滇中引水工程香炉山深埋长隧洞高地应力与硬岩岩爆分析研究

王家祥,周 云,李银泉,史存鹏

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

岩爆是指地下洞室围岩中应变集中释放，造成洞壁岩块(片)爆裂、弹射的现象[1]，是深埋隧洞开挖后常见的一种地质灾害，严重威胁施工人员和设备安全，影响施工进度。

滇中引水工程香炉山隧洞长62.6km，圆形断面净洞径一般8.4m，隧洞埋深大于600m洞段累计长42.2km，占比67%，埋深大于1000m洞段累计长21.4km，占比34%，最大埋深1450m，属典型深埋长隧洞，且为滇中引水工程控制性工程，隧洞拟采用钻爆法+TBM组合掘进施工。开展香炉山隧洞高应力与硬岩岩爆问题的深入勘察和分析研究，对指导隧洞工程设计和施工，规避安全风险，具有重要工程意义。

1 隧洞区地质概况

香炉山隧洞穿越滇西北金沙江与澜沧江两大流域分水岭地段的横断山脉高-中山地貌区，山顶高程一般为2500～3500m。

隧洞跨松潘-甘孜褶皱系与扬子准地台两个一级大地构造单元，区域性深大断裂发育，新构造运动活跃，区域构造稳定性总体为差，地震基本烈度均为8度。

隧洞区出露泥盆系、二叠系、三叠系、第三系及第四系地层，局部地段发育侵入岩脉。隧洞穿越变质岩(片岩类夹浅变质灰岩为主)、岩浆岩(玄武岩、安山岩为主)、沉积岩(碳酸盐岩和砂泥岩)及第四系累计长度分别为12.696km、24.208km、25.312km、0.380km，占比分别为20.28%、38.67%、40.44%、0.61%。

隧洞区褶皱、断裂构造发育，起主要控制作用的断褶构造主要为北北东-北东向、近东西向和少量近南北向三组，与洞线多呈中等-大角度相交。穿越主要褶皱和断裂各有12条，其中龙蟠-乔后断裂(F10)、丽江-剑川断裂(F11)、鹤庆-洱源断裂(F12)为全新世活动断裂。

隧洞区地表碳酸盐岩分布较广，沿线地表可溶岩分布长度29.703km，占比47.45%，隧洞穿越可溶岩累计长度17.866km，占比28.54%。碳酸盐岩区地表、地下岩溶形态齐全，主要发育有白汉场、拉什海、文笔海、鹤庆西山(包括6个子系统)、清水江—剑川等岩溶水系统。沿线地下水位埋深一般为100～400m，局部地段发育承压含水层。

隧洞大部分洞段位于微新岩带(局部地段有风化加剧)，仅尾段埋深较浅涉及强、弱(溶蚀)风化带。

隧洞区地温、有毒有害气体及放射性测试总体正常，三叠系上统松桂组(T3sn)和二叠系中统黑泥哨组(P2h)地层中所夹煤层含有瓦斯等有害气体及腐蚀性地下水。

表1 隧洞区钻孔地应力测试成果统计

2 地应力测试和分析

为研究隧洞区地应力特征，先后进行14个钻孔地应力测试，方法为水压致裂法，最大测点深度达850m，累计153个测点，测试统计成果见表1，代表性钻孔水平主应力测值随深度变化如图1所示。测试结果：隧洞沿线应力场以水平构造应力为主，测试深度范围(133.1～850m)最大水平主应力值(σH)2.7～25.9MPa，最小水平主应力值(σh)2.4～14MPa，铅直应力值(σZ)3.6～14.6MPa，最大水平主应力值侧压系数λ(σH/σZ)值0.8～1.6；最大水平主应力方向分布频度如图2所示，主要为NNE—NE向，与主要断裂走向近一致，隧洞轴向NNW—NW向，与最大水平主应力主要方向呈中等至较大角度相交。

图1 XLZK16孔测试主应力值随深度变化关系

图2 隧洞区最大水平主应力方向分布频度图

由于香炉山隧洞普遍埋深大，大部分钻孔地应力测试深度未达到隧洞高程。根据隧洞区地应力测试成果回归分析，得到隧洞区最大、最小水平主应力量值拟合式(垂直应力为自重应力)：

(1)

根据式(1)结合隧洞围岩地质条件，取岩体平均重度γ=26.5kN/m3计算，隧洞最大埋深处(1450m)围岩应力σH=46.10MPa，σh=28.43MPa，σZ=38.43MPa，应力量级为极高地应力水平；埋深1000m处围岩应力σH=31.80MPa，σh=19.60MPa，σZ=26.50MPa，应力量级为高地应力水平；埋深600m处围岩应力σH=19.10MPa，σh=11.77MPa，σZ=15.90MPa，应力量级为中等地应力水平。

隧洞区地应力场特征与分布规律同时采用ANSYS程序进行大范围数值模拟，采用FLAC3D程序进行典型洞段初始应力场反演分析，模拟计算地应力量值与最大主应力方向等结果和测试结果基本一致，显示最大水平主应力方向主要受NNE—NE向断裂控制，主要断裂对应力场的“阻断”效应表现明显。

隧洞区浅表层应力场与NW—NNW向的区域构造应力场差异较大，可能与隧洞所在马耳山东西两侧深槽地貌与隧洞区主控构造等密切相关。

地应力测试和分析结果表明，深埋隧洞区具高应力环境，存在硬岩岩爆可能性。

3 岩爆预测判别标准

国内外对岩爆的分级和判别方法多种多样，尚无统一的标准[2- 3]。

国内水利水电行业标准研究提出了“岩爆判别标准”，该标准给出的岩爆四级分类，较符合国内已发生岩爆的工程的实际[3]，采用的岩石强度应力比(Rb/σm)判据易于实际操作应用，因此，本研究采用此标准进行岩爆分析预测。

GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》岩爆判别标准[4]：

(1)岩体同时具备高地应力、岩质硬脆、完整性好—较好、无地下水的洞段，可初步判别为易产生岩爆。

(2)岩爆分级可按表2进行判别。

根据香炉山隧洞灰岩类及玄武岩等硬脆性岩石物理力学试验及隧洞地应力测试分析成果，采用围岩容重取26.5kN/m3，饱和单轴抗压强度Rb取80MPa(近均值)分析的隧洞岩爆等级与埋深关系判据见表3，结果表明：隧洞埋深310～630m时，可能发生轻微岩爆，埋深630～1250m时可能发生中等岩爆，埋深大于1250m至隧洞最大埋深范围(1450m)可能发生强烈岩爆。

4 岩爆综合预测评价

4.1 宏观地质分析

香炉山隧洞区区域构造复杂、新构造运动强烈，场址区北北东-北东向、近东西向和近南北向三组断裂与主要北北东-北东向的褶皱构造发育，隧洞围岩受构造影响完整性总体偏差(勘探钻孔揭露硬质岩地层岩芯RQD值>75%，占比一般为15%～21%)，深埋洞段普遍位于地下水位以下，围岩中地下水量较丰富，硬岩洞段地应力难以持续聚集，因而由高地应力引起的岩爆问题总体应不突出，但由于岩体完整性与地下水分布的不均一性，不排除局部干燥较完整至完整硬岩在深埋条件下发生岩爆的可能。

表2 GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》岩爆分级及判别标准

注：表中Rb为岩石饱和单轴抗压强度，MPa；σm为最大主应力。

表3 香炉山隧洞岩爆分级与埋深判别分析

4.2 结合EH4探测成果综合预判

通过工程地质测绘和适量勘探钻孔、特别是超深钻孔(最深950.43m)的揭示验证，基本查明了香炉山隧洞地层岩性与结构、主要断裂构造及水文地质条件，但深部岩体的直接勘探揭示有限，表3分析给出了判别岩爆等级及其相应隧洞埋深，但如何识别深部岩体完整性和含水状况进行岩爆可能性(有些研究叫岩爆倾向性[5])综合评判仍是一大技术难点。

香炉山隧洞勘察期间基本全线进行了EH4大地电磁测试工作，其探测深度可达千余米[6]，通过与地质剖面对照，EH4测试成果与地质条件有较好的对应性，断裂带、岩体破碎富水带低电阻率异常明显，而高电阻率区基本对应坚硬岩分布地段，也表明其岩体较完整至完整且贫水，因此，在这种深埋长隧洞勘察期间勘探揭露资料有限的情况下，依据工程地质剖面图结合EH4大地电磁测深成果进行岩爆可能性综合评价不不失为一种好的方法。

香炉山隧洞前段板、片岩等变质岩段以中硬至坚硬岩为主，夹有绢云微晶片岩等软岩，板、片理方向性强、与洞向呈大锐角至中等角度相交，综合评价岩爆可能性较小。

隧洞区弹脆性坚硬岩主要为灰岩、白云岩类碳酸盐岩和玄武岩类，从有关岩爆工程实例来看，这两类岩石也是易于发生岩爆的岩石类型。对比隧洞穿越这两类岩石洞段和EH4探测成果，对高阻区(相对概念)判定为岩爆可能性较大，低阻区判定为岩爆可能性小，而两者间的稍高阻区判定为岩爆可能性中等，岩爆等级按隧洞埋深标准表3界定，分析示例如图3所示。

按照前述岩爆综合判别标准和方法，综合预判香炉山隧洞产生岩爆可能性较大的洞段共6段(见表4)，累计长度4.494km，隧洞占比7.18%，其中强烈岩爆有1段，长0.356km，占比仅0.57%，其他5段均为中等岩爆。

另外，还判别共有9段岩爆可能性中等洞段，岩性主要为碳酸盐岩，个别段为玄武岩，累计长度7.093km，隧洞占比11.33%，岩爆等级轻微、中等、强烈程度分别占比1.96%、7.29%、2.08%。

5 结语

(1)香炉山隧洞普遍深埋，经地应力测试与分析表明，隧洞区具有高应力环境，存在硬岩岩爆问题。依据GB 50487—2008岩爆判别标准，以隧洞轴线工程地质剖面图、地应力测试及三维模拟成果为基础，结合大地电磁测深EH4探测成果，对该隧洞岩爆问题进行综合预判，结果表明：隧洞区硬岩岩爆问题总体不突出，预判产生中、强岩爆可能性较大的洞段共6段，隧洞占比7.18%，其中强烈岩爆1段(占比0.57%)，其他5段为中等岩爆。需采取针对性工程措施。

(2)香炉山隧洞预测产生岩爆可能性较大的洞段均位于汝南河以南的鹤庆、剑川盆地所夹持宽厚马耳山脉深埋洞段，因无施工支洞布置条件，布置2台敞开式TBM掘进，应根据有关工程经验采取诸如：做好超前地质预报、喷水软化、快速加固围岩、应力释放钻孔、McNally系统加强支护、钢纤维或仿钢纤维喷射混凝土、主动防护和规避[7，8]等综合应对措施进行防护，以确保TBM施工顺利和安全。

图3 香炉山隧洞结合EH4探测成果进行岩爆可能性综合判别示意图注：1.三叠系上统松桂组泥质砂岩泥(页)岩;2.三叠系上统中窝组灰岩与砂泥岩;3.三叠系中统北衙组上段灰岩、白云质灰岩等;4.二叠系中统峨眉山后组玄武岩;5.断裂及编号;6.强、弱(溶蚀)风化带及分界线;7.弱(溶蚀)风化带、微新岩体及分界线;8.地下水位线;9.钻孔及编号(虚线为投影孔)

表4 香炉山隧洞发生中强岩爆可能性较大洞段统计