山西省中部引黄输水工程岩爆问题评价

赵 宇

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

工程区位于山西省西部，西邻黄河，东靠吕梁，北起忻州市保德县，纵贯吕梁市，南至临汾市隰县、汾西县。中部引黄输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线。本工程存在岩爆、岩溶、放射性等问题，现主要评价一下岩爆对该项目的影响。

1 岩爆现象及分级判别标准

岩爆是岩体中聚积的弹性变形能在地下工程开挖期间忽然猛烈地释放，使岩石爆裂并弹射出岩块的现象。岩爆是岩体在高地应力下的一种破坏形式，是由于洞室的开挖，改变了岩体的初始应力状态，使围岩应力重新分配的结果。从很多实际工程中观测得知，高地应力不是岩爆发生的唯一条件，尚与围岩储存弹性应变能的能力以及围岩变形速度等因素有关。岩爆具有以下特征：（1）围岩应力与单轴抗压强度相比，在较低比值的情况下即可出现岩爆；(2)岩爆发生在新鲜、完整及较硬的岩石中；（3）岩爆一般发生在洞室开挖后数小时或数天内，也有持续一至几个月以后逐渐减弱或停止的。一般而言，比较激烈的岩爆多发生在开挖后数小时内。

依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录Q岩爆判别，对沿线隧洞可能发生的岩爆问题进行分析及判别。岩爆分级及判别标准见表1。

表1 岩爆分级及判别标准表

2 可能发生岩爆的深度判别

据钻孔地应力测试孔的位置，进行岩爆分析时，总干1号、2号、3号隧洞（大武以北）可暂用郝家沟钻孔的地应力资料；总干4号隧洞、东干、西干及支线隧洞暂用南大井钻孔地应力测试结果。

2.1 大武以北

由岩爆特点可知，可能发生岩爆的岩石为硬质岩，硬质岩为单轴饱和抗压强度大于30 MPa的岩石。大武以北涉及1号、2号、3号隧洞，隧洞沿线涉及的硬质岩类主要有：奥陶系（O）灰岩、白云岩；寒武系（C）白云岩、灰岩、竹叶状灰岩；震旦亚界长城系汉高山群（Zchn）、下元古界黑茶山群（Pth）、太古界界河口群（Ar2a）变质不等粒石英砂岩、砾岩、变质石英砂岩、条带状斜长角闪岩、不等粒黑云微斜长石片麻岩等。

经试验统计，奥陶系硬质岩饱和单轴抗压强度平均值为56.7MPa；；震旦亚界、下元古界、太古界硬质岩饱和单轴抗压强度平均值为50.4MPa。寒武系无硬质岩饱和单轴抗压强度试验资料，采用大武以南的平均值为58.4MPa。

各岩性岩爆分级见表2，奥陶系地层硬质岩段隧洞埋深小于135m时，岩体不会产生岩爆；隧洞埋深在135～360 m时，岩体可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）；隧洞埋深在360～640 m时，岩体可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。寒武系地层硬质岩段隧洞埋深小于135m时，岩体不会产生岩爆；隧洞埋深在135～380 m时，岩体可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）；隧洞埋深在380～640 m时，岩体可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。变质岩硬质岩段隧洞埋深小于135m时，岩体不会产生岩爆；隧洞埋深在135～300 m时，岩体可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）；隧洞埋深在300～640 m时，岩体可能发生中等岩爆（Ⅱ级）。

总体看，单从岩石强度应力比考虑，大武以北段隧洞埋深在300～380 m以下时，岩体可能发生中等岩爆（Ⅱ级）。

根据上述结果可知，从岩石强度应力比考虑，1号隧洞、2号隧洞一般不会产生岩爆，局部地段可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）。3号隧洞局部可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。

表2 不同岩性岩爆分级统计表

2.2 大武以南、以东

大武以南、以东涉及4号隧洞、东干、西干及支线隧洞，隧洞沿线涉及的硬质岩类主要有：奥陶系（O）灰岩、白云岩；寒武系（C）白云岩、灰岩、竹叶状灰岩；太古界吕梁山群（Ar3）黑云斜长片麻岩、变斜长角闪岩、混合片麻岩、斜长角闪岩；长城系(Zchh)石英砂岩、砾岩。经试验统计，奥陶系硬质岩饱和单轴抗压强度平均值为52.3MPa；寒武系硬质岩饱和单轴抗压强度平均值为58.4MPa；震旦亚界、下元古界、太古界硬质岩饱和单轴抗压强度平均值为56.3MPa。各岩性岩爆分级见表3，奥陶系地层硬质岩段隧洞埋深小于180 m时，岩体不会产生岩爆；隧洞埋深在180～420 m时，岩体可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）；隧洞埋深在420～700 m时，岩体可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。寒武系地层硬质岩及变质岩段隧洞埋深小于220 m时，不会产生岩爆；隧洞埋深在220～504m时，岩体可能发生轻微岩爆（Ⅰ级）；隧洞埋深在504～700 m时，岩体可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。

根据上述结果可知，4号隧洞局部地段可能发生中等岩爆(Ⅱ级)，其余地段岩体可能不产生岩爆或仅发生轻微岩爆（Ⅰ级）。东干、西干局部地段可能发生中等岩爆(Ⅱ级)，其余地段岩体可能不产生岩爆或仅发生轻微岩爆（Ⅰ级）。

表3 不同岩性岩爆分级统计表

3 考虑地下水情况判别

因地下水可弱化岩体的弹脆性，故岩爆一般产生于无地下水的地区，故隧洞穿越地下水以下段时，一般不发生岩爆，但需考虑以下情况，一是该段的地下水位虽位于洞顶以上，但二者间有较可靠隔水层相隔，隧洞开挖不涉及地下水的情况（如：石炭系地层的泥页岩、奥陶系地层的泥灰岩）；二是过变质岩段，由于变质岩透水性一般微弱，洞顶以上变质岩较厚时（＞100m考虑），也可能出现隧洞开挖无水。

结合隧洞埋深及地下水情况，局部地段岩体可能发生中等岩爆(Ⅱ级)。

4 考虑岩体完整性进行判别

岩体的结构类型是影响岩爆发生与否的重要条件之一，岩体结构为整体结构、块状构造等完整性比较好的岩体，岩体干燥，围岩稳定，强度高，裂隙不发育等，这些条件有利于弹性应变能的储藏。相反，岩体破碎，储藏在这些介质中的弹性应变能沿着裂隙面等结构面早就释放了，这类围岩一般不发生岩爆。根据沿线钻孔RQD值判断沿线围岩岩体完整性情况，大武以北，隧洞围岩岩体分类属极差～差，大武以南、以东围岩岩体分类属较差～较好，局部围岩岩体分类属好。但由于线路上勘探点有限，仅用钻孔RQD值判断可能产生一定偏差。

5 结论

经综合分析，工程沿线隧洞最大可能产生的岩爆级别为中等岩爆(Ⅱ级)，可能发生中等岩爆的地段为东干及西干内埋深大且不受地下水影响的洞段，总干3号洞内埋深大且不受地下水影响的洞段也不能完全排除发生中等岩爆的可能。