隧道施工中的岩爆及时预测金志仁;徐文胜;范海波;王元汉【摘要】岩爆是高地应力条件下隧道及地下洞室开挖中围岩因卸荷而发生的岩片爆裂松脱、剥落、弹射的地质灾害.本文研究了岩爆形成机制和岩爆的主要影响因素,指出岩爆的发生主要与岩石性质、地质条件和应力状况有关.为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆,其中重要工作是及时测量地应力的大小和岩石抗压强度.针对高地应力条件下隧道及地下洞室施工过程中,经常发生岩爆的地质灾害,需要进行及时的预测预报,预报要求快捷、简便、实用.其中岩石抗压强度采用点荷载强度仪容易进行确定,主要困难是如何及时进行地应力测量.本文改进了门塞式应力恢复法,推导了切向应力的计算公式,确定了公式中的等效应力系数.将该方法应用于大广南高速公路鄂赣隧道施工过程中的岩爆预测预报,预测结果与实际情况符合较好,有效地指导了岩爆的防治,并减少了相应的损失.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2011(028)002【总页数】5页(P39-43)【关键词】岩爆;预报;隧道施工;门塞式应力恢复法;地应力;抗压强度【作者】金志仁;徐文胜;范海波;王元汉【作者单位】湖南城市学院土木工程学院,湖南益阳 413000;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉 430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】O38;O241;TU45岩爆是高地应力条件下隧道及地下洞室开挖中围岩因卸荷而发生的岩片爆裂松脱、剥落、弹射的地质灾害。
在国内外许多地下矿山工程、地下水电工程、铁路、公路隧道中均有报道［1，2］。
岩爆的发生直接威胁到施工过程，需要进行及时预测预报。
岩爆研究在理论分析、实验研究、数值计算和现场测试等方面进行了许多工作，从强度理论、刚度理论、能量理论、岩爆倾向理论等提出了多种岩爆判据和分级方法［3～8］。
其中困难的问题是实际工程中的预测预报。
岩爆的预测预报分为长期趋势预报和短期预报。
长期预报对工程设计阶段有指导意义，给出的是一个岩爆是否存在和级别大小的宏观认识。
短期预报对工程施工阶段有现实意义。
例如，一个长隧道开挖过程中，地应力与岩性等地质条件都在变化，有些地段可能有岩爆，而有些地段可能没有。
如何快捷、简便、经济地进行岩爆的即时预测预报，是一个迫切和重要的任务。
本文进一步研究了改进的门塞式应力恢复法，基于弹性力学原理推导了洞周切向应力σθ的计算公式，确定了其中的应力等效系数α。
采用Russense岩爆判据，结合大广南高速公路鄂赣隧道施工实际，有效进行了岩爆预测预报。
1 岩爆形成机制地下岩体承受自重应力和水平应力而保持平衡，地下洞室开挖是围岩的一个卸荷过程，引起洞壁附近岩体的径向应力σr的降低和切向应力σθ的增加。
由洞室最大切向应力σθmax和岩石单轴抗压强度Rc之比，提出的岩爆强度理论的概念简明清晰，可以应用于工程实际。
用σθmax/Rc表示的不同的岩爆强度理论判别准则和烈度划分见表1。
由表1可见，用σθmax/Rc表示的岩爆判据大体相同，仅在烈度划分上有区别。
为工程应用方便起见，我们采用Russense判据。
在采用岩爆判据时，首先要确定岩爆的两个主要影响因素σθ和Rc。
2 岩爆的主要影响因素2．1 岩石抗压强度岩石抗压强度是反映岩石性质的一个重要指标。
通常用岩石标准试件在材料试验机上进行单轴压缩确定。
在施工现场，可直接选用现场岩块，采用点荷载仪测定岩石点荷载强度，再用下式计算岩石抗压强度 Rc［9］。
式中，Is(50)=Is·kd·kDd。
其中，Is=P/D2，kd和kDd分别为尺寸效应和形状效应修正系数。
表1 用σθmax/Rc表示的不同岩爆强度理论判别准则和烈度划分准则判据烈度分级无轻中严重Russense［2，3］σθmax/Rc ＜0．2 0．2 ～0．3 0．3 ～0．55 ＞0．55 Hoek［2，5］σθmax/Rc ＜0．34 0．34 ～0．42 0．42 ～0．56 ＞0．7徐林生等［7］σθmax/Rc ＜0．3 0．3 ～0．5 0．5 ～0．7 ＞0．7陶振宇［4］Rc/σθmax ＞14．5 14．5 ～5．5 5．5 ～2．5 ＜2．5 2．2 洞室周边切向应力如图1所示，设含中心圆孔的无限大体受远处垂直荷载qv和水平荷载qh作用。
它可看作仅受垂直荷载qv和仅受水平荷载qh两种情形解的叠加。
由弹性理论［10］，当仅受垂直拉伸荷载qh时，孔周水平轴0°和垂直轴处90°的切向应力分别为最大切向应力和最小切向应力:当仅受水平拉伸荷载qh时，孔周水平轴和垂直轴处的切向应力分别为最小切应力和最大切应力:)对于双向荷载情形，由式(2)、(3)叠加得:)如果 qv＞qh，则σθ(0°)为最大切向应力，如 qv＜qh，则σθ(90°)为最大切向应力。
图1 受拉伸的含中心圆孔板2．3 地应力由2．2节可知，孔边周向应力的计算取决于应力场，对于地下洞室结构的计算，要先确定地应力的大小。
产生地应力的原因十分复杂，其形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括:板块边界受压，地幔热对流，地球内应力，地心引力，地球旋转，岩浆侵入，地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均，水压梯度，地表剥蚀或者其他物理化学变化等也会引起相应的应力场［11］。
其中，重力应力场和构造应力场为其主要组成部分。
地壳中任意一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即其中γ为上覆岩层的容重;H为深度。
重力应力为垂直方向应力，它一般并不完全等于自重应力。
板块移动，岩浆侵入，非均匀扩容，温度不均，水压梯度均引起垂直方向应力变化。
而水平方向的应力计算有不同的理论模型。
静水压力假设认为地应力是一种静水应力状态，即弹性力学理论认为地壳中任意一点的侧向应力是泊松效应的结果，即其中υ为上覆岩层的泊松比。
按照静水压力假设，水平方向的应力和垂直方向应力的比为1;按照弹性力学理论，当υ为0～0．5时，水平方向的应力和垂直方向应力的比为0～1．0之间。
实际上，地壳中水平方向的应力和垂直方向应力的比非常分散，并且水平方向的应力普遍大于垂直方向应力。
由以上分析可见，地应力受多种因素的影响，形成了地应力状态的复杂性和多变性。
不同工程区域及不同工程地点的地应力状态不同。
地应力的大小和方向不可能通过数学计算或者模型分析来得到，唯一的方法是进行地应力测量。
3 地应力测量的应力恢复法现场地应力测量方法很多，包括直接测量法和间接测量法［11］。
其中，直接测量法包括:扁千斤顶法、刚性包体应力计法、水压致裂法等。
间接测量法包括:套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法、地球物理探测法等。
这些方法通常费用较高，周期较长，难于应用于隧道施工中岩爆的即时预测预报。
按照Russense岩爆判据和以上分析，问题归结于洞室围岩的地应力场的确定。
参照文献［1］方法(图2)，采用应力恢复法进行，具体步骤为:(1)在洞壁测试点安装应变花，测量其初始应变值。
(2)钻孔解除应力，取下岩芯。
用点荷载仪对岩芯进行加载，令竖直向应变恢复到初始应变，记录荷载Pv，再将岩体转动90°，用点荷载仪加载使其水平方向恢复到初始应变值，记录Ph。
图2 改进型门塞式应力恢复法示意(3)应变恢复中，作用在岩芯上的应力分别为:式中，L为点荷载仪垫片弦长，H为岩芯试样长度。
(4)将应变恢复法得到的qh和qv作为含圆孔岩体的垂直和水平地应力，并令它们的比值为:)当λ≤1时，由公式(3)，(4)，(8)，可得最大切向应力为:定义应力等效系数为:则式(10)可写为:如果，λ≥1，由式(3)，(4)，(8)，可得最大切向应力为:这时定义应力等效系数为:则式(13)也可写为式(12)的形式:把以上两种情况写为统一的形式，应力等效系数为:则最大切向应力为:在文献［1］中，给出了与式(17)类似的公式来计算二次应力，其中的应力等效系数α由实验确定，而本文从弹性力学理论出发，推导出洞周切向应力公式(17)，具有理论基础与物理意义。
同时，α取值随水平和垂直地应力比值的不同而不同。
按照目前世界范围内地应力实测的结果［12］，λ 的值一般为0．5 ～5．0，大多数在 0．8 ～1．5，这时α的值如图3所示。
图3 应力等效系数α随水平和垂直地应力比λ的变化4 鄂赣隧道的岩爆及时预测鄂赣隧道是大广南高速公路的关键工程之一。
位于湖北省通山县与江西省武宁县交界处，隧道全长划分为湖北、江西两段，其中，湖北段长3010．19 m，最大埋深为718 m。
隧道穿越的主要岩体为侵入型斑状二长花岗岩岩体，偶有石英岩脉、石英闪长岩脉侵入。
隧址区地质构造受NE-SW向多期活动断裂和横向断裂区域构造线控制。
本地区地应力强度为中等地应力地区，隧道穿越地层均为硬质花岗岩，初步判断施工中有可能发生岩爆，需要及时进行预测预防。
如前所述，在采用岩爆判据时，首先要确定岩爆的两个主要影响因素σθ和Rc。
其中Rc容易由点荷载仪测定。
所以最主要的任务是确定地应力σθ。
为配合施工进行即时岩爆的预测，在每开挖70～80 m时布置一个岩爆测点。
具体步骤如下:(1)在洞壁测试点安装0°、45°、90°组成的应变花，用应变仪测量洞室垂直方向(90°方向)和沿水平方向(0°方向)和45°方向上的初始应变值。
(2)用内径为50 mm的工程钻解除应力，取下长度为50 mm的岩芯。
(3)用点荷载仪配置垫片对岩芯试件加载(图4)。
先令应变花位置与在洞室内初始位置方向相同，加载至竖直方向应变值恢复到应力解除前的应变值，记录此时的点荷载仪读数记为Pv。
再转动90°对岩芯进行加载(原0°方向)，至其恢复到初始应变值Ph(4)选取适当试块，用点荷载仪测定岩石点荷载强度。
图4 用点荷载仪对岩芯试件加载进行应力恢复(5)试验结果整理以2009年4月25日进行的试验为例。
试验地点为左洞ZK264+969，距离洞口为1007 m，埋深为350 m;右洞为 YK265+058，距离洞口为770．5 m，埋深为335 m。
试验结果、计算结果和岩爆预测结果一并列于表2。
表2 岩爆试验结果计算结果和预测结果测试和计算结果左洞ZK264+969右洞YK265+058 z方向应变恢复力Pv(kN)53．9 30．3 x方向应变恢复力Pv(kN) 35．6 25．9水平和垂直地应力比值λ 0．66 0．85应力等效系数α(按式(13)) 2．34 2．15 σθmax(MPa)(按式(14)) 50．45 26．00比值σθmax/Rc 0．30 0．16岩爆预测结果弱岩爆无岩爆将岩爆预测实验结果与实际岩爆发生的统计情况对比，如表3所示。