分析隧道高地应力特征及隧道岩爆预测

2017年第19期（7月 上）

分析隧道高地应力特征及隧道岩爆预测

谷雨

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081）

摘要：针对付家岩隧道的工程实例，对该工程做出简要概述，然后将地应力特征分析作为核心的岩爆灾害预测，将付家岩隧道作为主要研究对象，阐述隧道的岩爆预测方法，通过与实测的对比得知预测结果准确，可为后续开挖施工提供参考的结论。关键词：隧道工程；高地应力特征；岩爆预测中图分类号：U455.4

文献标识码：B

0 引言

在高地应力区域开展地下工程建设容易产生岩爆灾害。做好隧道岩爆的预测是每一位业内研究者关注的焦点。然而在实际的预测过程中，由于传统的测试方法成本较高，使用地应力等基础数据对应力状态实施预测正变为预测隧道岩爆的重点问题。基于此，为便于开展岩爆及地应力的分析预测，结合隧道工程实际情况，深入分析预测方法。

3 隧道岩爆预测及对比

3.1 岩土强度

针对钻孔周围岩体实施全面地质调查，以此明确GSI值。然后开展岩体的力学试验，运用RocLab软件及Sheorey模型对岩体的实际前景高度与变形模量实施准确计算，其中Sheorey模型如图1所示。

1 工程概况

付家岩隧道场区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱凤冈北北东向构造变形区，地层产状整体较为平稳，综合地层产状320°∠10°。主要发育的节理有产状120°∠80°、170～176°∠75～82°、170°∠75°、270°∠80°等三组，发育3～10条/m，风化层闭合性差。现围绕该隧道工程实际情况，对其地应力特征与岩爆预测实施分析，具体内容如下。

2 地应力特征分析

隧道所在地区断裂较为发育，断裂的存在为构造格局提供了控制作用[1]。在隧道内部布置两处钻孔，以此开展地应力测试作业。根据测试结果可知，N71°～86.7°E为主应力最大优势方位。钻孔所揭示的实际地应力大小偏高，水平主应力的最大值保持在22.88～23.46MPa范围内，而水平主应力最小值保持在10.77～11.71MPa范围内。在实际测试中，钻孔之间的距离较近，揭露出的具体岩性基本一致，所以钻孔反映出的实际应力状态也相似。

从总体角度讲，实测所得地应力方向主要为NEE向，水平相对较高，不同方向上应力保持如下大小关系：SH＞SV＞Sh，这一地应力现状满足构造背景要求与特殊地形条件下所体现出的地应力场特点。

3.2 隧道地应力

在获取岩土强度的前提下，根据围岩总体质量，运用RocLab等软件对场区内所有围岩强度实施计算，以此得出变形模量数值。将实测地应力数值作为基准，借助相应的公式计算地应力大小，根据地应力实际分布，明确高地应

图1 Sheorey模型

收稿日期：2017-2-22

作者简介：谷雨（1986—）男，工程师，研究方向为岩土工程。

98力范围、中地应力范围和低地应力范围。3.3 岩爆预测

相关学者经过长时间的研究给出了一系列岩爆判断依据与分级标准，此次研究强调使用地应力对隧道岩爆实施预测。根据岩爆与隧道破坏过程中的应力特点，可将围岩的最大切向应力作为判断岩爆的主要依据，以此对岩爆产生几率进行预测[2]。

根据预测的结果可以看出，隧道存在高应力的岩爆条件，当隧道岩爆的发生水平为轻微或中等，尤其是在埋深大于500m以后，产生中等水平的岩爆几率将大幅升高。除此之外，隧道还存在岩爆产生几率较低的区域，但这并不能完全排除产生岩爆的可能。3.4 岩爆分析

之前针对场区的地应力状况进行了深入分析，对有几率产生的隧道岩爆实施了预测。基于此，现结合施工作业中产生的隧道岩爆，对之前得到的预测开展进一步讨论。表1为隧道正洞施工过程中，局部较为典型的岩爆状况统计结果。

表1 岩爆统计结果

位置

岩爆预测危害

描述

状况拱顶中等

岩爆坑环向长度为2.0m，纵向宽度为4.0m，深度保持在0.4～1.2m范围内

中等

拱顶中等岩爆坑环向长度为3.0m，纵向宽度为6.0m，深度保持在0.4～1.2m范围内

中等

拱顶中等岩爆坑的岩壁会弹出一些梭形岩石块，岩爆坑的最大深度可以达到1.3m

中等

拱顶中等岩爆坑环向长度为5.0m，纵向宽度为2.5m，深度保持在0.4～1.0m范围内

中等

拱顶中等隧道的现场作业人员可听见和看见岩爆发生，有大量白色粉尘产出，且主要以雾状的形式向外释放

中等

由表1可以看出，产生岩爆的位置都处在隧道的中等岩爆位置，经测算其地应力水平保持在25～33MPa范围内，为典型的高地应力区。隧道地应力状态取决于现场的地质构造、围岩强度与地形条件。其中，地形条件对于地应力造成的实际影响是有一定范围的，通常情况下是越靠近地表，实际影响越大，而对于埋深较大的围岩而言，不会造成显著的影响。在静应力场当中，当前的断层构造对于地应力所造成的实际影响是偏局部的。在完全相同的构造单位中，被断层分割的岩体地应力，它们的大小和方向都是完全一致的。资料证实，在相同的工程场区中，由于他们的岩体强度存在一定差别，因此所测地应力大小也不同，地应力的大小主要和岩石的杨氏模量有关，主要表现为成正比关系。对于地应力和岩体的强度而言，他们不仅是独立系统还是完全统一的，高强度岩体才可以有效积累较高

交通世界TRANSPOWORLD的应力，短时积蓄高应变能，最终产生岩爆[3]。根据隧道岩爆的预测结果，岩体自身强度对于应力水平有着十分显著的影响，随强度的增大地应力水平不断提高，这证明了上述预测是准确、合理的。

经地应力测试可知，应力方向是NE-NEE，和隧道轴线几乎保持垂直关系，由于存在主应力等因素的影响和作用，隧道拱顶容易集中大部分压应力，而且断面拱肩上还会集中剪应力，应力的集中会使隧道内部围岩产生脆性损坏，最终产生岩爆。另外，工程将来的开挖施工作业也会对之前形成的洞段造成影响，这进一步加剧了应力的集中作用，进而加重了隧道围岩破坏[4]。

4 结论

（1）本文将地应力的实测结果作为基础，充分应用经修正处理的Sheorey模型对隧道地应力状况进行预测。按照高地应力对应的评价指标，评价隧道应力状况，同时再根据围岩的切向应力数值采取有效的隧道岩爆预测方式准确预测可能产生的岩爆。从结果来看，预测和已经产生的岩爆有很好的一致性，说明该隧道场区的地应力及岩爆预测方式切实有效。

（2）由区域的应力资料可以看出，实测所得地应力方向主要为NEE向，和隧道轴线几乎保持垂直关系，这对于工程后续施工是十分不利的。数据表明，钻孔为典型的高地应力区域，水平主应力的最大值保持在22.88～23.46MPa范围内，而水平主应力最小值保持在10.77～11.71MPa范围内。

（3）从以围岩的最大切向应力和单轴抗压强度比为依据获取的隧道岩爆预测成果中可以看出，在隧道的高地应力区中，有可能产生轻度岩爆和中度岩爆，特别是在500m以上埋深位置，还有一定几率产生更为严重的隧道岩爆。

（4）此次研究着重分析了高地应力的影响和作用，分析结果可以为岩爆预测提供帮助，但对从整体角度认识隧道岩爆是有一定影响的。因此在以后的研究工作中，还要综合运用多方资料开展更为深入的分析，从而更好地满足实际结论。

参考文献：

[1] 邓小鹏，相建华. 宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆

预测[J]. 水文地质工程地质，2013，40（1）：83-88.[2] 张建忠. 闽西南某隧道高地应力特征及隧道岩爆预测研

究[J]. 隧道建设，2013，33（3）：183-189.

[3] 肖本职，罗超文，刘元坤. 鄂西地应力测量与隧道岩爆

预测分析[J]. 岩石力学与工程学报，2015，24（24）：4472-4477.

[4] 刘军强，施建仁，王水晶，等. 地应力测量在深埋长

大隧道岩爆预测中的应用[J]. 地下空间与工程学报，2011，7（4）：776-780.

（编辑：钱宇宁）

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