引汉济渭秦岭隧洞5 号洞主洞段岩爆时空分布特征研究

胡恒千

(中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400700)

1 引言

岩爆是一种岩体从母岩脱离，并伴随能量释放的物理现象，是一种对人员和设备存在安全隐患的地质灾害[1-2]。 国内外对其发生机理、发生条件和预判等多个方面进行了大量的研究。 万姜林等[3]在太平驿电站引水隧洞施工现场进行了调查研究，记录分析了433 次岩爆，研究发现了岩爆的独特形成机理；刘立鹏等[4]依托锦屏二级水电站隧洞施工中发生的岩爆事件，利用FLAC3D 软件模拟分析，从应力释放率对岩爆发生机理和特征进行了解释；张津生等[5]以天生桥二级水电站引水隧洞为例，分析了岩爆的特征；吴文平等[6]在划分深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式的过程中将岩爆分为应变型岩爆和结构面型岩爆两种；冯夏庭[7]、陈炳瑞[8]等人根据锦屏二级水电站引水隧洞现场岩爆的时空显现特征，将岩爆分为即时型岩爆和时滞型岩爆两类。虽然国内外许多学者对岩爆问题各方面研究做出了很多努力，但随着地下工程埋深越来越大和岩爆形成过程及影响因素的复杂性，目前对于岩爆机制和预测等研究还不十分成熟，所以对工程现场的岩爆数据分析就显得尤为重要，虽然周德培[9]、徐林生[10]等人在太平驿隧洞、二郎山公路隧道等多项工程中对现场岩爆进行过统计分析，并研究其发生规律，为岩爆研究提供了重要依据，但是引汉济渭秦岭输水隧洞比国内外深埋长隧洞更深更长，所处的地质条件也更加复杂。 因此，有必要展开岩爆相关影响因素的研究，并为进一步的岩爆预警提供理论基础。

本文以引汉济渭工程秦岭输水隧洞5 号洞TBM 施工段为工程背景，通过对2018 年下半年内现场岩爆统计资料的整理，并结合微震监测分析了岩爆的时空分布特征。

2 工程背景

2.1 工程概况

引汉济渭秦岭隧洞岭北TBM 施工段位于陕西省周至县，标段全长16 690 m(桩号K46 ＋360 ～K63 ＋050)，隧洞平均坡降1/2 500[11]，高程范围1 070 ～1 850 m，洞室最大埋深约1 570 m。 原生层理、浅层风化节理、裂隙较发育，次生构造节理裂隙总体不发育，节理、裂隙的充填性较好，洞身段位于弱风化-微风化岩体中，岩体破碎-较完整[12]。 图1 为引汉济渭秦岭隧洞岭北TBM 施工段5 号洞段地质纵断面图。

图1 5 号洞段地质纵断面图

2.2 岩爆基础统计

2018 年7 月1 日至2018 年12 月24 日，岭北5 号洞主洞段有记录的岩爆统计为82 次，其中强烈岩爆3次，占比3.7%，其余均为中等岩爆和轻微岩爆，占比96.3%，无极强岩爆发生。 在地应力和TBM 掘进扰动共同作用下引起该段岩爆事件发生，在隧洞埋深相对较浅情况下，岩爆受构造应力影响为主，在隧洞埋深相对较深的情况下，岩爆受TBM 掘进速度、岩体自重应力和构造应力三个因素共同影响。

3 岩爆空间分布特征

3.1 岩爆轴向分布特征

所研究洞段里程为K47 ＋150 ～K46 ＋360，共790 m，沿里程方向研究岩爆的轴向分布特征。 岩爆轴向分布特征如图2 所示，此图为每段里程内岩爆发生次数、破坏长度、微震事件数量及能量和岩爆发生时隧洞垂直埋深的最大值之间的关系图。

受工程地质影响，随着里程数的减少，隧洞垂直埋深逐渐增加。 从图2 中可以看出，岩爆的发生数量和破坏长度也随里程数的减少呈现出总体增加的态势，但在K46 ＋750 ～K46 ＋365 之间却出现高位振荡现象，且岩爆数量峰值出现在K46 ＋650 ～K46 ＋550 洞段，破坏长度峰值出现在K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段；微震事件数和微震能量曲线也有沿轴线方向逐渐增加的趋势，并在K46 ＋550 ～K46 ＋365 洞段出现急剧上升现象。 发生图2 这种现象的主要原因为：随着里程数的减小，隧洞埋深逐渐增加，垂直应力逐渐增大。 岩爆发生的概率逐渐增加，表明了轴向岩爆的空间分布受垂直应力作用影响较大。 岩爆发生数量和破坏长度峰值分布于不同里程段的主要原因在于K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段发生了两次强烈岩爆，相比于中等及其以下岩爆，强烈岩爆的破坏强度更大，而微震事件及其能量的突增现象表明岩体破裂比较剧烈，扰动程度更强，进一步解释说明了强烈岩爆和中等岩爆的区别，所以岩爆数量的震荡起伏和岩爆数量及破坏长度峰值出现在不同洞段说明了岩爆在不同洞段会发生不同类型的岩爆，其破坏程度受岩爆数量和等级影响，同时也说明微震事件可以很好地解释现场岩爆发生过程和破坏强度。虽然K46 ＋750 ～K46 ＋365 岩爆发生数量最多，为岩爆高风险区，但是K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段破坏力度较大，为事故高风险区。

综上所述，秦岭隧洞5 号洞主洞段的岩爆轴向空间分布特征受垂直应力影响作用较大，总体随着里程数的减小呈上升趋势，在K46 ＋750 ～K46 ＋365洞段呈现高位震荡。 同时研究表明里程K46 ＋750～K46 ＋365 洞段为岩爆高发洞段，发生岩爆数占总岩爆数量的77%。 里程K46 ＋450 ～K46 ＋365 洞段出现两次强烈岩爆，对岩体造成的破坏较大，为事故高风险洞段。 此外微震监测可以很好地解释现场岩爆发生过程和破坏强度。

3.2 岩爆横断面分布特征

横断面岩爆分布特征的研究有利于隧洞的针对性侧面支护，根据现有岩爆位置描述和记录数据(见表1)，绘制不同位置岩爆数量占比图，如图3 所示。根据表1 和图3 可以看出岩爆主要发生在右侧拱肩(面向掌子面方向)位置，占比55%，超过总量的一半以上，且强烈岩爆均发生在右侧拱肩位置。 拱顶和左侧拱肩位置发生岩爆数量不及右侧拱肩一半，其原因为：研究洞段裂隙较发育，受构造作用影响严重，使主应力作用于右侧拱肩位置，在相同断面，岩体的岩性相似，承载能力也相差不多，但由于右侧拱肩承受应力较大，导致右拱肩发生岩爆次数最多，破坏最严重，且三次强岩爆均发生在右拱肩位置。

表1 现有岩爆描述和记录数据统计

图3 横断面岩爆位置分布

综合分析表明：秦岭隧洞5 号洞主洞段的横断面岩爆产生受地应力影响作用较大，岩爆发生位置主要集中在右侧拱肩，且强烈岩爆均位于右拱肩发生，所以断面分布中右侧拱肩岩体稳定性相对较低，在支护过程中应加强拱顶及右侧支护，增强岩体稳定性。

4 岩爆与掌子面时空关系研究

根据第2 章的分析和岩爆记录数据，选取里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 为研究洞段，9 月1 日至12月24 日为研究时间段。 该时间段共发生岩爆69次。 此处岩爆发生位置选取破坏长度距离掌子面最近的一端为参照点，并以1 m 为一分段，围岩揭露时间以掌子面推进过程中时间段为参照点，以间隔天数为单位。 其具体统计结果如表2 所示。

根据表2 统计数据显示，岩爆发生位置主要是在掌子面位置，发生频次34 次，占比49%，接近半数。 岩爆发生时间主要在掌子面开挖扰动后一天之内，发生频次46 次，占比67%。 图4 为岩爆发生位置与时间和掌子面之间的关系图。

图4 岩爆发生位置与时间和掌子面之间的关系

如图4 所示，岩爆发生位置距离掌子面的长度和围岩开挖扰动后发生岩爆的时间间隔变化趋势较为相似，为总体先减小后增大再减小，不同之处为岩爆与掌子面位置关系曲线的结尾处有一个向上翘起的“小尾巴”。 图4a 表明岩爆的发生位置主要集中在掌子面后方4 m 范围之内，而随着距离的增加，岩爆发生的机率逐渐减小，“小尾巴”翘起表明距离掌子面较远地方虽然发生岩爆的可能性较小，但也存在发生岩爆的可能性。 图4b 的变化趋势表明研究洞段的岩爆发生时间大多数集中在掌子面开挖后24 h 之内，而随着岩体揭露时间的增加，发生岩爆的可能性逐渐减小，对于研究洞段，间隔5 d以后没有岩爆发生，说明该洞段应力调整时间一般为5 d，但因为隧洞施工条件的复杂性，并不能否定5 d 以后没有发生岩爆的可能。 根据两图的拟合曲线可知，随着与掌子面之间的距离增加和岩体暴露时间的增长，岩爆发生的机率都呈逐渐减小的趋势。 分析图4 现象的主要原因在于：岩体开挖过程中，掌子面附近的岩体应力调整比较剧烈，在快速调整的应力场中岩体来不及转移或吸收应力，在应力超过自身极限承载能力后发生破坏，因此掌子面附近岩体是隧道开挖过程中最容易和最快发生岩爆的高风险区。 掌子面附近的岩爆释放了大量的弹性应变能后，应力向四周调整的力度有所减小，因而随着与掌子面距离的增加，发生岩爆的可能性逐渐减小，但因为岩体自身内部组成的复杂性，应力集中并不会随着与掌子面距离的增加而均匀地调整，所以在距离掌子面2 m 的位置出现了折线“尖角”。 同样的道理也说明了岩体刚开挖时，短时间内应力经过剧烈调整，导致岩体开挖24 h 内是岩爆的高发生时间段。 而随着时间的推移，应力调整的剧烈程度越来越弱，5 d 之内基本完成二次应力平衡，随着岩体暴露时间增长，岩爆发生的几率越来越小。 同样因为岩体内部的结构缺陷，应力调整过程中不会以掌子面为中心向四周均匀散射，所以产生了掌子面揭露后2 ～5 d 内岩爆发生频次高低变化的现象。

综上所述，秦岭隧洞5 号洞主洞段里程K46 ＋812 ～K46 ＋365 洞段岩爆发生的位置主要集中在掌子面及其4 m 范围内(此处不包含岩爆影响的范围)，应力调整主要集中在24 h 内，5 d 内可以基本完成应力调整。

5 微震事件时域分布规律

微震事件是岩体内部活动的表现形式，为了更好地展现微震事件的活动规律，选取11 月份发生的一次强烈岩爆来展现微震事件和岩爆的空间演化规律。 图5 为掘进过程中岩爆事件、震级及其释放能量的发生规律，图中圆点数量表示岩爆发生次数，圆点大小表示岩爆释放能量的大小，圆点颜色由紫变红表示震级由小增大。

图5 岩爆事件、震级及其释放能量的发生规律

以11 月13 日为初始掌子面的掘进位置，11 月19 日为掌子面结束位置。 从图5 中可以看出，在11月13 日时，微震事件在掌子面周围离散分布，且数量和能量均比较弱势，没有明显的规律，说明深部岩体正处于应力累积状态。 在14 日到15 日微震事件逐渐在掌子面周围聚集，并集中分布，且震级和能量都出现危险预警，表明此时岩体内部应力调整比较活跃，裂隙数量增多，有裂隙贯通的可能性，应发出预警信号，在16 日时，由于掌子面的持续推进，微震事件在掌子面周围集结成核，表明此时裂隙发生贯通，岩体出现大面积破坏现象，实际情况是当天在K46 ＋550 ～K46 ＋539 里程段的右侧拱部发生了强烈岩爆，这与前面分析该洞段易发生岩爆相符。 17 日时，微震事件分布呈现出长条形离散状态，原来的微震集核区开始“扩涨”，说明此时应力正在发生转移，不会轻易发生岩爆，但是会有发生“余震”的可能。 18 日时微震事件数量迅速减少，于掌子面附近离散分布，且事件能量和震级也较小，说明16 日发生的岩爆能量释放比较彻底，且在经历过2 d 的应力调整后，岩体基本趋于稳定，这与前面分析的岩爆应力调整时间也十分吻合。

6 结论

(1)地应力对岩爆的空间分布特征影响作用较大。 岩爆的轴向分布受垂直应力影响作用较大，横断面分布主要集中在拱顶和拱肩位置，受主应力方向的影响作用较大。

(2)岩爆发生的位置主要集中在掌子面及其4 m范围内，应力调整主要集中在24 h 内，5 d 内可以基本完成应力调整。

(3)微震监测系统分析研究结果可以很好地解释现场实际岩爆的孕育规律和时空分布特征。