深埋长大公路隧洞岩爆预测及防治措施

袁 海 波

(中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117)

深埋长大公路隧洞岩爆预测及防治措施

袁 海 波

(中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117)

基于陶振宇判据，从地应力大小和围岩条件两方面考虑，对昌宁高速雩山隧道开展了岩爆预测和防治，判定结果表明雩山隧道以无岩爆为主，局部洞段可能发生轻微岩爆。

隧道，岩爆，数值模拟，防治

0 引言

岩爆是深埋地下工程常见的地质灾害之一，其主要是由于完整的脆性围岩在高地应力条件下，在隧道的开挖扰动下，发生的一种动力失稳破坏。岩爆的发生具有突发性和不确定性，常常给地下施工带来巨大的危害。由于岩爆发生机理复杂，影响因素众多，大量的学者对其从各个方面进行了研究，虽然得出了一些有益的结果，但还没有统一的共识，目前岩爆预测和防治仍是一个世界性的难题。

雩山隧道是昌宁高速中最长的隧道，隧道长度大于5 000 m，而且埋深大，最大埋深超过600 m，围岩岩性主要以砂岩为主，岩石强度高，脆性大，具有较高的发生岩爆的可能性。另外考虑到工期的因素，需提前对隧道可能出现的地质灾害进行预测，做到未雨绸缪。因而对雩山隧道进行了岩爆预测，并对可能出现的岩爆提出合理可靠的岩爆防治措施具有重要的意义。

1 工程概况

文中研究的雩山隧道位于江西省境内，为昌宁高速公路的控制性工程。隧道区域处于中、低山丘陵地貌，地表植被发育，表层岩石分化严重。洞身最高点高程约1 160 m，地形起伏大，山势较陡峻。隧道进出洞口地形较陡，植被发育，出洞口风化层厚。雩山隧道位于扬子准地台之江南台隆的丰城—乐平凹断束及华南褶皱系之赣中南褶隆的武功山—玉华山隆断束、大湖山—芙蓉山垄断束、宁都—南昌拗断束构造区。

现场采用刚性试验机对雩山隧道砂岩岩样进行单轴力学试验，得到岩样全过程的应力—应变曲线，如图1所示。由图1可知，该洞段岩石的单轴抗压强度较高，可达到140 MPa以上。并且从破坏的全过程曲线来看，峰值达到一定强度以后，岩石呈突然破坏，未有较明显的屈服过程，可见岩石的脆性较大，具有较大的发生岩爆的可能性。

根据江西昌宁高速雩山隧道的地勘报告及隧道施工后的实际现场地质调查情况，将雩山隧道分为5个研究地质段，具体桩号范围为：YK190+508～YK191+048，YK191+048～YK191+662，YK191+662～YK192+108，YK192+108～YK192+378，YK192+378～YK192+750。

2 硐室应力场分布计算和岩爆预测

2.1 隧道开挖后周边应力场分布情况

隧道开挖后二次应力场的计算采用大型通用有限元软件Ansys进行计算，有限元计算模型采用5倍的影响范围进行计算。模型采用平面应变问题进行分析，计算模型采用二维分析。在模型的底边界采用固定约束，左、右边界根据构造应力场的大小施加线性变化的荷载，顶边界根据埋深施加竖向的荷载。其中右线K191+360洞段开挖后隧洞周边二次应力场分布情况如图2所示。

由隧道开挖后的最大主应力云图可得，隧道开挖后隧道周边的应力发生应力集中和应力分异，但隧道周边的应力主要以压应力为主。其中拱顶部位的应力最大，也是最有可能发生岩爆的部位。图2为典型洞段的计算结果，其他洞段的计算结果可能存在差异，但应力的变化趋势还是基本一致的。

2.2 雩山隧道岩爆预测及防治措施

现有岩爆研究结果表明，影响岩爆发生强度的主要因素为围岩的强度条件和地应力的大小。依据这两个主要因素，学者们提出了很多岩爆预测判据，其中主要以陶振宇判据最具代表性。陶振宇判据如表1所示。其中，σc为岩石单轴抗压强度；σ1为最大主应力。

将隧道的围岩强度分析结果和围岩应力的计算结果应用于陶振宇判据，可以得出雩山隧道的岩爆强度，如表2所示。由表2的判断结果可知雩山隧道的岩爆等级主要以轻微岩爆为主，局部为中等岩爆。

表1 陶振宇判据

表2 雩山隧道各段岩爆预测结果

对于中等岩爆的防治措施可以采用先对掌子面进行高压喷水，软化围岩，并加强光面爆破，或采用预裂爆破来降低爆破对围岩的扰动。支护方式可采用挂网喷锚支护法。锚杆采用φ25，@1.2 m×1.2 m，L=4.0 m～4.5 m，梅花形布置方案，加垫板。洞壁喷15 cm厚C20混凝土或钢纤维混凝土；挂网：φ6.5 mm，@15 cm×15 cm。打胀壳式锚杆。对于轻微岩爆区域，可采用放炮开挖后进行高压喷水，软化围岩的方法。

3 结论和建议

根据陶振宇岩爆预测判据综合，雩山隧洞岩爆预测分析结果为：YK190+508～YK191+048，YK191+662～YK192+108，YK192+378～YK192+750不会发生岩爆，YK191+048～YK191+662，YK192+108～YK192+378可能发生轻微岩爆。

考虑到影响岩爆发生的因素众多，在现场的岩爆预测中，应结合隧道开挖后的实际地质情况，进行岩爆的现场识别。如围岩情况干燥完整，则参考文中岩爆预测的结果，如围岩条件较差且裂隙水发育，则实际岩爆强度应降级处理。

[1] 吕 庆，孙红月，尚岳全，等.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.

[2] 李 刚.隧道工程岩爆预测及防治方法研究[J].山西建筑，2008，34(27)：316-317.

[3] 朱江棚.长大引水隧洞岩爆机理分析及防治研究[D].南京：河海大学,2007.

[4] 梁志勇.锦屏二级水电站引水隧洞岩爆预测及防治对策研究[D].成都：成都理工大学,2004.

[5] 吴世勇,王 坚,王 鸽.锦屏水电站辅助洞工程地下水及治理对策[J].岩石力学与工程学报,2007(10)：36.

[6] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2813.

[7] 姜繁智，向晓东，朱东升.国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势[J].工业安全与环保，2003，29(8)：19-22.

Rock burst prediction and preventive measures of deep-embedded long highway tunnel

Yuan Haibo

(ChinaRailway5thBureauGroup1stEngineeringCo.,Ltd,Changsha410117,China)

Based on Taozhenyu criteria, considering from two aspects of stress and surrounding conditions, the paper launches rock burst prediction and prevention of Yushan tunnel of Chang-Ning highway. The identification results show that: Yushan tunnel takes no rock burst as the orientation; local karst may lead to light rock burst.

tunnel, rock burst, numerical simulation, prevention

2015-01-05

袁海波(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0183-02

U455.6

A