黑石岭公路隧道岩爆预测研究

卢宏建，马玉涛，李占金，孙光华

(1.河北联合大学资源与环境学院，河北 唐山 063009; 2.北京矿冶研究总院，北京 100070)

岩爆问题是目前世界性的地下工程难题之一，随着我国隧道建设逐渐向着“长、大、深、群”方向发展，隧道快速施工及由于围岩破坏所致灾害的预测与治理，成为面临的最主要任务。但由于隧道工程的复杂性和不可预见性，现有的隧道围岩破坏机理相关研究尚不成熟，大多仅仅停留在对应力状态和破坏判据的研究上，缺乏对深埋隧道围岩破坏过程的相关研究。因此，加强对岩爆的发生机理、预测及防治的研究，不仅对地质灾害学术发展起到推动作用，而且具有较高的社会经济效益[1-3]。

黑石岭隧道地处张家口蔚县、保定涞源县的交界处，隧道分左、右线，左线长3720m，右线长3870m，是河北省在建张石高速公路第二长隧道，也是张石高速二期工程的控制性工程。由于隧道长度大，大部分洞段埋深较大，地应力场环境和岩体结构条件复杂，隧道开挖引起局部应力集中，可能产生岩爆灾害性问题。因此，开展黑石岭隧道岩爆预测研究，对隧道安全施工有着重要的指导意义。

1 岩爆预测理论依据

近几十年来，国内外学者在各个方面对岩爆形成的机理进行了研究分析，并提出了很多岩爆的判据[4-5]，如强度理论、刚度理论、能量理论、断裂损伤力学理论、突变理论、失稳理论、扩容理论等。常用的理论及判据有：强度理论观点及判据、能量理论及判据、岩性判据、临界深度判据。本文以陶振宇判据为理论依据，采用GTS有限元软件模拟洞周围岩二次应力分布情况，对黑石岭隧道岩爆进行预测研究。

陶振宇判据是以岩石单轴抗压强度(Rc)与岩石最大主应力(σ1)比值为准则的，当Rc/σ1>14.5时，为无岩爆发生；Rc/σ1=14.5～5.5时，为低岩爆活动；Rc/σ1=5.5～2.5时，为中等岩爆活动；Rc/σ1<2.5时，为高岩爆活动。

2 岩爆预测方案

本次计算选取黑石岭隧道可能出现岩爆的III级围岩段开挖地段典型断面进行了数值模拟计算。为使本次计算具有很好的针对性，在计算中，除模拟现场的实际施工步骤(全断面开挖)外，同时考虑开挖后洞周应力逐渐调整这一实际情况。计算中，采用了不同的释放系数来加以模拟，并据此来分析在应力释放的不同阶段，岩爆发生的可能性及范围的变化。

模拟选自左线LK73+430～LK76+430，右线RK73+425～RK76+530 III级围岩段的12个典型断面，如图1、图2、表1所示。

图1 黑石岭左线岩爆模拟预测区域图

图2 黑石岭右线岩爆模拟预测区域图

表1 黑石岭隧道岩爆预测模拟典型断面

序号模拟断面里程1L1LK73+6802L2LK73+9803L3LK74+3504L4LK75+0605L5LK75+8256L6LK76+2707R1RK73+7408R2RK74+0009R3RK74+35010R4RK75+15011R5RK75+60012R6RK76+150

采用大型有限元模拟软件GTS对选取断面进行了模拟，隧道建筑限界采用单洞净宽13.25m，建筑限界高度5.0m。现将模型数值解析区域设为：左、右各取隧道直径的4.5倍(即60m)，在竖向向下取隧道高度的4.5倍(即60m)，向上取至地表面，隧道纵向取长度60m进行模拟，其余边界条件按实际进行计算。建立模型如图3所示。

图3 黑石岭隧道岩爆预测断面模型图

3 计算结果与分析

通过对12个选取断面的计算分析，计算结果最终整理见图4(本文只选列出埋深最大处LK73+980断面随应力逐渐释放后的最大主应力的变化云图)所示。从图4可知，隧道开挖后，洞周均处于受压状态，只是在数量上有所不同。此次岩爆预测选择了具有代表性的Rc/σ1为判据，并分别对各应力释放阶段隧道各洞段可能发生的岩爆依次分析。然后，在以上判据判断的基础上，综合评价了各个洞段岩爆发生的可能性和发生的强度。

由于分析计算区域的岩体主要为白云岩，依据地勘及实测资料，分析中取岩石饱和单轴抗压强度风为88MPa。

图4 岩爆预测测点布置与主应力云图

提取监测点应力值，根据陶振宇判据得出L2断面不同测点岩爆预测结果，如表2所示。

表2 L2断面不同测点岩爆预测结果表

对不同断面模拟后，提取监测数据后得出预测结果，如表3所示。

表3 各断面测点岩爆预测结果表

4 结论

本文以黑石岭隧道工程为研究背景，基于陶振宇判据岩爆预测理论，采用有限元软件模拟，最终得出以下结论：

(1)随着应力释放系数的逐渐增大，岩爆发生的区域及等级也逐渐加大。建议在施工过程中，开挖后应采用及时的支护措施，如挂网、喷混凝土等，在预测的岩爆发生段钻应力释放孔等。

(2) 岩爆发生部位多位于边墙，但拱顶部位由于开挖时易引起岩石松动及受到边墙岩爆产生的影响，也易产生掉块等类似岩爆的现象。建议在施工中，应对边墙及拱顶应加以重点监控。

(3) 在LK73+640～ LK74+400和RK73+700～ RK74+450变化显著，且可能完成从非岩爆区向岩爆区，或者从低岩爆区向中等岩爆区的跨越。同时，本次分析中，未将断层带及其影响范围内的卸荷区单独区分，主要是由于在断层带附近的完整岩性，可能因断层卸荷后应力转移而造成局部的应力集中，增大了岩爆发生的概率。

[1] 刘卫东,李角群,李磊. 岩爆研究现状综述[J]. 黄金,2009,31(1):26-28.

[2] 雷华明.山岭隧道岩爆起因及防治初探[J].公路隧道,2009,68(4):9-12.

[3] 郭然,于润沧. 有岩爆危险巷道的支护设计[J]. 中国矿业,2002,11(3):23-26.

[4] 吕庆,孙红月,尚岳全. 深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2982-2988.

[5] 汪波,何川,吴德兴. 深埋特长隧道岩爆预测研究[J].铁道工程学报,2009,134(11):45-49.