马坑山公路隧道岩爆预测研究

第３期　福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｕｊｉａｎ　１８５　马坑山公路隧道岩爆预测研究　李轶恩　（福建省闽东工程勘察院，宁德，３５２１００）　摘要岩爆是高地应力条件下地下洞室开挖过程中经常遇到的一种动力失稳的地质灾害，　直接威胁施工人员和设备的安全。论述了岩爆的定义、特征及发生机理，应用国内外相关岩爆　判据判定和理论分析，提出对马坑山隧道开挖过程中是否会产生岩爆做出了最终判定。　关键词　地应力　公路隧道岩爆预测　马坑山　岩爆是高地应力条件下地下洞室开挖过程中，因开挖卸荷引起洞室周边围岩产生应力分　异作用，储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放，且产生爆裂松脱、剥离、弹射甚至抛　掷性等破坏现象的一种动力失稳的地质灾害。自１７３８年在英国锡矿坑道中首次发现岩爆以　来，已成为地下工程界普遍关注的一种地质灾害。　福建省永安至武平高速公路Ａ５合同段马坑山隧道，位于福建省连城县姑田镇２６０。方　位，直距约５　ｋｍ。为左右线设置，隧道总体走向约２７２。。左线桩号ＺＫ５７＋６９０～ＺＫ６２＋　４００，隧道长约４　７１０　ｍ，最大埋深５２５．０　ｍ；右线桩号ＹＫ５７＋６４５～ＹＫ６２＋３７５，隧道长　约４　７３０　ｍ，最大埋深５２６．０　ｍ。左线进口洞门为削竹式，出口洞门为端墙式；右线进口洞　门为端墙式，出口洞门为削竹式。　１工程地质条件　马坑山隧道属侵蚀剥蚀中低山地貌，区域构造主要以断裂构造为主，表现为北东向、北　北西向和北西向３组不同方向的断裂。经浅层地震勘探、高密度电法勘探及钻探显示为节理　裂隙密集带，分布在隧道的进出口洞段，隧洞顶板埋深不超过２００　ｍ。隧道区属闽西南坳陷　带东部的广平一龙岩坳陷带，未见影响场地稳定性的活动性断裂，岩石整体相对稳定。隧道　区上部为第四系残坡积亚粘土，厚度小；出露基岩为燕山早期侵入的中粗粒花岗岩，属硬质　岩。隧道洞身围岩级别为Ⅱ级，里程桩号左线ＺＫ５９＋５６１～ＺＫ６１＋３２６、右线ＹＫ５９＋５７５～　ＹＫ６１＋４１Ｏ，岩性为微风化花岗岩，岩体较完整，隧洞顶板埋深大于２００　ｒｎ。洞身段未见构　造异常，地下水条件不发育。其余洞段围岩级别为Ⅲ～Ⅳ级，构造破碎带围岩级别为Ｖ级，　岩性为弱一微风化花岗岩，岩体呈较完整一破碎。　由于隧道长度大，洞身段埋深大，在复杂的地应力场环境和岩体结构条件下，隧道开挖　引起局部应力集中＿１］，可能产生灾害性问题，如发生较强烈的岩爆等。因此，开展马坑山隧　收稿日期：２００７—０４—２８　作者简介：李轶恩（１９７７一），男，工程师，水文地质与工程地质专业。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１８６　福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｕｊｉａｎ　第２６卷　道岩爆预测研究，对隧道的安全施工有着重要现实意义。　２构造应力及岩石参数　根据马坑山隧道水压致裂原位地应力测试资料　］，ＺＫ１８４孔处隧道埋深２５０　ｍ，分析采　用２４１．０２　ｍ的最大水平主应力（　）为１４．１３　ＭＰａ，方向北西２８４。，最小水平主应力（　）　为８．７２　ＭＰａ，垂直应力（　）为６．３９　ＭＰａ。根据马坑山隧道岩石试验报告结果，得出岩石　物理力学性质参数（表１）。　表１岩石物理力学性质参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋｓ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　重度（ｋＮ／ｍ０）　弹性模量（ＧＰａ）　泊松比　饱和抗压强度（ＭＰａ）　饱和抗拉强度（ＭＰａ）　２６．５　２８．４　Ｏ．２７　５１．８　４．４　３岩爆预测判据ｌ＿３］　根据岩爆的发生机理和国内外预测方法的研究，此次岩爆预测选择了具有代表性的４种　判据为Ｒｕｓｓｅｎｅｓ判据、Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ判据、Ｈｏｅｋ判据和临界深度判据。　３．１　Ｒｕｓｓｅｎｅｓ判据　Ｊ　挪威的Ｒｕｓｓｅｎｅｓ在１９７４年提出了岩爆烈度分级方案，并根据洞壁最大切向应力　（　）与岩样点荷载强度（Ｊ　）值的关系，建立岩爆烈度关系图。将岩样点荷载强度（Ｊ　）　换算成岩石单轴抗压强度（．Ｒ。），并根据Ｒｕｓｓｅｎｅｓ图可得：　Ｏ＇０ｍａｘ／Ｒ　＜Ｏ．２０　无岩爆０．３０≤　０ｍａｘ／Ｒ　＜Ｏ．５５　中岩爆　０．２０≤　０ｍａｘ／Ｒ　＜Ｏ．３０　弱岩爆０．５５≤　０ｍａｘ／Ｒ　强岩爆　３．２　Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ判据ｌ＿５　前苏联Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ根据科拉半岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆活动性由洞室　切向应力（　）和轴向应力（　）的和与岩石单轴饱和抗压强度（．Ｒ　）之比值确定：　（　。＋　）／Ｒ　≤Ｏ．３　无岩爆０．５＜（　＋　）／Ｒ　≤０．８一定会发生岩爆　０．３＜（　。＋　）／Ｒ。≤０．５　有岩爆可能０．８＜（　＋　）／Ｒ　有严重岩爆　３．３　Ｈｏｅｋ判据　Ｈｏｅｋ等总结了南非采矿巷道围岩破坏的观测结果，提出了对岩爆分级判别式：　Ｏ＂０／Ｒ　一０．３４　少量片帮　Ｏ＂０／Ｒ　一０．５６　需重型支护　Ｏ＂０／Ｒ　一０．４２　严重片帮　Ｏ＂０／Ｒ。一０．７０　有严重岩爆　３．４临界深度判据　我国侯发亮教授在１９８９年提出岩爆深度判据。这一方法认为岩爆虽然多发生在水平构　造应力较大的地区，但如果洞室埋深较大，即使没有构造应力，由于上覆岩体效应，洞室也　可能会发生岩爆。侯发亮教授根据弹性力学推导出仅考虑上覆岩体自重情况下岩爆发生最小　埋深（岩爆临界深度）的计算公式：　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　李轶恩：马坑山公路隧道岩爆预测研究　１８７　Ｈ。　一０．３１８　Ｒ。（１一　）／（３—４ｖ）ｒ　式中：　为岩石泊松比；ｒ为岩石重度，Ｎ／ｍ。。　４隧洞截面应力计算　由于实测地应力方向往往与隧道洞轴不呈正交，可根据测试最大、最小水平主应力值及　其方向，按下列公式计算隧道横截面最大切向应力、轴向应力与横截面最大初始应力：　盯Ｈｌ一　Ｌ．（盯Ｈ＋盯ｈ）＋　Ｌ．（盯Ｈ　ＥＯ－ｈ）ＣＯＳ　旺　厶　厶　０＂ｈ　一盯Ｈｓｉｎ　旺＋盯ｈＣＯＳ　旺　口。一３口ｌＨＥ０－　０＂Ｌ：　０＂ｈ　０＂ｍａｘ—ｍａｘ｛　，０＂Ｈ｝　式中：　轴向应力；　为最大水平主应力；ｃｒｈ为最小水平主应力；　ＩＨ为垂直于隧道轴线的水平应力；　为横截面最大初始应力。　为平行于隧道轴线的水平应力；ａ为　．Ｈ与　ｎ之间夹角；　。为横截面最大切向应力；　为　取隧道轴线方向为ＺＫ１８４孑Ｌ底部隧道对应方向北东８２。，与主应力场呈大角度相交。经　计算得出隧道横截面最大切向应力为２１．９３　ＭＰａ，轴向应力为１３．３７　ＭＰａ，与横截面最大初　始应力为９．４８　ＭＰａ。　５岩爆预测结果　运用上述不同应力判据对该区域围岩进行岩爆分析判断（表２）。　表２岩爆预测结果　Ｔａｂｌｅ　２　Ｐｒｅ－ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａ　ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　Ｒｕｓｓｅｎｅｓ判据　０．３０≤０．４２＜０．５５　Ｔｕｒｃｈａｎｉｎｏｖ判据　０．５＜０．６８≤０．８　Ｈｏｅｋ判据　Ｏ．４２　临界深度判据　２３６ｍ　中等岩爆　一定会发生岩爆　严重片帮　结果表明，由于马坑山隧道埋深大，岩性坚硬，有一定发生岩爆的可能性。但由于岩爆　分析的理论判据和实际应用都还有待于进一步的验证，且各种岩爆判据还与具体的地质构造　条件、水文地质条件与开挖方式有关　］。所以实际施工过程中，应当加强施工监测工作，运　用地质超前预报方法　和现场测试，如声发射法，结合理论判据的判断结果，更准确地预报　岩爆的可能性及强烈程度，并结合工程建设开展岩爆防治措施的研究工作。　６结论与建议　（１）根据岩爆预测判据综合预测，马坑山隧道有一定发生岩爆的可能性。　（２）建议施工单位在岩爆地段采用钻爆法施工时，应短进尺掘进，减少药量和减少爆破　频率，提高光面爆破效果，降低对围岩的干扰，以减少围岩表层应力集中现象。　维普资讯 http://www.cqvip.com １　２　３　４　５　６　７　８　１８８　福建地质Ｇｅｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｆｕｊｉａｎ　第２６卷　（３）在掌子面和洞壁要经常喷撒水，必要时打超前应力释放孔，形成局部应力释放区，　从而有效地降低工程掘进过程中岩爆的发生。　（４）对发生岩爆或可能发生岩爆的地段及时对围岩进行有效的支护，可视岩爆强弱程　度，采用不同的加固措施，如喷射混凝土加固、钢筋网喷混凝土加固、周边锚杆加固或超前　支护等。　（５）开展岩爆预报，减少岩爆产生的危害，并结合工程建设开展岩爆防治措施的研究工　作。　参　考　文　献　谷明成，何发亮，陈成宗等．秦岭隧道岩爆的研究．岩石力学与工程学报，２００２，２１（９）　曾纪全，雷承第等．广一渝高速公路华莹山隧道围岩地应力测试与岩爆研究．岩石力学与工程学报，２００２，２１（１１）　侯发亮，刘小明，王敏强．岩爆成因分析及烈度划分探讨．见：第三届全国岩石力学学术会议论文集．武汉：武汉测　绘科技大学出版社，１９９２　陶振宇．高地应力区的岩爆及其判别．人民长江，１９８７，５　姜繁智，向晓东，朱东升等．国内外岩爆预测的研究现状与发展趋势．工业安全与环保，２００３，２９（８）　侯发亮等．圆形隧道中岩爆的判据及防治措施．岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，１９８９　徐林生，唐伯明，慕长春等．岩爆发生条件研究．公路交通技术，２００３，４　徐林生，王兰生等．二郎山公路隧道岩爆发生规律与岩爆预测研究．岩土工程学报，１９９９，２１（５）　Ｏｎ　Ｒｏｃｋ　Ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍａｋｅｎｇｓｈａｎ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉ　Ｙｉｅｎ　（Ｓｏｕｔｈｅａｓｔｅｒｎ　Ｆｕｊｉａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，Ｎｉｎｇｄｅ，３５２１００）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ｉｓ　ａ　ｓｏｒｔ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃ　ｈａｚａｒｄ　ａｒｏｕｓｅｄ　ｂｙ　ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｆｔｅｎ　ｉｓ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃａｖｉｔｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｌａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｈｒｅａｔｅｎｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｂｕｉｌｄｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｉｔｅ．　Ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｅｎｓ。ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ａｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｉｔ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｈｅｒｅｉｎ　ａｎ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｊｕｄｇｅｍｅｎｔ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｏｒ　ｎｏｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍａｋｅｎｇｓｈａｎ　ｔｕｎｎｅ１．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｇｅｏｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｓｓ，ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ，ｒｏｃｋ　ｏｕｔｂｕｒｓｔ，ｐｒｏｇｎｏｓｅｓ，Ｍａｋｅｎｇｓｈａｎ　Ｈ…