开绕一号公路隧道岩爆强度评判

赵 勇 进

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



开绕一号公路隧道岩爆强度评判

赵 勇 进

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

开绕一号公路隧道在施工过程中部分隧道段岩爆突出、频繁，对施工造成了一定影响。阐述了采用3种判定岩爆强度的方法，从定性及定量的角度进行综合分析判定的过程，结果表明：该公路隧道岩爆强度已达到中等岩爆级别，超过了勘察设计阶段预测的弱岩爆级别。该岩爆强度判定结果为该工程施工预防岩爆提供了依据。

公路隧道；岩爆；地应力；强度评判；猴子岩水电站

1 概 述

开绕一号公路隧道位于大渡河猴子岩水电站库区，为库区S211线淹没复建 工 程，隧 道 全 长3 238m，隧道建筑界限为9m×3.5m，隧道位于斜坡中上部。隧道围岩岩性为志留系通化组(St)大理岩、变质灰岩和奥陶系巧家组(Od)千枚岩，岩体主要为块状结构和薄层结构。Ⅳ类围岩段长824m，占隧道总长度的25.4%，Ⅲ级 围 岩 段 长2 414m，占隧道总长度的74.6%。

设计单位施工建议提示：开绕一号公路隧道在埋深较大时可能发生弱岩爆。自2013年6月22日(桩号K12+920)起，开绕一号隧道出口端开挖面频繁发生岩爆，且其距设计图纸中可能发生弱岩爆的桩号K12+745相差175m。岩爆发生时声响巨大，有明显的岩爆闷响声，掌子面有飞石弹射出来，飞行距离约5～20m。进口端从桩号K11+085起，岩爆现象突出，掌子面有较强的爆裂弹射现象且持续时间较长，已明显超过招标图纸所示的岩爆范围(K11+185～K12+745)。岩爆等级根据岩爆的破坏性及现场描述可能已达到中等岩爆级别，超过了原设计时预测的弱岩爆级别。基于以上情况，笔者受施工方委托，结合现场调查统计，对开绕一号隧道岩爆强度级别从定性及定量的角度出发给予了专业评判。

2 岩爆的表现特征

在高地应力区，岩体中蓄积着较高的弹性应变能，在洞室开挖过程中，由于应力重新分布，在洞壁附近产生应力集中，当集中的应力超过岩体破碎强度时，岩体中的应变能就会突然释放出来，使岩体发生猛烈的脆性失稳破坏，破坏后的岩块弹射出来，这一岩体破坏形式即为岩爆。

(1)岩爆的发生有强有弱。据开绕一号公路隧道岩爆的调查及统计，在岩爆发生时伴有清脆的“啪、啪”声响并伴有撕裂声，围岩表层有爆裂脱落剥离现象，为较弱岩爆，是围岩内弹性应变能外泄引发的弹射岩块发出的声音，所产生的小块状爆体具有一定的冲击力，小爆体形状以薄片状居多。岩爆发生时发出沉闷的声响，所弹射的岩块具有较强的弹射力，产生的爆块较大，为较强岩爆，爆块外薄内厚。而在K12+920段开挖掌子面发生的岩爆，所产生的爆块最大块径为0.4m×0.3m×0.15m，岩爆发生时声响巨大，掌子面飞石弹射的最大距离约为20m。

(2)岩爆多发生在爆破作业后2～3h时间段，但也有滞后(6～12h)；岩爆一般在爆破后2h左右表现的比较激烈，以后则趋于缓和。岩爆发生的地点多数在新开挖的工作面及其附近，一般在距离掌子面12m范围内为岩爆高发区，但也有延后至50m处的特例。

(3)岩爆的发生在一定程度上受洞室埋深(指垂直埋深，下同)控制。表1中的统计结果表明：发生岩爆的洞段埋深大多大于300m，洞室埋深较大，地应力高，为岩爆的发生创造了地应力条件。

(4)发生岩爆区域的岩体大多新鲜、完整，不渗水，岩体类别为Ⅲ级。表2中的统计资料表明：在中厚层或中厚层～厚层状岩体中，岩爆表现的尤为突出；而在薄～极薄状岩体中则不易发生岩爆，但偶有较弱岩爆发生。

表1 洞室埋深与发生岩爆关系表

3 岩爆强度的评判

若要判定岩爆强度，首先应对岩爆进行分级。分级的目的是为了更好地预测预防岩爆的发生，为施工建设提供服务。目前国内外普遍采用的分级判定方法有：Russense岩爆判定法；强度应力比判定法；依据岩爆发生的剧烈程度判定法。其中，Russense及强度应力比判定法为定量判定方法，而依据岩爆发生的剧烈程度判定法为定性方法，笔者简述如下：

(1)Russense岩爆判定法。

Russense岩爆判定法是根据洞室的最大切向应力σθ与岩石点荷载强度Is的关系建立岩爆烈度关系图。将点荷载Is换算成岩石的单轴抗压强度Rc，并根据岩爆烈度关系图判别是否有岩爆发生。其判别关系如下：

σθ/Rc<0.2 (无岩爆)

0.2≤σθ/Rc<0.3 (弱岩爆)

0.3≤σθ/Rc<0.55 (中等岩爆)

σθ/Rc≥0.55 (强岩爆)

判别式中，σθ/Rc为岩爆系数，可作为判断岩爆级别的定量指标。

根据弹性力学理论，围岩的最大切向应力可以通过以下方法进行推导：

基本假设：

①岩体均质，各向同性，连续体。

②仅考虑由自重应力形成天然应力场。

③忽略洞室高度的应力场变化。

④为平面应力问题。

表2 洞室开挖掌子面处岩爆发生统计表

图1 圆形洞室天然应力场示意图

对于圆形洞室(图1)，开挖前的天然应力PV为：

PV=γH， Ph= K0PV。

当洞室开挖后，洞壁切向应力σθ、径向应力σr以及剪应力τrθ按下列公式计算：

式中 PV为铅直方向的压应力(MPa)；Ph为水平方向的压应力(MPa)；γ为岩石容重；H为洞室埋深(自洞室中心算起)；r0为洞室半径(m)；r为自洞室中心起算的径向距离(m)；θ为自水平轴算起的极坐标中的角度。

考虑到洞室处于等压状态，即K0=1，PV=Ph时，洞壁切向应力σθ为：

当r=r0时，洞壁最大切向应力σθ=2PV=2γH。

依据以上岩爆系数计算方法，取大理岩岩石容重γ=24 kN/m3，Rc采用室内试验结果值，对隧道部分洞段围岩岩爆系数进行计算的结果见表3。结果显示：开绕一号公路隧道出现的岩爆级别已达到中等岩爆。

表3 部分洞段围岩岩爆系数计算结果表

(2)强度应力比判定法。

在国内外工程中，通常用岩石湿抗压强度(Rc)与最大主应力(σ1)的比值(简称强度应力比)作为评价岩爆发生强弱的定量指标。

陶振宇教授在总结多个工程经验的基础上，修改了挪威曾采用的巴顿法，提出了新的判别岩爆的方法，其判别关系如下：

Rc/σ1>14.5 (无岩爆)

5.5≤Rc/σ1≤14.5 (弱岩爆)

2.5≤Rc/σ1<5.5 (中等岩爆)

Rc/σ1<2.5 (强岩爆)

猴子岩水电站库区S211线淹没复建工程在勘察设计阶段未进行现场地应力测试。由于该工程距猴子岩水电站厂房距离约7 km，区域地质及岩层岩性基本相似，故可以采用工程类比方法、参考猴子岩水电站厂房实测地应力资料(表4)进行岩爆强度的判定。

采用实测最大主应力来判定岩爆强度级别，结果见表5，从表5中可以看出，在埋深不超过600 m时，发生的岩爆级别为中等岩爆；埋深接近或超过600 m时，发生的岩爆级别已达到强岩爆。根据岩爆发生的实际情况及特点进行综合判断，目前该公路隧道没有发生强岩爆，岩爆仅为弱岩爆及中等岩爆。

表4 猴子岩水电站厂房岩体地应力测试结果表

表5 用实测的最大主应力量值判定岩爆强度表

备注：测点岩性为变质灰岩，湿抗压强度采用室内试验平均值。

(3)根据岩爆发生的剧烈程度判定法。

目前国内外大多以岩爆发生的剧烈程度将岩爆划分为(弱)轻微、中等、强烈、剧烈4级(表6)。

依据该公路隧道的工程特点，笔者最终决定采用“二郎山公路隧道高应力与围岩稳定性课题组”分级标准。据该工程隧道开挖掌子面岩爆特点(表7)、岩爆发生时的声响类型、岩块弹射特点、岩体破坏形式以及对施工影响程度等因素判定该隧道岩爆强度级别为弱岩爆和中等岩爆。

通过采用以上3种方法进行综合判定得知：开绕一号公路隧道岩爆级别已达到中等岩爆。

表6 国内外岩爆烈度分级依据表

表7 部分洞段围岩岩爆特点描述表

4 结 语

(1)采用Russense岩爆判定法进行评定的结果显示，目前该隧道发生的岩爆最高级别为中等岩爆。但该判定方法具有一定的局限性，其仅考虑了岩体自重应力，未考虑构造应力的存在，因此，采用该方法判定取得的结果往往偏于保守。

(2)采用强度应力比方法判定岩爆强度，其结果显示：在埋深不超过600 m时，发生的岩爆级别为中等岩爆；埋深接近或超过600 m时，发生的岩爆级别已达到强岩爆。根据岩爆发生的实际情况及特点进行综合判断，目前该公路隧道没有发生强岩爆，岩爆仅为弱岩爆及中等岩爆。

(3)根据岩爆发生的剧烈程度，依据岩爆发生时的声响类型、岩块弹射特点、岩体破坏形式及对施工的影响程度等因素，最终判定该隧道岩爆强度级别为弱岩爆和中等岩爆。

(4)采用以上三种方法进行综合判定，开绕一号公路隧道岩爆级别为中等岩爆。

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(责任编辑：李燕辉)

2016-06-06

TV554；TV223.1;[TV

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1001-2184(2016)06-0074-05

赵勇进(1970-)，男，陕西富平人，高级工程师，学士，从事岩石力学试验研究工作.