后存在較大的洞壁切向應力。

因DK1687+240斷面附近以硬巖為主，隧道開挖后，巖性變形主要為彈性變形，故可依據彈性力學理論計算洞壁二次應力分布狀況，如式(1)～式(4)所示[8]

(1)

做為中建人的一員，全年在外施工是常態，對于家里自是無暇顧及，數次搬家、兩次裝修，撫養孩子，孝敬老人統統甩給了妻子，偶爾回到總部開會，也是匆匆來匆匆走，老人曾說他就是一個“野人”。然而，電話的那一頭，卻總是“兒子的胃病好點沒，爹的假牙換了沒……”他對家人的惦念一直留在心里，隨著年齡的增長，他越來越注意抽出時間與父母嘮家常，倔強的父親也逐漸理解了這個“不孝”的兒子。

式中：σx—x(水平)方向應力；σy—y(豎直)方向應力；τxy—xy平面剪應力；εx—x(水平)方向應變；εy—y(豎直)方向應變；ε45°—xy平面45°方向應變；σ1—最大主應力。

據式(1)～式(4)可知，為獲取洞壁二次應力，需獲取九嶺山隧道相關巖體的物理力學指標，根據《九嶺山隧道工程地質勘察報告》及《鐵路隧道設計規范》[9]，確定地應力測試段巖體的物理力學指標見表3。

表3 測試段巖體的物理力學指標

依據表3中的物理力學參數，綜合式(1)～式(4)，計算測點DK1687+240斷面的洞壁二次應力(見表4)。

表4 DK1687+240斷面的洞壁二次應力 MPa

為獲得DK1687+260～DK1687+500區段處的巖體強度，現場取巖樣進行了點荷載試驗(見圖4)，通過式(5)～式(10)，計算獲得點荷載試驗結果(見表5)[10]。

圖4 現場點荷載試驗

Is(50)=Is×Kd×KDd(8)

Kd=(De/50)0.4(9)

Rc=26.74×Is(50)(10)

式中：Af—試件的破壞面面積/mm2；D—加荷點間距/mm；Wf—破壞面上垂直加荷最小長度/mm；De—等效圓直徑/mm；Is—試件點荷載強度/MPa；Ip—壓力表讀數/N；Is(50)—標準試件點荷載強度/MPa；Kd—尺寸效應修正系數；KDd—形狀效應修正系數(采用圓柱狀巖芯時取1)；Rc—單軸抗壓強度/MPa。

表5 DK1687+240點荷載試驗結果

根據《九嶺山隧道工程地質勘察報告》，DK1687+240～DK1687+500段的巖樣試驗結果為Rc=97.41 MPa，綜合比較巖樣試驗結果與點荷載試驗結果，兩者試驗結果相差較小。

3 九嶺山隧道施工期巖爆預測

應力判據法大多將圍巖切向應力(最大主應力)與巖石單軸抗壓強度的比值作為發生巖爆的唯一依據，但實際上，巖爆發生還與許多因素有關:圍巖斷面情況、構造節理、洞室的空間排布等。因此，實際預測時無法將單一的某個應力判據作為所有隧道的巖爆預測標準，要綜合各種應力判據的分析結果，并根據現場情況選擇適宜的應力判據準則，對隧道做出科學合理的巖爆預測[11]。

根據現場測試獲得的洞壁二次應力值，結合點荷載試驗所獲取的巖石單軸抗壓強度，采用應力判據法，計算獲得DK1687+240斷面的洞壁二次應力及巖體強度比(見表1)，判別出DK1687+240斷面在不同判據下的巖爆發生狀況(見表6)。

表6 巖爆等級判別

由表6可以看出，由不同的巖爆判據標準得出的巖爆等級差異性較大：對于DK1687+240測試斷面，王元漢判據和王蘭生判據得出輕微巖爆的結論，盧森判據的結論為中等巖爆，陶振宇判據及關寶樹判據為強烈巖爆。

結合DK1687+240斷面附近隧道開挖后巖爆實際發生狀況來看(見圖5)，該斷面附近巖爆發生時主要表現特征[12]為：清脆的爆裂聲(噼啪聲和撕裂聲)；偶有爆裂松脫及少量彈射，且隨時間增長向圍巖深部發展(見圖5)。對比已有巖爆的發生特點歸納總結可知，該斷面發生的巖爆烈度為輕微巖爆。故認為，王元漢及王蘭生判據更適合九嶺山隧道的實際情況[13-15]。

圖5 現場巖爆照片

4 結論

(1)此次巖爆預測過程中，采用應力解除法得到測試斷面的應力，采用點荷載試驗得到巖石單軸抗壓強度，為準確預測施工期的巖爆提供了可靠依據。

(2)根據已開挖段的巖爆發生情況，可初步判斷洞壁二次應力間的關系，進而得出現場測試時應變增量的關系，提高了測試數據的準確率，可避免因實際操作的誤差影響巖爆預測結果的準確性。

(3)進行巖爆預測時，除了計算應力判據法中的應力與巖石強度的比值，還要考慮巖石的脆性、堅硬程度以及完整性。