南水北调西线工程深埋隧洞岩爆分析及预测.pdf

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1、第３７卷第１２期人民黄河Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１２２０１５年１２月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＤｅｃ．，２０１５【工程勘测设计】南水北调西线工程深埋隧洞岩爆分析及预测赵延喜１，刘中宪２，尼３珂（１．南京工程学院建筑工程学院，江苏南京２１１１６７；２．天津城建大学土木工程学院，天津３００３８４；３．中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州５１０６１０）摘要：岩爆是一种典型的地质灾害，如何对岩爆进行预测已成为地下工程领域研究的热点和难点问题。为评价南水北调西线工程深埋隧洞岩爆发生的可能性，提出采用岩性分析、地应力实测

2、及有限元分析相结合的方法进行岩爆预测。在研究中，从工程地质的角度，基于隧道围岩岩性分析、现场地应力实测及地应力场的反演分析，对隧道开挖后应力场进行了有限元数值模拟，综合分析了西线工程隧道初始地应力场沿轴线分布规律以及隧道开挖后不同埋深处岩爆发生的等级。结果表明，该工程岩爆等级大部分为中等岩爆。关键词：岩爆；深埋隧洞；地应力；隧洞开挖中图分类号：ＴＵ４５２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１３７９．２０１５．１２．０２４岩爆是一种典型的地质灾害。一般认为，在高地板岩，呈韵律互层

3、，多为陡角岩层，其中沙岩和板岩一应力作用下围岩开挖卸荷导致岩体发生脆性破坏，这般属中等坚硬－坚硬岩体，部分炭质板岩强度很低。一过程中弹性应变能突然释放且出现岩石爆裂、剥落深埋长隧洞作为南水北调西线工程的主要部分，分为及弹射等现象称为岩爆。岩爆对施工人员、设备的影５段：达曲—泥曲，１３．６ｋｍ；泥曲—杜柯河，７３ｋｍ；杜响巨大，严重威胁工程安全，如何对岩爆进行预测已成柯河—玛柯河，３６．２ｋｍ；玛柯河—阿珂河，１５．５ｋｍ；阿为地下工程领域研究的热点和难点问题［１－６］。对于岩珂河—黄河，５０．４ｋｍ。最

4、长洞段为７３ｋｍ，隧洞直径爆预测，近几十年来研究人员提出了大量的理论或方１２ｍ，最大埋深１１５０ｍ，采用全断面隧道掘进机一次法，归纳起来主要分为两种：一是从机理上进行预测，开挖，隧洞开挖过程中，高地应力问题将给工程带来极如断裂理论、强度失稳理论、能量理论及突变理论等；大风险。二是通过数学方法进行预测，如数值分析方法、模糊综合评判理论、２岩爆的影响因素分析ＢＰ神经网络、粒子群方法、区间理论等［７－１３］。然而目前的岩爆预测方法并不能得到业界岩爆是围岩的岩体强度、岩层产状、围岩应力状的共识，鉴于岩爆问题的复

5、杂性以及具体工程环境的态、变形特性、岩体构造环境、地下工程布置和施工工特殊性，尚无法准确预测出所有的岩爆［１４－１６］。艺等多种因素综合作用的结果。其中最主要的两个因以南水北调西线一期工程泥曲—杜柯河段深埋长素是地层岩性、地应力状态。隧洞为背景，从工程地质的角度，基于地层岩性分析、２．１地层岩性现场地应力实测及地应力场的反演分析，结合隧道开引水隧洞围岩主要为三叠系的沙板岩，部分地段挖后应力场的有限元数值模拟，综合分析了西线工程分布花岗岩、花岗闪长岩；隧洞埋深一般为３００～６００隧道初始地应力场沿轴线分布

6、规律以及隧道全断面开ｍ，最大埋深为１１５０ｍ。挖后围岩应力的分布规律，最后，依据陶振宇岩爆判别沙岩的单轴抗压强度为３５～３１３ＭＰａ，平均１２０准则，对引水隧道全断面开挖后不同埋深岩爆等级进ＭＰａ，饱和单轴抗压强度为３１～２６９ＭＰａ，平均为８２行了分析预测，以期为将来合理制定隧道的开挖支护ＭＰａ，属坚硬岩。板岩的单轴抗压强度为２２～９２ＭＰａ，方案和施工措施提供参考。平均５０ＭＰａ，饱和单轴抗压强度为１２～５２ＭＰａ，平均１工程背景收稿日期：２０１５０７１４南水北调西线一期工程位于青藏高原东南部，海基

7、金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７８３２７）；江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１５０７２６）；南京工程学院校级拔约４０００ｍ，工程所在地区是青藏高原地貌的陡变科研基金资助项目（ＹＫＪ２０１４３０）。带，具有复杂的地形地貌。调水工程区地层岩石以三作者简介：赵延喜（１９８０—），男，河南南阳人，高级工程师，博士，主要从事隧道与地下工程方面的研究工作。叠系分布最广，岩性主要是浅变质薄－中厚层沙岩和Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｘｉ００９＠１６３．ｃｏｍ·９２·人民黄河２０１５年第１２期为２８ＭＰａ，属较软岩

8、－较硬岩。力方向为ＮＥ—ＮＥＥ向（ＮＥ６５°～７５°），方向上基本与从围岩类别来看，西线一期工程引水隧洞Ⅱ、Ⅲ类隧洞轴向大角度相交。根据现场测试，隧洞水平主应围岩合计约占８９％，其他为Ⅳ～Ⅴ类围岩。围岩较完力占主导，应力回归分析结果表明：当埋深达５００ｍ整，具有储存高弹性应变能的条件。因此，该工程可能时，最大主应力为２１．２ＭＰａ，为高地应力；当埋深达到发生岩爆的洞段为岩浆岩、沙岩和沙岩地区，围岩类别１１００ｍ时，最大主应力为３９．２ＭＰａ