九岭山深埋长大隧道岩爆问题预测

周龙茂， 龚育龄， 杨普济， 叶腾飞， 黎剑华

(1.东华理工大学，江西 抚州 344000;2.南昌工程学院，江西南昌 330029)

九岭山深埋长大隧道岩爆问题预测

周龙茂1， 龚育龄1， 杨普济2， 叶腾飞1， 黎剑华2

(1.东华理工大学，江西 抚州 344000;2.南昌工程学院，江西南昌 330029)

岩爆是深埋长大隧道主要的工程地质问题之一，对隧道工程的危害很大，岩爆的预测研究对于隧道的设计和施工有着重要的意义。通过对九岭山隧道初步设计及施工图设计两阶段工程地质勘察成果的研究，分析该隧道的工程地质条件、岩石力学性质及地应力测试结果，并运用现有国内外多种岩爆判别准则对其在施工期间可能发生的岩爆问题进行了预测研究。结果表明，九岭山隧道在施工期间不会出现严重的岩爆，但在埋深大于450 m的洞段可能会产生低岩爆活动。

九岭山;深埋隧道;地应力;岩爆;预测

岩爆作为深埋长大隧道的重大工程地质问题之一，多是由于围岩开挖卸荷发生脆性破坏导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放，使围岩产生爆裂松脱、剥落、弹射等破坏现象，它直接威胁人员、设备安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一(黄润秋等，1997;徐林生等，1996;徐则民等，2004)。九岭山隧道是大庆至广州高速公路在江西境内北段为穿越九岭山脉而拟建的一条双拱分离式隧道，位于江西省铜鼓县与宜丰县交界处，设计隧道轴线总体方向 N47°W，底板标高376.40 m(北)～ 284.28 m(南)，起讫里程桩号:K97+126 ～ K102+598.5，全长 5472.5 m，最大埋深887 m。隧道围岩岩石质地坚硬，结构致密，具备发生岩爆的岩性条件(李庶林等，2001)。笔者对九岭山隧道在施工时可能发生岩爆问题进行预测分析。

1 隧道区工程地质特征

1.1 岩石物理力学性质

隧道围岩主要岩性为中元古界双桥山群的下亚群(pt2sh1)弱风化及微风化砂质板岩，岩质坚硬且性脆，微风化砂质板岩室内外试验获得的物理力学参数见表1。

表1 隧道围岩物理力学指标Tab.1 Physico-mechanical characteristics of tunnel surrounding rock mass

1.2 隧道围岩分级

隧道围岩岩体较破碎——较完整，围岩级别Ⅳ～Ⅱ级，构造破碎带岩体破碎，围岩级别Ⅴ级(周龙茂等，2008)。

1.3 地应力特征

中国地震局地壳应力研究所在隧道洞身ZK1(K98+096 m，孔深为 243.50 m)和 ZK2(K100+669 m，孔深度为627.18 m)两钻孔采用水压致裂法对隧道洞身围岩最大水平主应力σH及最小水平主应力σh进行测量试验①丁立丰，侯砚和，郭启良.2006.大庆至广州高速公路江西武宁至吉安段九岭山隧道ZK1、ZK2孔水压致裂法地应力测量报告［R］.北京:中国地质局地壳应力研究所.，由σ2=rH估算垂直主应力(表2)。

2 岩爆分析与判据

2.1 岩爆发生的基本条件

根据国内外工程实践及学者研究成果表明，岩爆是岩体中应变能的突然释放过程，产生岩爆的原因众多，其影响因素有岩性、初始应力状态、埋深、地形地貌、开挖断面形式及开挖方式等，但作为岩爆形成发生的基本条件(张志强等，1998;徐成光，2005)，一是岩性，即要有能积聚应变能的岩石;二是高的地应力，即要有能量的来源;三是洞室开挖，即要有引起应变能释放的触发条件。

表2 九岭山隧道地应力实测值Tab.2 Geostress values of tests for the Jiuling shan tunnel

(1)岩性。国内外大量岩爆记录资料显示，岩爆几乎都发生在新鲜、较完整、较干燥、裂隙极少或仅有隐裂隙的围岩中，岩石强度高，单轴抗压强度Rc＞80 MPa，岩体整体上属坚硬脆性介质。九岭山隧道弱风化、微风化岩石强度高，单轴抗压强度Rc=99～127 MPa，属坚硬脆性介质，该隧道围岩具备岩爆发生的岩性特征。

(2)地应力。地应力值是表示岩体内积聚的弹性应变能的具体指标。地应力越高，岩体内积聚的弹性应变能越大，应变能随着洞室开挖而释放，当岩石峰值强度前的弹性应变能的积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩爆。90%以上的岩爆都发生在这样的高地应力洞段(谷明成等，2002)。

(3)洞室开挖。只有在具备岩性和地始应力条件的岩体中开挖洞室形成临空面，使洞壁附近岩体应力将重新分布，由原来的三向应力状态转变为二向应力状态，且局部应力产生高度集中，洞壁附近集中的最大切向应力达到岩爆发生的临界应力，岩爆才会发生。因此，工程施工是岩爆发生的触发条件。

2.2 预测岩爆主要判据

有关岩爆发生的机理国内外进行了大量探索与研究分析，主要有强度理论、刚度理论、能量理论、失稳理论等(王元汉等，1998)，判别指标十余种。目前被较多地用于工程实践中的有临界深度判据、应力判据等。

2.2.1 临界深度判据

侯发亮(1989)提出岩爆临界深度判据。该方法认为，岩爆虽然多发生在水平构造应力较大的地区，但如果硐室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体效应，硐室也可能会发生岩爆。根据弹性力学求解，推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生临界深度Hcr的计算公式:

式中μ为岩石泊松比;γ为岩石重度(kN/m3)。

2.2.2 应力判据

(1)工程岩体分级标准判别法。我国工程岩体分级标准相对完整地考虑了地应力因素对地下洞室的成洞性及影响，并评价了地下洞室开挖过程中发生岩爆的可能性(中华人民共和国国家标准，1994)，其判据式为:Rc/σθmax＜ 4，极高应力，硬质岩开挖过程中有岩爆发生;4≤Rc/σθmax≤7，高应力，硬质岩开挖过程中可能出现爆。Rc为岩石饱和单轴抗压强度;σmax为垂直洞轴线方向的最大初始应力。

(2)陶振宇判别准则。陶振宇(1987)在总结了多个工程经验的基础上，修正了挪威曾采用的巴顿法，提出了一组新的判别临界值:

Rc/σ1＞ 14.5，无岩爆发生，岩爆级别 Ⅰ;

5.5 ≤Rc/σ1＜ 14.5，低岩爆活动，有轻微声发射现象，岩爆级别Ⅱ;

2.5 ≤ Rc/σ1≤ 5.5，中等岩爆活动，有较强的爆裂声，岩爆级别Ⅲ;

Rc/σ1＜ 2.5，高岩爆活动，有很强的爆裂声，岩爆级别Ⅳ。σ1为隧道开挖后洞壁最大主应力。

(3)Turchaninov判据。前苏联Turchaninov根据科拉半岛希宾地块的矿井建设经验，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:

(σθ+ σL)/Rc≤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。

上述诸多有关岩爆发生预测判别准则，是学者从不同角度、利用不同手段及不同的理论体系对岩爆机理进行广泛研究中得出的，且在一定程度上投入了工程实际应用，并取得了一定的成效。以下主要运用应力判据对九岭山隧道岩爆问题进行预测。

3 岩爆预测

3.1 预测参数

岩爆分析判别以圆形隧道为基础，根据九岭山隧道围岩物理力学指标(表1)及不同深处实测初始地应力(表2)，由弹性力学中关于“圆孔的对应力分布的影响”求解圆形隧道围岩应力，得到九岭山隧道岩爆预测需要的围岩力学参数(表3)。

3.2 岩爆预测

利用表3岩爆预测参数，采用应力判据对九岭山隧道岩爆进行预测(表4)。由表4可知，工程岩体分级标准判别法预测该隧道在工程施工过程中无岩爆活动发生，而其余三种岩爆判别准则预测均可能发生岩爆活动。

表3 岩爆预测围岩参数Tab.3 Parameters for the rockburst prediction

表4 岩爆预测结果Tab.4Predictive result of rockburst

根据隧道施工期间收集到的岩爆发生情况表明，2007年7月11日至2007年7月13日，隧道施工至k98+506～k98+514洞段，隧道埋深500 m左右，围岩内部有噼啪的炸裂声响，表层有岩块掉落、松脱现象，属弱岩爆活动，该段洞室围岩为完整性较好、较干燥、硬脆的砂质板岩。

因此，综合对比分析隧道施工时实际岩爆情况，陶振宇判别准则预测结果较符合该隧道工程实际情况。根据陶振宇判别准则，结合实际发生岩爆活动洞段的工程地质条件，对九岭山岩爆问题进行综合预测:九岭山隧道无严重的强岩爆活动发生;隧道埋深小于450 m的洞段无岩爆活动发生，隧道埋深虽大于450 m但围岩破碎、地下水丰富的洞段亦无岩爆活动发生;隧道埋深大于450 m且洞室围岩岩体完整性较好、干燥、岩石硬脆的洞段可能会发生低岩爆活动。

4 结论

综上所述，通过对九岭山隧道岩爆问题的预测分析，可以得到以下基本结论:

(1)九岭山隧道埋深大、洞程长，地质条件复杂，经综合预测，九岭山隧道无严重的强岩爆活动发生，隧道在埋深大于450 m且洞室围岩岩体为完整性较好、干燥、岩石硬脆的洞段有产生低岩爆活动可能性。

(2)岩爆预测问题极为复杂，影响岩爆发生的因素很多，判别准则存在着片面性和局限性，预测结果可能会产生偏差，在应力判据中，根据理论预测结果与实际状况对比分析后认为，陶振宇判别准则预测结果较符合该工程实际情况，建议在隧道施工过程中的岩爆预测以其为主要判据，同时辅以其他判据综合分析，并根据实际岩爆情况修正岩爆预测结果，发现异常情况及时采取有效措施解决问题。

谷明成，何发亮，陈成宗.2002.秦岭隧道岩爆的研究［J］.岩石力学与工程学报，21(9):1324-1329.

侯发亮等.1989.圆形隧道中岩爆的判据及防治措施.岩石力学在工程中的应用［M］.北京:知识出版社，195-201.

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陶振宇.1987.高地应力区的岩爆及其判别［J］.人民长江，5:25-32.

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On forecasting the Questions of Rock-burst in the Jiuling Shan Deep and Long Highway Tunnel

ZHOU Long-mao1， GONG Yu-ling1， YANG Pu-ji2， YE Teng-fei1， Li Jian-hua2
(1.East China Institute of Technology，Fuzhou，JX 344000，China;2.Nanzhang Institute of Technology，Nanchang，JX 330029，China)

Forecasting the rock-burst of the deep and long highway tunnel is helpful for tunnel design and construction，because rock-burst is harmful to tunneling engineerings and it is the one of main engineering geological problems in the deep and long highway tunnel.Two-phase engineering geological survey results of the Jiuling shan tunnel preliminary design and construction drawing design were studied.Engineering geological condition，rock mechanical properties and stress test results had been analyzed.It forecasted the rock-burst questions which may occur during the construction by using domestic and overseas varieties of rock burst criterions.The study results show that there is not serious rock-burst，but threr will be have a low rock burst activity in the depth of greater than 450m.

Jiuling shan;deep-seated tunnel;geostress;rock-burst;forecast

U456.3+3

A

1674-3504(2010)02-169-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.02.010

2010-03-15

周龙茂(1968—)，男，高级工程师，国家注册土木工程师(岩土)。