岩爆与大变形专题

主题报告高地应力条件下的岩爆及大变形岩爆及大变形一、概述西康线—秦岭隧道地处高海拔的高地应力区域，是我国目前在建的铁路隧道中最长大的隧道之一，全长为18.4公里，且最大埋深达到1600m；环境条件恶劣，地质条件十分复杂，施工难度大，工期紧迫，是施工风险较大的隧道工程之一。秦岭隧道的施工风险主要表现在具有显著的高地应力（或极高地应力水平），以及地质条件的变异上。因此，很好地掌握在高地应力条件作用下，地质的变化是异常重要的。一、概述大量的国内外地下工程实例表明，在满足高或极高地应力水平条件下，在特殊不良地质区段修建隧道时，施工中将会遇到硬岩中的岩爆，以及软岩中的大变形破坏等工程灾害。因此在工程技术上有许多难点问题需要解决。事实上近几十年来,随着矿山开采,隧道工程,水利水电,军工建设等地下工程的大型化发展，因岩爆和大变形造成的围岩稳定性破坏，已经客观的构成了高地应力区两大最严重的地下工程灾害,这种工程上的客观要求是本项科题研究的主导因素。一、概述本文以秦岭长大隧道为依托工程，围绕秦岭隧道高地应力区围岩稳定性进行研究。主要包括以下几方面的内容：1、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定，2、岩爆问题：通过对国内外隧道工程施工中所发生典型岩爆实例的统计、分析与归纳，阐明岩爆发生的基本条件；一、概述3、工程应用：将本文提出的岩爆发生判据应用于秦岭隧道II线出口段发生岩爆的地质区段，进行工程验证，结果很好。4、岩爆治理：归纳岩爆的类型、性质和特点，提出合理有效的工程理技术措施。5、大变形问题：结合工程实例进行分析，阐明大变形现象的特征，提出大变形的分级和预测方法，以及治理大变形的工程措施。二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定一般说，岩爆和大变形的发生都与地应力场的演变有关。因此,在说明岩爆和大变形工程现象之前，首先，应对秦岭隧道的地应力场的基本变化情况给以说明。（一）、秦岭隧道初始地应力场分析秦岭隧道初始地应力场在没有实地测试数据的情况下，最可靠的方法是采用对既有工程的实测数据进行统计分析，而后根据统计分析式进行判定的方法。我们根据276个国内外地下工程的地应力场的实测数据进行统计分析，获得以下结果。二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定垂直应力σv=1.88+0.0244H(r=0.965)平均水平应力σhavg=10.276+0.0182H(r=0.7812)最大水平应力σhmax=13.763+0.0211H(r=0.7839)最小水平应力σhmin=6.464+0.0146H(r=0.8206)平均水平应力与垂直应力之比在下式范围之内：150/H+0.50C1000/H+0.80二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定式中，H——埋藏深度(m)σv——垂直应力(MPa)σhavg——平均水平应力(MPa)σhmax——最大水平应力(MPa)σhmin——最小水平应力(MPa)C=σhavg/σv——侧压力系数根据上述公式决定的地应力场，沿隧道纵向分布如图1所示。二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地段的判定（二）、秦岭隧道高地应力场判定1、高地应力判据为了确定出秦岭隧道沿纵向分布的高地应力或极高地应力地段，本文采用了国标《工程岩体分级标准》(GB50218-94)所建议的划分标准，进行分类。其判据表达式为：极高地应力：Rc/σmax4高地应力：7Rc/σmax4式中，Rc为岩石的抗压强度，而σmax为最大地应力值。显然，Rc/σmax的值越小，说明地应力水平越高。区分高或极高地应力水平的界限是：Rc/σmax=4。（二）、秦岭隧道高地应力场判定2、岩石抗压强度指标Rc的确定1）勘测阶段Rc确定方法：在隧道通过的轴线部位共完成60m~607m不同深度的钻孔10个，并在孔中取岩样共51组进行岩石的常规物理力学及岩石纵波速度的测试。然后进行了归纳和统计，在此基础上，分（4个）区段提出隧道穿越，主要岩样（三种）的物理力学指标(详见表1)。结果：第一段岩石干抗压强度范围值是122.1~137Mpa，平均值分别为107.6MPa。第二段岩石干抗压强度范围值是122.1~162.46Mpa，平均值为147.1Mpa。第四段岩石干抗压强度范围值是117~192.2MPa，平均值为162.3Mpa。第三段的混合片麻岩干抗压强度范围值是105.3~325.0Mpa，平均值为195.0Mpa。（二）、秦岭隧道高地应力场判定2）施工阶段Rc确定平导施工综合地质测试阶段在平导内取岩样37组，其中第一段混合片麻岩8组，第二段混合花岗岩4组，第三段混合片麻岩17组，第四段含绿色矿物混合花岗岩3组。蚀变闪长岩2组，碎裂岩3组。获得结果：第一段混合片麻岩干抗压强度波动范围值是99.8～148.3MPa，平均值分别为122.2MPa。第二段混合花岗岩干抗压强度波动范围值是152.7～208.9MPa，平均值分别为173.3MPa。第三段混合片麻岩干抗压强度波动范围值是82.6～302.1MPa，平均值分别为154MPa。第四段含绿色矿物混合花岗岩干抗压强度波动范围值是141.7～226.5MPa，平均值分别为170.5MPa。（二）、秦岭隧道高地应力场判定3、秦岭隧道高地应力或极高地应力地段分布如图2所示，秦岭隧道沿纵向高地应力和极高地应力地段的分布情况。从中可以看出，秦岭隧道在整体上具有高地应力分布的特点，其范围达到隧道全长的95%，而在隧道中部还呈现出大范围（占隧道全长的52%）的极高地应力分布，并且向两边延展，逐渐降低到高地应力及其以下地应力水平。秦岭隧道所呈现出高地应力水平分布状况，将会在满足一定条件下，引起围岩发生岩爆，这是很自然的。（二）、秦岭隧道高地应力场判定事实上，秦岭隧道II线已发生岩爆的工程实例表明，在进、出口两端，当隧道平导开挖进入极高地应力区域（见图2）后，分别在里程DYK64+370~DYK73+875和DYK77+735~+854大约4100m的范围内，相继发生了大规模的长时间的持续性岩爆，这一结果显然与秦岭隧道“具有大范围的高或极地应力的分布”是有很大关系的。三、岩爆问题一般的，我们认为“岩爆”的发生需要满足《工程岩体分级标准》(GB50218-94)规定：Rc/σmax4，即需要满足一倍以上高地应力的条件；这是最基本的岩爆发生要素。但究竟是否发生岩爆，还要受到其他多种要素的影响和制约（如岩层的完整性、坚硬程度等），这也是显然的。围绕岩爆问题，目前已提出诸多理论，如：强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、扩容理论、失稳理论、表面失稳理论等。本文从工程实际的角度出发，在收集和分析国内外岩爆发生的工程实例的基础上，对岩爆发生的基本条件和规律进行分析和研究，这是十分必要的。（一）、从工程实例看岩爆的发生表3列出国内外曾经发生岩爆的一些隧道工程的概况，从中对岩爆发生的条件，或许可以找出一些可供参考的规律。表1中参数σc表示岩石单轴抗压强度；Is表示点荷载强度；σmax和σmin分别表示地应力的最小值和最大值。表3国内外隧道工程发生岩爆的统计表三、岩爆问题通过对已发生岩爆地下工程的施工调查，可初步归纳出以下几点：1、从开挖的坑壁，岩块迅速射出。严重时，整个掌子面瞬间压坏；2、在世界各地的深矿山中经常发生；3、在非常深的矿山中，也有衬砌瞬间破坏的情况。此时，多是由于附近的矿山开挖所致；4、在700以上埋深的情况发生的居多。在浅层的也有发生的实例；5、视岩质情况发生的方式不同。例如，日本清水岭三、岩爆问题下的四座隧道，关越隧道在页岩中就没有发生，而在石英闪长岩中则发生多次；6、有涌水时不发生；7、与地层的方向、节理、夹层等强烈相关，例如顺层的情况下发生较多；8、爆落块的大小各式各样，但多是偏平的；9、掌子面附近的岩爆发生较多，掌子面打锚杆后可防止岩爆；10、在同等地质条件下，采用掘进机（TBM）施工的发生少，采用矿山法施工的发生多。（二）、从一些国家规定和研究成果看岩爆发生在隧道勘测、设计阶段，根据揭示的地质条件应该对岩爆的发生与否，有一个基本判断。因此，一些国家对此曾提出相应的基准，一些研究成果也提出若干建议。这些规定和建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。三、岩爆问题瑞士的SIA198号岩体分级标准中规定：第1类岩体有岩爆，其基本条件是：单轴抗压强度σc100MPa、内摩擦角40°、粘结力C2.0MPa。挪威学者Bardon提出如下判据：σc/σmax=52.5σt/σmax=0.330.16轻微岩爆σc/σmax5σt/σmax=0.16强烈岩爆三、岩爆问题我国“工程岩体分级标准”中规定：在极高应力和高应力条件下可发生岩爆。极高应力条件是σc/σmax4。高应力条件是σc/σmax=4～7。Russenes建议根据著名的Kirch方程：σt=3σ1－σ3方程和点荷载强度Is进行岩爆强度的分级，见图3。三、岩爆问题图3岩爆为隧道中最大切向应力σt和岩石点荷载强度Is的函数根据表3中的基本数据和各国的工程实践，可以归纳岩爆发生的基本条件如下：1、岩石单轴抗压强度：σc80MPa(至少60MPa)表3实例中的岩石单轴抗压强度至少在60～80MPa以上，多数超过100MPa。这说明在岩石单轴抗压强度小于60～80MPa的岩石中发生岩爆的可能性是不大的。也就是说，岩爆基本上是在坚硬的硬岩体中发生的。2、岩质和岩性：坚硬、脆性在列举的工程实例中，岩爆多数发生在石英岩、花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花斑状大理岩、片麻岩等岩体中。（三）、岩爆发生的基本条件（三）、岩爆发生的基本条件这些岩体的共同力学特性是脆性的岩体。即达到峰值强度后，岩石急剧断裂。这可用岩石的脆性度表示。岩石的脆性指数是岩石峰值强度前的总变形与永久变形之比。并且比值越大，脆性越高。表4岩石脆性指数与岩爆的关系岩石脆性指数0~43.5~5.55~7.87岩爆发生强度无弱中等严重（三）、岩爆发生的基本条件3、岩体结构：完整或基本完整在列举的工程实例中，岩体结构大都是完整的和比较完整的。因为，完整和比较完整的岩体，积聚有很大的弹性应变能量。这是发生岩爆的必要条件之一。4、地应力场的应力值：σmax和σmin地应力值是表示岩体内积聚弹性应变能的具体指标。一般说,地应力在岩体中是三维存在的。但为简单计，在一般情况下可用地应力中最大值表示。即最大地应力值越大，积聚弹性应变能越大。当岩石峰值强度前的弹性应变能积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩爆。因此可用下述指标判定岩爆发生强度。（三）、岩爆发生的基本条件σmax0.25σc严重岩爆σmax=0.15~0.25σc中等岩爆σmax0.15σc轻微或不发生工程实例中的σmax/σc比值，大多数在0.15~0.4之间，发生岩爆频率达到21次，占整体发生率的80.8%。在0.15以下发生岩爆频率只有1次，仅仅占整体发生率的3.8%，在0.2~0.3之间出现的频率最高，达到12次，占整体发生率的46.2%。由此可见，确定出发生岩爆的最小临界值：σmax/σc=0.15是比较恰当的。上述工程实例的统计结果见图4。（三）、岩爆发生的基本条件（三）、岩爆发生的基本条件岩爆的发生与σmax/σmin的比值有关。从工程实例看，多数是发生在比值大于1.35的情况下，发生频率达到19次，占整体发生率近70%。因此也可以将σmax/σmin1.35作为岩爆发生的一个判据。5、岩爆的发生与坑道轮廓的平整度有关，例如在上述地质条件下，采用掘进机(TBM)施工的隧道，就可能不发生岩爆，而采用钻爆法施工的隧道就会经常发生岩爆。这是因为钻爆法在坑道轮廓上造成的超欠挖所致，而超欠挖所会造成围岩局部高度应力集中。并导致岩爆的发生。(四)、工程应用隧道内表面的凹凸不平，对岩爆的发生也具有一定的影响。因此，控制超欠挖也是控制岩爆发生的重要措施。(四)、工程应用根据上文分析提出的岩爆发生的基本条件，对目前正在施工的西康线秦岭隧道出口段II线平导所发生岩爆的区