我国高地应力区隧道岩爆研究现状及分析

　　摘要：随着我国铁路隧道的大规模建设，大量超深埋隧道在高地应场条件下的岩爆效应将成为铁路建设中的关键技术难题。为了判别、预防岩爆的发生，提出不同等级岩爆防控措施，通过调研国内相关专家的研究成果及国内外典型岩爆隧道建设的相关研究成果，结合实际工程经验，分析岩爆发生条件、高应力状态下岩爆发生机理、岩爆的预测、岩爆防治措施及作用机理，总结隧道发生岩爆的特征规律，提出高应力状态下不同等级岩爆的防控措施。分析结果表明，施工过程中岩爆的防治，应采取以微震监测为主的综合超前地质预报方法，隧道支护应采用主动支护和被动防护相结合方式，主动支护主要有预应力锚杆、超前应力释放、拱部超前支护、优化施工工法等措施，被动防护主要有高强钢纤维喷射混凝土、钢拱架、消能防护网等措施，岩爆的防治技术的关键在于快速恢复围岩原始三轴应力状态程立，同时采用少人化、无人化的大型机械化施工，相关研究成果已纳入川藏铁路岩爆隧道设计原则。

　　关键词：铁路隧道;岩爆隧道;高地应力场;主动支护;预应力锚杆;大型机械化施工

　　引言

　　随着川藏、滇藏等铁路的大规模建设，隧道施工将面临长段落埋深超过1500m的超深埋隧道引起的岩爆的效应，另外川藏铁路走行在印度板块和欧亚板块强烈碰撞缝合带，经过冈底斯—喜马拉雅造山系、班公湖—怒江对接带羌塘—三江造山系、扬子台地等一级构造带，区域地应力高、环境复杂，隧道建设过程中不可避免地会出现高强度的岩爆。岩爆发生具有突然性、高危性特点和动力失稳特征，在高地应力隧道及地下工程开挖过程中发生频率极高[1]。岩爆的发生给隧道施工人员和设备带来极大的安全隐患，同时给隧道建设带来极大影响。目前，国内外学者围岩的岩爆效应也做了大量研究，研究结果丰硕。冯夏庭等[2]系统地研究了岩爆机制和岩爆孕育过程。

　　李天斌等[3]研究了硬脆性岩石热力损伤模型。蒙伟等[4]通过叠加原理，将温度应力场叠加到重力及构造应力场中得到了与高地温相符的岩体初始地应力场。陈卫忠等[5]基于脆性岩石卸荷围压实验的研究，发现岩爆是能量积聚释放的过程，经历了应力集中、能量聚集、微裂纹形成与扩展、裂纹贯通、岩爆发生等阶段;同时由于裂隙的传播和应力的转移不充分，卸荷速率越快，岩爆时破坏的能量越大。王青海等[6]研究认为岩爆是压致拉裂、压致剪切拉裂和弯曲鼓折的结果，提出岩石的喷水软化系数越小，喷水降低岩体储存能力越好的结论。若断层破碎带岩体破碎不具备储存大能量的条件时，断层破碎带和节理十分发育的部位不会出现岩爆;若断层附近完整岩体由于构造应力集中效应，存储较大的弹性应变能，容易发生岩爆。

　　许东俊等[7]研究表明地下洞室周边围岩中存在着产生岩爆的极限深度，极限深度的大小与水平应力与垂直应力比值有关，洞壁岩体从双轴压缩应力状态逐渐过渡到真三轴应力状态。康勇等[8]利用岩石声发射Kaiser效应特性及有限元数值分析的方法对隧道地应力特征和岩爆进行了预测的研究，发现隧道开挖后最大切向应力通常是最大地应力值的倍。何满潮[9]通过真三轴主机岩爆模拟实验，得出了90MPa的花岗岩岩爆破坏临界应力值介于100~120MPa的结论;同时认为岩爆试验中花岗岩声发射频谱经历了由低频单峰向高频单峰转变，最后又恢复低频单峰，106kHz是该类花岗岩瞬时岩爆破坏时重要的特征频率。

　　陈炳瑞等[10]通过研究锦屏二级深埋引水隧道TBM施工过程岩爆，发现TBM在开挖时掌子面前方约10m范围内的围岩已受到不同程度的损伤与扰动，TBM掘进后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m范围内，其中掌子面后3m范围内最为明显;沿洞径方向，围岩3m范围内为松动区，3~9m范围为损伤区，9~22m为扰动区。谷明成等[11]通过对秦岭隧道岩爆的研究，得出高弹脆性岩体和高地应力环境是岩爆发生的必要条件，洞室开挖导致应力集中是岩爆发生的触发条件的结论。

　　以上研究分别从岩爆与能量的关系、岩爆与岩体受力关系、岩爆的发生与岩体应力分布的关系、特定岩石的岩爆破坏频率、岩爆的影响范围等微观的角度来讨论岩爆的破坏特征，系统而全面的研究隧道施工、支护措施与岩爆的关系并不多见。本文在总结已有岩爆特征规律的基础上，系统的分析了岩爆的预测、控制预防措施及适用范围。

　　1国内外典型岩爆隧道特征分析

　　1.1国内典型岩爆隧道

　　(1)拉林铁路巴玉隧道[12]全长12.5km，单线、设计时速为160km，隧道通过地层主要为粗粒结构的花岗岩，单轴饱和抗压强度45~190MPa，最大埋深2080m，是目前我国铁路埋深最大的隧道。在埋深1446m处，实测最大地应力为49.3MPa，推测最大埋深处最大主应力为50MPa，最大主应力与洞轴近似垂直。 隧道建设过程中约4500m长度范围内发生了不同强度的岩爆，其中中等及强烈岩爆段落达2953m。岩爆持续时间～168h，发生岩爆的时段为开挖后～6h，岩爆发生的位置在75%集中的拱腰处。

　　(2)锦屏二级水电站隧洞群条引水隧洞、条交通洞、条排水洞)，平均长约16.7km，开挖宽度5.7~12.4m，以钻爆法施工为主，其中条引水隧道东端采用台TBM施工。隧洞通过地层主要为大理岩，单轴饱和抗压强度60~210MPa，最大埋深2525m，是目前我国埋深最大的地下隧洞。在埋深1350m处，实测最大地应力为44MPa，推测最大埋深处最大主应力为120MPa。隧道建设过程中单个隧洞约3900m长度范围内发生了不同强度的岩爆，其中中等及强烈岩爆段落1070m。即时性岩爆在开挖过程中、开挖后2~5个小时或1~3内发生，间歇性持续时间数天至10余天;时滞性岩爆一般发生在开挖后6~30内。另外根据TBM施工和钻爆施工对比分析认为深埋隧洞TBM施工引发岩爆的风险高于钻爆法施工。岩爆发生的部位门形隧洞多集中在起拱肩、拱顶处;圆形隧洞多集中在边墙处。

　　2岩爆的破坏机理分析

　　2.1岩爆的定义及分类

　　AI等[1认为，突然、剧烈发生的，且引起地层震动、会对隧道或矿井的开挖造成破坏的围岩损伤才能被称为岩爆。岩爆是高地应力环境下坚硬、脆性岩体因地下洞室开挖导致岩体内积聚的弹性应变能突发性的急剧释放，引起开挖洞室周壁岩体的松脱、剥落、弹射，甚至是洞室周围一定范围内岩体的整体塌落。

　　TB10003—2016《铁路隧道设计规范》依据岩石强度应力比及隧道开挖过程中岩爆的危害程度将岩爆等级划分为轻微、中等、强烈和极强四类。国内外众多科研机构对岩爆机理进行了深入研究，提出了诸多形成岩爆的力学机理，不尽相同，但总的来说依据岩体的力学表现形式分为剪切破坏型、劈裂破坏型、弯折内鼓型及复合型岩爆[18]。另外根据岩爆发生时机的不同，分为即时型岩爆[19](开挖后2h内或3d内发生)和时滞型岩爆[20](开挖以后发生)。

　　2.2岩爆破坏机理

　　影响岩爆发生的因素较多，其中硬质岩体和高地应力环境是引发岩爆的前提条件，开挖扰动及卸荷效应是诱发岩爆发生的直接原因。

　　(1)硬质岩条件下岩爆的发生机理硬质岩的弹性模量、剪切模量、抗压强度和抗剪强度高，其应力应变主要为弹性变形，破坏前塑性变形很小，在构造运动中具备存储很大应变能，隧道开挖后洞壁围岩从三向应力状态调整为双向应力状态，洞壁周边岩体能量进一步积聚，随着临空面的产生，洞周一定范围内岩体弹性应变能量的急剧释放引发岩爆。硬质岩中岩性的弹性能量指数和脆性指数是反映岩体储存能量的能力及岩体的脆性指标，也是衡量岩体发生岩爆可能性的重要参考指标。代表性岩性有花岗岩、大理岩、灰岩、白云岩、石英砂岩等。

　　(2)高地应力环境下岩爆的发生机理岩爆的发生受围岩强度、初始地应力状态、岩体构造环境、施工方法等多因素影响，其中初始地应力决定了岩体中弹性应变能的大小，也是判定高地应力环境的主要指标。GB/T50218—2014《工程岩体分级标准》将初始岩石强度应力比/σmax<为极高地应力区，易发生强烈、极强等级的岩爆;4≤/σmax<为高地应力区，易发生轻微、中等强度的岩爆。引起初始高地应力环境的主要原因有地质构造、断层错动及大埋深。

　　(3)开挖卸荷效应下岩爆的破坏机理隧道开挖之前，围岩处于三向应力平衡状态下，处于“弹性压缩”状态下，隧道开挖后洞壁岩体径向应力解除，岩体向隧道内变形，如图所示，由于初始应力场的重新分布，造成切向应力集中，最大值可达到(σσ)(约为最大主应力的倍)[2]，切向应力的陡增引起洞周围岩体应变能的陡增，当应力超过岩石抗压强度时，周边岩体在应力集中作用下微裂纹不断产生、扩展、贯通，当外部岩体释放的能量大于裂纹产生所需要的能量，剩余的弹性应变能将转化为动能，使破裂的岩块以剥落、弹射，甚至是大范围的内部岩体垮塌脱离。

　　3岩爆隧道的预测及分析

　　隧道施工过程中是否会发生岩爆，岩爆发生的强弱，其预测、预报分为勘察设计与施工两个阶段。在勘察设计阶段的预测主要有强度应力比法(/σmax，铁路隧道设计规范)，在施工阶段主要有Russenes判据法、基于Kaiser声发射效应的微震监测、钻屑法及水分法等。在此基础上结合区域地质构造、地下水发育状况、岩石的脆性指数、节理裂隙发育情况、物探成果等进行综合判断分析。

　　4岩爆隧道的处置措施及适用范围

　　岩爆发生的过程大致经历能量释放、积聚、再释放三个过程。第一阶段能量释放，隧道开挖损伤区以外扰动区岩体弹性应变能释放;第二阶段能量积聚，松动区及损伤区围岩应力集中，岩石内部裂隙闭合→弹性变形→开始产生裂隙，过程中伴随着明显的声发射现象;第三阶段能量释放，松动区内部岩体裂隙稳定扩展→裂隙贯通→脱离岩块的脱落、弹射。根据岩爆预测等级发生时机及持续时间的长短，岩爆的处置可分为主动支护和被动防护措施。主动支护措施主要有超前应力释放(钻孔泄压、高压喷水、超前施工小导洞)、超前支护、预应力锚杆、调整开挖进度、优化开挖工法以及调整开挖洞型等;被动防护措施主要有喷射混凝土(钢纤维混凝土)、钢筋网(高强钢丝网)、型钢(格栅)钢架、以及人员和机械的安全防护、岩爆待避等。

　　5川藏铁路岩爆设计主要原则

　　川藏铁路雅安至林芝段预测隧道通过岩爆段长度约161km，其中强烈岩爆地段约19km，中等岩爆地段约72km。岩爆地段中实测最大水平地应力为47.7MPa，分析预测最大水平地应力达75MPa。为了降低岩爆对工程的影响，结合相关课题研究川藏铁路岩爆设计的主要原则如下。

　　(1)采用以“微震监测超前长距离钻孔”为主的综合超前地质预报，有效预测掌子面前方岩爆发生的地段及强度。(2)中等及以上岩爆地段采用大型机械化施工，尽可能减小掌子面附近人员暴露作业。(3)岩爆地段锚杆均采用预应力锚杆。(4)岩爆地段喷射混凝土采用C30高强纤维混凝土，中等及以上岩爆地段设置消能防护网。(5)强烈、极强岩爆地段设置钢拱架防护。(6)TBM施工通过岩爆地段，结合岩爆强度等级，采取调整掘进速度、拱部设置钢筋排、边墙设置消能防护网、设置钢拱架、架设钢管片等综合防护措施。

　　科技论文投稿刊物：《隧道建设》杂志是隧道及地下工程领域实践性很强的技术类科技期刊，北大核心期刊。主要刊载内容为国内外隧道及地下工程领域的新理论、新方法、新技术、新工艺、新设备、新材料、新经验和工程实录，相关领域的国内外科技信息、行业动态等。选稿突出创新性、实用性、系统性和导向性。

　　6结论与建议

　　通过对典型岩爆特征规律系统的分析总结，发现高应力作用下隧道岩爆具有特定的特征规律，在系统分析岩爆产生和防护的机理的基础上，结合国内外典型岩爆工程的案例经验，系统归纳总结了岩爆的控制方法，并对岩爆控制的关键因素提出建议。

　　(1)注重岩爆的预测预报，采取多种方式综合预测，并结合施工期间的微震监测进行综合判定，且目前强烈以上岩爆采用微震监测，预测的准确率可达80%以上，文章中结合已有工程的经验分析，给出了发生岩爆地段的工程地质特点。

　　(2)岩爆的防治技术手段重点是如何快速恢复原始三轴地应力状态，同时考虑提前释放围岩内部的弹性应变能，降低岩体的弹性、脆性。本文首次提出了岩爆隧道的支护措施应采用主动支护与被动防护相结合的综合防治措施，较为全面的论述了相关防护措施的作用机理，并给出了不同防护措施的适用范围。

　　(3)岩爆隧道最大的危害是在施工期威胁掌子面附近作业人员的人身安全，采用少人化、无人化的大型机械化智能施工是解决岩爆隧道快速施工的关键。

　　(4)本文研究成果目前已成功纳入川藏铁路设计原则，并应用于岩爆隧道的设计与施工。

　　(5)TBM施工岩爆隧道，由于施工进度较快，开挖过程中的能量释放有限，同时TBM掘进过程中对微震监测干扰较大，施工过程可能诱发较大规模的岩爆，需进一步研究TBM搭载式综合超前地质预报措施，提高岩爆的预测精度，并加强防护措施。

　　(6)时滞型岩爆发生时破坏极大,且发生时机难以掌握，目前尚难以准确预测，需要积极开展相关研究，以指导施工。

　　参考文献：

　　[1]郑宗溪，孙其清.川藏铁路隧道工程[J].隧道建设，2017，37(8):10491054.ZHENGZongxi，SUNQiqing.ThetunnelinSichuanTibetRailway[J].TunnelConstruction，2017，37(8):10491054.

　　[2]冯夏庭，肖亚勋，丰光亮，等岩爆孕育过程研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38(4):649673.FENGXiating，XIAOYaxun，FENGGuangliang，etal.Studyonthedevelopmentprocessofrockbursts[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2019，38(4):649673.

　　[3]李天斌，高美奔，陈国庆.硬脆性岩石热力损伤本构模型及其初步运用[J].岩土工程学报，2017，39(8):14771484.LITianbin，GAOMeiben，CHENGuoqing.AthertnaldamageconstitutivemodelforhardbrittlerocksanditsPpeliminaryapplication[J].ChineseJournalofGeotechnicalMechanicsandEngineering，2017，39(8):14771484.

　　作者：巩江峰1，田四明1，杨治刚2