深埋隧道工程地质分析

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1、深埋隧道工程地质黄润秋深埋隧道岩爆机理及其控制广义岩爆作为一种多出现在完整硬岩中的隧道施工地质灾害，包括围岩的动力破坏（dynamicfailure）－狭义岩爆（rockburst）和静力破坏（staticfailure）－片剥（spallorslab）两种基本形式。自18世纪30年代末英国锡矿岩爆被首次报道以来，世界范围内已有前西德、南非、中国、前苏联、波兰、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、美国、意大利、瑞典及挪威等数十个国家和地区记录有岩爆问题，其中以隧道工程及深井采矿业相对发达的瑞典、挪威、瑞

2、士、奥地利及南非等国家的岩爆记录最多。近20多年来，我国天生桥水电站引水隧洞、岷江太平驿电站引水隧洞、锦屏水电站勘探平硐、二滩水电站引水隧洞、西康铁路秦岭特长隧道Ⅱ线平导及川藏公路二郎山隧道等一大批长大隧道工程相继发生突发性严重岩爆，致使隧道施工防不胜防，并造成损机伤人的严重事故。岩爆灾害不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、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，并受到世界各国相关学者的广泛关注。经过长期努力，岩爆研

3、究领域已经取得一系列重要成果，但到目前为止，岩爆机制研究尚未取得重大突破，也就是说，还没能对不同工程中出现的各类岩爆现象给出全面、合理的理论解释。东口西口桐麻岭背斜毛坝向斜冷水河1500m1000mP22T1P22P21P1P1S+DS+DOOε11km图2渝怀铁路圆梁山特长隧道概化剖面图也正是由于机制研究的滞后，影响了以此为基础的超前预报和控制技术的发展。岩爆研究大致可以分为实录（casehistories）、发生机制（mechanisms）、超前预报及控制技术（predictingandcont

4、rolling）四大领域，其中，建立在工程实录基础上的机制研究是所有研究工作的核心，也是超前预报及控制技术发展的基础。图3秦岭隧道几次严重岩爆的位置与掌子面的关系（原始资料引自文献［17］）150.0~157.5两炮次曾有轻微岩爆，157.5~161.5爆破后，150.0前后发生严重岩爆。此后，岩爆段随着掌子同步向前推进，但始终落后于掌子面一定距离，一直到165.0。53.0掌子面爆破后，502.0~512.0之间发生岩爆814.5掌子面爆破后，807.0处发生严重岩爆，此后，岩爆段落后于掌子面一定

5、距离与其同步向前推进，一直到818.0。DYK64+502.0DYK64+512.0DYK64+53.0DYK64+814.5DYK64+807.0DYK65+150.0DYK65+157.5DYK65+161.5图3秦岭隧道几次严重岩爆的位置与掌子面的关系（原始资料引自文献［17］）岩爆实录包括围岩类型及物理力学行为、地应力场、地下空间特征、开挖过程（开挖顺序、循环进尺、爆破参数等）、岩爆坑及岩爆碎片的形态、几何尺寸、岩爆事件的时－空分布、岩爆部位对应的地貌形态及岩爆分类与分级等，许多学者和工程技

6、术人员在该领域进行了卓有成效的工作，记录了大量珍贵的第一手资料（图3），特别是若干重大工程的岩爆实录资料[8~17]。“岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近岩体强度是岩爆产生的内因；某些附加荷载的触发是其产生的外因”[18,19]应该是迄今为止对岩爆机理给出的最为清晰的概括。该机理的另一种说法应该是，处于高地应力环境中的结构完整的硬脆性围岩，在隧道开挖后，切应力（）达到或接近围岩的单轴抗压强度（UCS），在其它因素的诱发下，围岩便以岩爆的形式失稳，这可以被总结为岩爆形成机制的

7、静荷载（静力学）理论，它也是广泛采用的岩爆预测判据—的理论依据。岩爆机理的试验研究方面，文献［20、21］以西安-安康铁路秦岭特长隧道、天生桥水电站特长引水隧洞及二郎山公路隧道等工程为依托，利用三轴试验机研究了混合花岗岩、灰岩及厚层砂岩在卸荷条件的变形与破坏行为，以说明岩爆发生机理。试验结果表明，围压较低时，围岩以张性或张剪复合型破坏为主；围压较高时则以剪切破坏为主，并据此提出，地下硐室开挖过程中，硐室周边围岩的侧压被卸除，应力发生重分布，当调整后的应力状态达到岩体极限状态时，围岩便以岩爆的形式破坏

8、。文献［22］认为，隧道开挖后，开挖轮廓面附近径向应力（）降低导致切应力（）增大的同时，轴向应力（）也会按一定比例增大；所进行的真三轴试验结果表明，时，岩石表现为片状劈裂和剪胀的混合型破坏；时以片状劈裂为主；时呈现片状劈裂和剪切错动复合型破坏。岩爆的微观破裂机制方面，文献［8］利用SEM对天生桥引水隧洞灰岩岩爆碎片进行观察研究后提出，岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体，由于开挖，使得地应力分异、围岩应力跃升及能量进一步集中，最终产生张－剪脆性破坏的结果；杨淑碧