深埋特长引水隧洞岩爆预测综合研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３Ｏ卷第１期　２００８年１月　人民黄河　Ｖ０１．３Ｏ．Ｎｏ．１　Ｊａｎ．．２０ｏ８　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　【水利水电工程】　深埋特长引水隧洞岩爆预测综合研究　石守亮　（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州４５０００３）　摘要：以南水北调西线一期工程引水隧洞为例，依据工程区地应力的现场实测及地应力场模拟与反演，综合分析评价　了隧洞工程区地应力和隧洞沿线周岩应力的分布规律，并在分析岩爆发生条件的基础上，根据工程区地应力、岩性等特　征，采用多种岩爆判别方法，对引水隧洞围岩发生岩爆的可能性及岩爆级别进行了综合预测。　关键词：深埋长隧洞；岩爆；地应力；南水北调西线工程　中图分类号：ＴＶ７３２．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１３７９（２００８）０１—００７２－０３　地下洞室开挖过程中，高地应力条件下开挖卸荷将引起洞　测量，在测试深度（最大孔深４５０　ｍ）范围内，各孔的最大水平　主应力方向均为ＮＮＥ或ＮＥ向；实测的最大水平主应力值为　室周边围岩产生强烈的应力分异作用，储存于硬脆性围岩中的　弹性应变能突然释放，产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷性等　破坏，这种动力失稳地质灾害称为岩爆…。近年来，我国一些　引水隧道工程（如天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引　２５．８２　ＭＰａ（孔深３５２　ｍ）。在测试深度范围内，各测试孔的最　大、最小水平主应力随岩层深度的加大均有增大趋势，并且最　大、最小水平主应力受岩体的完整性及强度影响较大，岩体完　整性好及强度高的测试段最大、最小水平主应力相应较大，反　之则较小。测试孔的最大水平主应力与深度亦呈现良好的线　性关系。在试验深度范围内，侧压系数均大于１，表明线路区水　平地应力以构造应力为主，同时表明引水隧洞地应力场以水平　应力场为主　。　水隧洞及二滩水电站弓Ｉ水隧洞等）相继发生了突发性严重岩　爆－２Ｉ３　。岩爆灾害不仅严重威胁施工人员安全、影响施工进　度，而且会造成超挖、初期支护失效，严重时还会诱发地震，已　经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题　之一。国内外学者提出了一系列岩爆预测理论和方法，但鉴于　岩爆预测问题的复杂性，到目前为止还没有一种理论或方法能　准确预测岩爆、满足工程建设的需求　Ｊ。　笔者以南水北凋西线一期工程引水长隧洞为例，在分析岩　爆发生条件的基础上，根据已有的国内外多种岩爆判别准则，　对隧洞开挖岩爆发生的部位和等级进行了综合分析和预测。　２．２初始地应力场的有限元数学模型回归　根据实测的地应力资料和工程地质资料，在进行地应力回　归分析中分５段采用Ｄｒｕｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ模型进行数值回归分　析　。回归分析结果表明，最大、最小水平主应力值总体上随　岩层深度的增加呈现良好的线性增长趋势，局部受岩体完整性　和岩性等影响有一定变化。达曲河一泥曲河段最大主应力方　向为ＮＥ６２。左右，最大主应力在水平方向上沿着洞轴线不均匀　变化，变化范围为１０—３０　ＭＰａ，一般为２０　ＭＰａ。泥曲河一杜柯　河段最大主应力方向为ＮＥ２８。左右，最大主应力在水平方向上　１工程概况　南水北调西线一期工程位于青藏高原东部边缘地带，从雅　砻江及其支流、大渡河支流建坝蓄水，通过长距离输水隧洞将　水直接引入黄河上游干流，设计年引水量８０亿ｍ　。引水线路　沿洞轴线的变化范围为１０—３０　ＭＰａ，在两河分水岭以南为１５—　２７　ＭＰａ，最高为３４　ＭＰａ；在分水岭以北洞段为２０—３４　ＭＰａ，最　高为４０　ＭＰａ，说明杜柯河流域地应力比泥曲河流域的大。杜柯　河一玛柯河段最大主应力方向为ＮＥ６０。左右，最大主应力在水　总长３２５．３　ｋｍ，其中隧洞总长３２０．９　ｋｍ，受沿线河流和冲沟切　割，隧洞分为９个自然段，自然分段最长为７２．３　ｋｍ；隧洞埋深　一般　一７００　ｍ，最大达１　１５０　ｍ。隧洞施工拟以ＴＢＭ为　主，辅以钻爆法开挖方案。　平方向上沿隧洞的分布变化较大，在线路上的则曲阿斯玛沟处　为１６　ＭＰａ，一般为２５—３０　ＭＰａ。玛柯河一阿柯河段最大主应　力方向为ＮＥ６５。左右，最大主应力在水平方向上沿洞轴线分布　有一定的规律，在分水岭以南的玛柯河流域地应力高于分水岭　以北的克曲河流域，前者一般为３０—３９　ＭＰａ，后者一般为　收稿日期：２００７—１０－３０　依据《水利水电工程地质勘察规范》（ＧＢ５０２８１－－－９９）中的　Ｔ系统围岩分类方法和Ｂｉｅｎｉａｗｓｋｉ的岩体质量指标（ＲＭＲ）分　类方法，南水北调西线一期工程引水隧洞Ⅱ类围岩约占２５％，　Ⅲ类围岩约占６４％，ＩＶ—Ｖ类围岩约占１１％　Ｊ。　２工程区地应力场特征　２．１初始地应力场的现场实测结果　在引水线路区采用水压致裂法对１１个钻孔进行了地应力　作者简介：石守亮（１９７１一），男，河南封丘人，高级工程师，主　要从事工程地质方面的研究工作。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｉｓｈｌ＠ｙｒｅｃ．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　石守亮：深埋特长引水隧洞岩爆预测综合研究　・７３・　１８～２８　ＭＰａ，反映出地形和构造作用对应力场的分布有较大影　响。克曲河～黄河段最大主应力方向为ＮＥ６０。左右，最大主应　０．３＜（　＋　ｌ　）／Ｒ　≤０．５，　有岩爆可能；０．５　＜　（　。＋　ｌ　）／Ｒ　≤０．８，肯定发生岩爆；（　＋　Ｌ）／Ｒ　＞０　８，有　严重岩爆。　表１　高初始应力地区岩体在开挖过程中出现的主要现象　力在水平方向上沿洞轴线分布比较紊乱，明显与地形有关。克　曲河～若果郎段地应力变化较大，最大为３０　ＭＰａ，最小为６　ＭＰａ；而若果郎一黄河段地应力值较稳定，多为１０～１８　ＭＰａ。　３岩爆的综合分析及预测　３．１岩爆发生条件　岩爆是岩体巾弹性（应变）能或变形能的突然释放过程，从　能量的来源、储存、释放方面分析，岩爆发生的条件主要有岩性　条件、初始地应力条件及外来诱发因素等。　（１）岩性条件。大量岩爆记录资料显示，岩爆几乎都发生　在新鲜完整、质地坚硬、强度高、干燥无水的弹脆性岩体中，而　结构面发育、变形大、强度低、富水的岩体不易发生岩爆。发生　岩爆的岩石，一般应满足单轴抗压强度Ｒ　＞８０　ＭＰａ（至少Ｒ　＞　６０　ＭＰａ）Ｅ２　Ｊ；岩石达到峰值强度前的总变形与永久变形之比越　Ｈｏｅｋ岩爆判据为：　／Ｒ　＝０．３４，少量片帮；　／Ｒ　＝　０．４２，严重片帮；　／Ｒ　＝０．５６，需重型支护；　／Ｒ。＝０．７０，有　严重岩爆。　大，脆性越高，岩爆越强烈。对于高弹性岩石，外力作用能转化　为弹性应变能积聚起来，因此岩石的弹性能量指数越高，发生　岩爆的可能性越大。在具有软硬相间岩层组合关系的地层中，　由于能量被软弱岩层的永久变形消耗而不易储存下来，因此不　会或较少产生岩爆。围岩类别和岩爆有直接关系，一般来讲，　围岩类别越低（如Ⅱ、Ⅲ类围岩），岩体越完整致密，岩体结构多　呈块、层状，越易发生岩爆；相反，高类别围岩往往是应力释放　地段，发生岩爆的可能性较小　Ｊ。　（２）初始应力条件。岩体中的能量来源及大小取决于岩体　初始应力的大小。岩爆通常发生在高地应力区，特别是在三向　应力不等的高地应力区。一般认为，岩体中最大主应力达到Ｒ　的１５％以上为高地应力　。地下工程实践中，通常将硬质岩　体内大于２０　ＭＰａ的初始应力称为高地应力…。　（３）外来诱发因素。岩性条件和初始应力条件是岩爆形成　的必要条件。只有在具备这两个条件的岩体中开挖洞室形成　临空面，使洞壁附近岩体由原来的三向应力状态转变为二向应　力状态，且局部应力高度集中，洞壁附近集中的最大切向应力　达到岩爆发生的临界应力，才会发生岩爆　。爆破及围岩局部　破裂等造成的弹性波振荡也有可能诱发岩爆　Ｊ。因此，外来诱　隧洞截面应力的计算方法如下：轴向应力　．．＝（　ｈ＋　＝　）／２一（　Ｈ一　ｈ）／（２ｃｏｓ　２　）；横截面最大切向应力　（　Ｈ＋０ｒｈ）／２＋（　Ｈ一０ｒｈ）／（２ｃｏｓ　２仪）；横截面最大初始应力　…＝３　。一　。其中：　为最大水平主应力，　为最小水平主　应力，　为最大水平主应力与隧洞主要延伸方向的夹角，　为　自重应力。　３．３岩爆综合预测　对于围岩为板岩岩组、板岩夹砂岩岩组的洞段，由于板岩　的Ｒ　一般小于６０　ＭＰａ，且板岩岩体塑性变形相对较大，不易导　致应力集中，因此不易发生岩爆。对于围岩为砂板岩互层岩组　的洞段。由于能量被较软弱的板岩岩层永久变形消耗。因此不　会或较少产生岩爆。对于Ⅳ类围岩及以碎裂岩岩组为主的Ｖ　类围岩洞段，往往是应力释放地段，发生岩爆的可能性也较小。　围岩为岩浆岩组、砂岩岩组和砂岩夹板岩岩组且围岩类别　为Ⅱ、Ⅲ类的隧洞洞段，具备发生岩爆的条件，因此依据前述４　种判据分别进行了定性或定量的综合评价。在对岩爆进行预　测的过程中，各洞段的最大、最小水平主应力和垂直应力均采　用有限元分析结果。考虑到工程区岩浆岩组分布范围很小，且　试样强度也比砂岩高，从安全角度考虑，岩浆岩的强度指标均　发因素是岩爆发生的触发条件。　此外，地下水的影响也不容忽视，水的存在和作用改变了　取砂岩的强度指标。为便于计算，参照岩石实验结果，砂岩岩　组和砂岩夹板岩岩组的Ｒ　统一按８０　ＭＰａ考虑。各隧洞洞段　岩石的组织结构，使岩石的永久变形增大，脆性指数、强度降　低，弹性模量减小，从而减弱冲击性能。　的岩爆分析结果相近，以具有代表性的泥曲～杜柯河段为例进　行岩爆判别分析。　泥曲～杜柯河段隧洞主要延伸方向统一按４１。考虑，最大　水平主应力方向为ＮＥ２８。，两者夹角为１３。。隧洞不同埋深岩　爆预测应力判别参数见表２，岩爆判别结果见表３。　由表３可见，采用Ｒｕｓｓｅｎｅｓ方法和Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ方法判别　３．２岩爆发生的判据　主要选择了现有的、普遍通用的工程岩体分级标准判据、　Ｒｕｓｓｅｎｅｓ判据、Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ判据、Ｈｏｅｋ判据等。　《工程岩体分级标准》列出了高初始应力地区岩体在开挖　过程中出现的主要现象，并对不同岩体的成洞性进行了定性评　价（见表１）。　Ｒｕｓｓｅｎｅｓ岩爆判据为：　／Ｒ　＜０．２０，无岩爆；０．２０≤　的结果比较接近，而采用工程岩体分级标准判别的结果较严　重，采用Ｈｏｅｋ方法判别的结果相对较轻。　综合各段岩爆判别结果，对于围岩为岩浆岩组、砂岩岩组　和砂岩夹板岩岩组且围岩类别为Ⅱ、Ⅲ类的隧洞洞段，当隧洞　埋深小于３００　ｍ时发生岩爆的可能性较小，埋深为３００～６００　ｍ　／Ｒ　＜０．３０，弱岩爆；０．３０≤　／Ｒ　：＜０．５５，中岩爆；　／Ｒ　≥　０．５５，强岩爆。　Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ岩爆判据为：（　＋　Ｉ　）／Ｒ　≤０．３，无岩爆；　维普资讯 http://www.cqvip.com ・７４・　人民黄河　２００８年　时可能发生岩爆，埋深为６００—１　０００　ｍ时有岩爆发生，埋深大　于１　０００　ｍ时有严重岩爆发生。由于隧洞围岩多为层状的砂岩　和板岩，裂隙较发育，普遍存在裂隙水…，因此其实际发生岩爆　４结语　的强度可能较蓊述判别的结果弱。　表２泥曲一杜柯河段隧洞岩爆预测应力判别参数　对于南水北调西线一期工程的深埋特长弓Ｉ水隧洞，开挖前　进行岩爆预测研究是十分必要的。岩爆预测问题极为复杂，影　响岩爆发生的因素很多，为了工程的顺利建设，在隧洞开挖施　工过程中应加强监测和开展超前预报工作，并结合工程建设开　展岩爆防治措施的研究工作。　参考文献：　徐林生．地下工程岩爆发生条件研究［Ｊ］．重庆交通学院　学报，２００５，２４（３）：３１—３４．　王学潮，陈书涛，张辉，等．南水北调西线工程地质条件　研究［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２００５．　徐则民，黄润秋，范柱国，等．长大隧道岩爆灾害研究进展　［Ｊ］．自然灾害学报，２００４，１３（２）：１６—２４．　Ｉ＝　］　ｉ　吕庆，孙红月，尚岳全，等．深埋特长公路隧道岩爆预测综　合研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１６）：２９８２—　２９８８．　］　］　］　］　衰３泥曲一杜柯河段隧洞岩爆判别结果　刘振红，王学潮，王泉伟，等．南水北调西线工程隧洞围岩　分类和变形分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４　（２０）：３６２５—３６３０．　中国科学院武汉岩土力学研究所．南水北调西线一期工　程前期工作项目引水坝址及输水线路地应力试验研究报　告（Ⅲ）［Ｒ］．武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，　２００５．　王学潮，杨维九，刘丰收．南水北调西线一期工程地质和　岩石力学问题［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，４（２０）：２　３６０３—３６１３．　谷明成，何发亮，陈成宗．秦岭隧道岩爆的研究［Ｊ］．岩石　力学与工程学报，２００２，２１（９）：１３２４—１３２９．　【责任编辑张华岩】　（上接第７１页）　ｌａｙｅｒ－Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　参考文献：　Ｄａｉｌｙ　Ｔ　Ｗ，Ｊｏｈｎｓｏｎ　Ｖ　Ｅ．Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　Ｅｆ－　［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９８５（５）：６３—９０．　［５］　章梓雄，董其南．黏性流体力学［Ｍ］．北京：清华大学出版　社．１９９８．　ｆｅｃｔｉｏｎ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｇａｓ　Ｎｕｃｌｅｉ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ　ＡＳＭＥ，１９５６，７８：１６９５—１７０６．　［６］　倪汉根，陈霞．平面旋涡水力特性探讨［Ｊ］．水利学报，　１９９８，２９（１１）：５０—５６．　［２］　Ａｒｎｄｔ　Ｒ　Ｅ　Ａ，Ｉｐｐｅｎ　Ａ　Ｔ．Ｒｏｕｇｈ　ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　［７］　Ｒ　Ｔ柯乃普，Ｊ　ｗ戴利，Ｆ　Ｇ哈密脱．空化与空蚀［Ｍ］．北　京：水利出版社，１９８１．　Ｉｎｃｅｐｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｔ　Ｂａｓｉｃ　Ｅｎｇ，１９６８，９０（２）：２４９—２６１．　［３］　倪汉根，陈霞．凹槽中的旋涡及初生空化数的估算［Ｊ］．水　利学报，２０００，３１（２）：１６—２１．　Ｊ　Ｐ．Ｍｉｃｈｅｌ　Ｊ　Ｃ．Ａｔｔａｃｈｅｄ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　［４］　Ｆｒａｎｃ　【责任编辑张华岩】