深部岩体隧洞岩爆灾害影响因素分析

于洋+刁心宏+赵秀绍+朱陈

摘要：深部岩体隧洞施工过程中频发的岩爆灾害时常会造成大量的人员伤亡以及巨大的财产损失。基于某水电站4条引水隧洞开挖过程中的大量的岩爆实例，以数值运算为主要研究手段，从能量的角度出发对影响岩爆灾害发生的关键性因素进行了研究，结果表明：相同长度的隧洞开挖过程中随着单循环开挖步长的增大，微震能量释放值不断增大，岩爆的发生频次具有增加的趋势；当开挖速度控制在合理范围内时，围岩稳定性可以得到有效控制，当其突破到临界状态以上时，岩爆的发生频次具有显著增加的特征；在一定埋深范围内随着埋深的增加，岩爆发生的频率、强度具有明显增加的趋势；上述研究结果可以为高地应力条件下地下隧洞开挖过程中岩爆的预测与防治提供合理的科学依据。

关键词：水电站；引水隧道；岩爆；数值模拟；微震能量

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）03-0183-07

Abstract：Rockbursts in tunnels can be a significant hazard.Based on a large amount of micro-seismic information and hundreds of rockbursts that occurred in four deep headrace tunnels at a hydropower station in Sichuan province，China，we combined numerical calculation with micro-seismic monitoring in order to study the evolution processes of rockbursts.The achieved results are as follows：the excavation scheme，speed，and buried depth can affect the stability of the surrounding rocks in deep，hard-rock tunnels during construction.As the excavation step length，speed，and buried depth increase，the micro-seismic energy rises，and so do the frequency and intensity of rockbursts.The results can provide reasonable and scientific basis for prediction and prevention of rockbursts during underground tunnel excavation under high geostress.

Key words：hydropower station；headrace tunnel；rockburst；numerical calculation；micro-seismic energy

在高地应力条件下，开挖卸荷作用可引起硬脆性岩体内部集聚的弹性应变能突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来，从而造成岩爆现象的发生，时常会造成大量的人员伤亡以及巨大的财产损失。

数值计算分析是岩爆灾害特征研究的重要手段：齐庆新[1]采用数值计算手段对冲击地压与岩爆现象进行对比分析，指出它们的异同，在此基础上建议对“冲击地压”、“岩爆”和“矿震”这3个术语区别使用；周瑞忠[2]根据岩爆过程中的静力平衡、强度破坏和断裂破坏三者的区别与联系，通过对发生岩爆的掘进面上两种计算模型的断裂力学研究，确定出判别岩爆发生的力学机理和临界条件，从而对岩爆发生的总体规律作了定量解释；郭长宝[3]根据大瑞铁路高黎贡山深埋隧道，采用ANSYS软件模拟了在现今构造地应力场中，在褶皱和走滑断层等不同构造部位的岩体中进行隧道开挖所引起的应力重分布特征，对在复杂地质构造地区挤压和剪切构造环境下深埋隧道的岩爆特征进行了深入分析和研究，并就可能发生岩爆的部位和岩爆强度进行了预测。

Durrheim等[4]率先在南非通过微震实时监测过程中获得的微震信息，对深部矿山开采过程中岩爆的发生展开了研究；我国的多个金属矿山、煤矿开采过程中，同样对微震监测技术进行了运用了，对开采活动诱发的岩体破坏、岩爆、冲击地压等灾害的孕育及发生进行了分析与研究。研究结果均表明，岩爆发生前，微震活动性及能量释放在时间、空间上均有一个迅速增加的过程[5-12]。

目前，运用数值计算与微震监测相结合的手段对于深埋线性隧洞开挖岩爆灾害影响因素方面的研究却鲜有报道。本文以某水电站埋深隧洞的开挖过程为工程背景，基于数值计算结合现场微震监测数据及现场岩爆发生情况对开挖方案、开挖速度及埋深条件等影响隧洞开挖过程中围岩稳定性的重要因素进行了研究与分析，其结果可以为深部岩体地下隧洞工程施工过程中岩爆风险的控制提供合理的科学依据。

1 工程概述

某水电站深埋隧洞主要由图1所示的5条相互平行的隧洞组成，分别为：1号-4号引水隧洞直径为 13 m，上断面为圆形，下断面为马蹄形；施工排水洞P号直径为8 m，断面为圆形。隧洞平均长度约为17.3 km，埋深超过1 500 m的洞段占总长度的80%左右，其中最大埋深为2 525 m，隧洞围岩主要为Ⅱ、Ⅲ类大理岩，岩石坚硬完整致密，单轴抗压强度55～114 MPa，弹性模量为25～40 GPa，变形模量为8～16 GPa，围岩具有较强的自承载能力，成洞条件良好[13]。

本论文主要针对该水电站1号-4号引水隧洞施工过程开展研究，隧洞开挖方式为钻爆法，分上下两台阶进行开挖（每天爆破1～2 次，每次爆破进尺2.5～3 m）。上述隧洞施工期间发生大量不同等级的岩爆（典型岩爆案例见图2（a），图2（b），图2（c）），对施工的安全及工程进度造成了很大的影响。岩爆主要以轻微岩爆为主，岩爆发生区占隧洞总长的11.43%；中等岩爆次之，岩爆发生区占隧洞总长的4.42%；强烈岩爆相对较少，岩爆发生区分别占隧洞总长的1.46%；极强岩爆相对较少，岩爆发生区分别占隧洞总长的0.16%；纵观整个引水隧洞的开挖过程，其发生各等级岩爆的累计长度达8 km以上，其中，發生轻微-中等岩爆的区域累计长度达到6 km、强烈为2 km、极强为0.4 km。

2 深埋隧洞开挖过程中岩爆的影响因素

2.1 开挖方案及速度的影响

根据该水电站2号引水隧洞K10+230至K10+260开挖段建立数值计算模型，该开挖段垂直埋置深度为2 525 m，地处高地应力区。本次数值计算本构模型采用一种弹脆塑性本构模型——黏聚力弱化摩擦强化模型（CWFS），它在针对高地应力下硬岩脆性破坏区方面的模拟研究方面具有较好的效果[14-15]。基于1 m、3 m、6 m、10 m、15 m、30 m为开挖方案，根据该水电站大理岩力学参数（表1）以及2号引水隧洞K10+230至K10+260开挖段的初始地应力分布特征（表2），对上述所选取洞段上台阶的开挖过程运用FLAC3d数值软件进行数值计算分析。不同开挖方案下围岩的塑性区范围见图3、表3。

结合图3及表3可以看出，随着开挖步长的增加，累计塑性区体积随开挖步长的增加变化不大，主要分布在2.46×103～2.18×103 m3的范围内。图4为不同开挖方案下的能量释放情况，从图4（a），图4（b）中可以看出对于相同长度的隧道来说，累计释放能以及塑性范围的平均释放能均随着开挖步长的增大呈增加的趋势，分别由方案1的1.23×107 J（5.08×103 J/m3）不断增加为方案6的7.98×107 J（36.61×103 J/m3），能量释放是评价围岩稳定性的重要参数[16-17]，能量释放越大岩爆发生的可能性就越大[18-20]。综上所述，随着单次开挖步长的增加，围岩稳定性总体上呈逐渐降低的趋势。

运用南非ISS微震监测系统，对水电站1号-4号引水隧洞的整个开挖过程进行了连续性实时监测，监测系统的构成及监测过程详见文献[7]所述。图5为上述4条隧洞施工过程中的三个典型开挖段（开挖速度分别为4 m/d、10 m/d、16 m/d）施工过程中围岩岩体的微震活动性（图5中每一的圆球代表一个微破裂事件，其颜色表示破裂发生时所释放能量的log值）。结合图5（a），图5（b），图5（c）可以看出，随着开挖速度的加快微震活动性及微震辐射能均具有明显增加的趋势。

基于上述特点，本研究对该水电站深埋隧洞工程施工过程中，不同开挖速度条件下的微震活动性及岩爆发生频次进行了全面的统计分析，其结果见图6。从图6中可以看出，高地应力情况下的深埋隧洞开挖过程中微震活动性随着开挖速度的加快具有呈指数函数增加的趋势；与之相对应，其岩爆发生频次在开挖速度在10 m/d以内时（统计值分别为4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d）时变化不大，而当开挖速度大于10 m/d时（统计值分别为12 m/d、14 m/d、16 m/d）岩爆发生频次迅速增加。综上所述，针对深埋隧道岩体工程，应该在采用“短进尺，多循环”开挖方式的基础上，合理的控制其开挖速度，岩爆发生频率、强度均会有一定程度的降低。对于该水站深埋隧洞工程来说，每日最佳进尺为10 m。

2.2 埋深的影响

受到围岩应力的影响，隧洞在不同埋深条件下的开挖过程中，破坏发生的程度以及能量释放均有所不同，基于该水电站1号至4号引水隧洞500～2 525 m埋深条件下的初始地应力情况（考虑构造应力，见表4）。以5 m为开挖步长对长度为30 m的隧洞开挖过程进行计算分析，对比分析不同开挖深度情况下围岩累计塑性区体积的计算结果见表5。

从表5可以看出：当隧道埋深在小于等于1 500 m的范围内，累计塑性区体积具有随埋深的增大而显著增加的趋势（从500埋深条件下的8.03×102 m3增加到1 500埋深条件下的24.49×102 m3），分析其原因在于随着隧洞埋深的增大，隧洞开挖过程中的围岩应力不断增加，形成应力集中现象就越明显，促使隧洞开挖过程中的围岩岩体进入塑性状态的能力也就越强；当隧道埋深在大于1 500 m时，累计塑性区体积变化不明显（主要在2.49×103～2.594×103 m3范围内上下浮动），分析其原因在于当隧洞埋深达到一定条件时，由于围岩压力拱的形成，即使其埋深进一步增加，围岩应力集中现象没有进一步发展，因此围岩岩体塑性范围体积变化差异性也相对不明显。

与之相对应，能量释放值同样随着隧洞埋深的增加表现出相似的特征（图7）。隧洞开挖过程中的累计释放能及塑性范围的平均释放能分别由500 m埋深情况下的3.75×106 J（4.67×103 J/m3）增加到1 500 m埋深情况下的24.49×106 J（12.79×103 J/m3）；当隧道埋深大于1 500 m时，累计释放能及塑性范围的平均释放变化相对稳定，增加趋势不明显。

综上所述，并结合前文中所述应力集中现象的影响，隧洞埋深与岩爆的发生情况应具有下列关系：当隧洞在1 500 m埋深范围内时，随着隧洞埋深的增加岩爆发生情况应具有明显增加的趋势；当隧洞埋深增加到一定限值以上时，其埋深对岩爆的影响相对减弱。本次研究记录了该水电站1号-4号引水隧洞各等级岩爆共300余次，对不同埋深条件下的微震仪器所监测到的微破裂活动性（图8）以及现场岩爆的发生情况（图9）进行综合分析，其结果对上述观点进行了证实：（1）500～2 000 m埋深范围内的微震活动性（每米范围内的2.7个上升到11.2个）及岩爆发生的频率、强度均随着埋深的增加表现出明显增强的趋势。（2）埋深为2 000～2 525 m时，微震活动性（保持在每米范围内11.5个左右）及岩爆发生的频率、强度随着埋深的增加增加趋势不明显，表现出相对平稳的变化特征。数值计算所界定埋深影响阈值为1 500 m，与微震监测及现场岩爆观测结果的2 000 m有所差异，分析其原因是由于数值计算无法模拟施工环境的复杂性以及其他因素（施工方案、结构面发育、地下水等）的影响所导致的。

开挖方案选择、开挖速度的确定及埋深条件是影响深部岩体隧道围岩稳定性的重要因素，在深埋隧洞开挖过程中，随着开挖步长的增加、开挖速度的加快及隧洞埋深的增加岩爆灾害的发生频率具有不断增加的趋势。在具体施工过程中，要根据不同埋深情况下隧洞开挖段的应力情况选择与其相適的开挖方案、速度才能在保证施工过程安全开展的前提下，使得隧道工程可以快速、高效的顺利展开。

3 结论

本文基于数值计算及微震监测的方法，对某水电站深埋线性隧洞开挖过程中岩爆的发生进行了分析与研究，获得下列研究成果。

（1）开挖方案、开挖速度、埋深情况是影响围岩稳定性的重要因素；相同长度的隧洞开挖过程中随着单循环开挖步长的增加，能量释放值不断增大，岩爆的发生频次具有增加的趋势。

（2）当开挖速度控制在10 m/d的范围内时，围岩稳定性可以得到有效控制；随着开挖速度的增加，当其突破到此临界状态以上时，岩爆的发生频次具有显著增加的特征。

（3）当隧洞在小于1 500 m的埋深范围内时，随着埋深的增加，单位长度隧洞开挖的累计塑性区体积、能量释放值以及微震活动性均不断增大，同时岩爆发生的频率、强度同样具有明显增加的趋势；当隧洞埋深增加到2 000 m以上时，其埋深对岩爆的影响相对减弱。

致謝

本文中所涉及的微震监测数据均来源于中科院武汉岩土所锦屏二级水电站微震监测项目部。在此衷心感谢中科院武汉岩土所冯夏庭研究员、陈炳瑞研究员、李邵军研究员、肖亚勋博士和丰光亮博士在研究过程中的辛苦努力和有意义的建议！

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