地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第1期 VOL.10 No.1 1999



深埋长隧道岩爆的预测预报及防治初探
张　斌　符文熹　任光明　聂德新
　　摘　要　岩爆是深埋长隧道的主要工程地质问题之一，目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制虽提出了许多理论预测方法，但用于生产实际都尚有困难。作者在现场调研和查阅国内外文献资料基础上，对岩爆的预测预报及防治对策进行探讨。
　　关键词　深埋长隧道　岩爆　预测预报　防治
　　中图号　P634.1　U451.1
DISCUSSION ON THE PREDICTION AND CONTROL OF ROCK BURST IN DEEP-LYING LONG TUNNEL
Zhang Bin
(Highway Planning and Design and Survey Institute, Sichuan Province Communications Department, Chengdu　610041)
Fu Wenxi　Ren Gungming　Nie Dexin
　　(Institute of Engineering Geology, Chengdu University of Technology, Chengdu　610059)
　　Abstract　Rock Burst is one of the main engineering geology problems of deep-lying long tunnels. Althongh there are many theoritic predication methods based on rock burst theory and mechanism, it is difficult for them to be applied in projects. On the basis of in-situ investigation and internal and external literatures, the predication and control of rock burst are discussed.
　　Key Words　Deep-lying long tunnel　　Rock burst　　Prediction　　Dealing
　　深埋长隧道以其延伸长、埋藏深、工期长、工程地质问题较多，而成为众多线性工程建设中的控制性工程。长隧道多穿越巨大山岭，跨越海峡、江湖地带，因其山高林密、水面覆盖、交通条件差、岩石露头少，而成为地下洞室中最为隐蔽、最难以评价和预测预报的工程地质问题。虽然如此，但由于长隧道能缩短巨大山岭两侧之间的交通里程，仍已成为高速公路、铁路、交通等工程的重要组成部分。而岩爆作为深埋长隧道的重大工程地质问题之一，也越来越受到人们关注。目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种理论预测方法，在工程应用中尚存在困难。而在生产实践中，对岩爆又常要求一些具体的、切实可行的现场预测预报方法、指标和解决岩爆的防治对策，因此，对此问题的研究，具有重大的实用价值。
1　岩爆的预测预报
　　目前国内外常用的方法有钻屑法、地球物理法、位移测试法、水分法、温度变化法和统计方法等［1～3］。对在实际工程中较为常用的方法阐述如下：
　　(1) 钻屑法或岩芯饼化率法：　这两种方法都是通过围岩钻孔进行。对于强度很高的岩石，在高地应力作用下使岩芯发生饼化，可根据某一厚度以下岩饼数量的相对大小来进行判断。而在钻孔过程中，还可获得诸如爆裂声、摩擦声和卡钻现象等具有辅助判断作用的动力响应信息。
　　(2) 地震波预测法：① 结合超前地质预报工作，利用单道地震仪对掌子面及前方岩体进行监测。如沿水平线每隔1m逐点测试岩石弹性波速度，采用准强度概念，以如下计算公式推测发生岩爆的可能性：

式中，σt为准岩体抗压强度（MPa）；σ0为岩石单轴抗压强度（MPa）；Vpm 为现场岩体纵波速度（m／s）；Vpd为岩体试件纵波速度（m／s）。当准岩体抗压强度σt＞80mPa时，即有可能发生岩爆。② 岩爆是储存在岩体中的应变能突然释放的一种表现形式，故岩爆实际是开挖所诱发的地震，可采用开挖过程中的岩爆地震数据来预测未来开挖过程中发生的岩爆，建立岩爆事故次数、大小、分布与地震转移的场量关系，从而预报大中型岩爆的时空位置及数量大小。
　　(3) 声发射(A—E)法：　声波发射A—E法即Acoustic-Emission方法。此方法源于岩石临近破坏前有声发射这一实验观测结果，它是对岩爆孕育过程最直接的监测方法，也是最直接的预报方法。此方法的基本参数是能率E 和大事件数频度N，它们在一定程度上反映出岩体内部的破裂程度和应力增长速度。岩爆的产生需要积蓄能量，而能量的积蓄就意味着有一个暂时的声发射平静期，因此，A—E活动的暂时平静，是岩爆发生的前兆。由于此方法可望在现场对岩爆进行直接的定量定位预报，是一种具有很大发展前景的直接预报方法。AE量测的有关参数主要有：① AE 事件数：表示山鸣发生频度的指标，实际量测时，以AE 的振幅从超过某一设定的振幅值(界限值)的瞬间，再到界限值以下作为一事件，通常以所测定时间内的累积数，作为AE 事件总数；② 响声下降计数：表示山鸣大小的指标，实际量测时，在一个事件中超过界限值作为振幅数检出，通常也以所测定时间内的累积数，作为响声下降计数；③ AE 最大振幅值：表示山鸣声大小的指标之一，相对于用响声下降计数表示，用数值表示最大振幅值。实际量测时，以所选定的测定时间内的AE最大振幅值用gal的单位检出。
2　岩爆防治对策
　　岩爆的防治方法很多，根据工程进展和不同部位，可采取不同的方法。以下针对设计阶段、施工阶段和支护方式方面分别讨论。
　　(1) 设计阶段的防治对策
　　① 洞轴线的选择：　以前人们认为洞轴线方向的选择，应使轴线方向与最大主应力方向平行，以改善洞室结构的受力条件。实际上，衡量隧道断面受力条件是否合理应取决于两点：一是围岩不产生拉应力；二是隧道周边压应力均匀分布，并使切向压应力最小，不产生过大的应力集中。通过理论分析，可得出如下隧道轴线方向选择关系式：

式中，α为隧道轴线与最大主应力的夹角；σ1为最大水平主应力；σ3为最小水平主应力；σv为垂直主应力；B为隧道宽度；H为隧道高度。
　　当时，则α＝90°；当时，则α＝0°。
　　显然，合理的洞轴线方向与σ1，σ3，σv，B／H 等多种因素有关。在高地应力区选择隧道轴线方向时，可采用上式估算隧道的方向。由于隧道的选线还受地形条件和线路总的方向制约，因此，在选择轴线方向时应多方面比较选择确定，尽量接近α角，以减少高地应力带来的诸多不利因素。
　　② 隧道断面形状选择：　隧洞断面形状一般有圆形、椭圆形、矩形和倒U型等。在高地应力地区，由于水平应力大于垂直应力，有的地区水平应力甚至为垂直应力的3～4倍。研究发现［5］：a. 当断面的宽高比等于侧压系数(λ)时，可使围岩应力场达到最佳受力状态；b. 在断面周边不连续处有较大的应力集中，这些应力集中使围岩产生局部破坏。因此，当0．42＜λ＜2时，现行标准衬砌断面处于压应力场中，虽然从受力条件看，不如椭圆断面好，但可降低工程数量和成本；而当λ＞2时，断面应进行特殊设计。
　　(2) 施工阶段的防治对策
　　① 超前应力解除法：　由于高地应力地区，隧道开挖后易产生超高应力集中。为了有效降低应力集中现象，可采用超前应力解除法，如预切槽法和超前钻孔应力解除法，开挖时可采取分步开挖［6］。这样，就可人为地主动给岩体提供一定的变形空间，使其内部的高应力得到有效降低，从而达到预防岩爆的目的。预切槽的布置方式如图1所示。


　　图1　周边（a）及中间（b）的超前槽缝布置图式(据 J.P.A.Roest等，1989)
　Fig.1　Pre-cutting slot arrangement on the circe and center of tunnel face
　　② 喷水或钻孔注水促进围岩软化：　在隧道易发生岩爆地段，爆破发生后立即向工作面新出露围岩喷水湿润，既可降尘又可缓释围岩应力。因为注水使裂纹尖端能量降低，并使裂纹突然传播的可能性减小；裂纹传播速度的降低，使裂纹周围的势能转为地震能的效率随之降低，从而减少剧烈爆裂的危险性。
　　③ 选择合适的开挖方式：　由于岩爆是高应力集中的结果，因此，可采用钻爆法(钻孔爆破卸载法)使高度集中区的应力得以部分释放或转移。然而由于重复爆破振动，对掌子面前方一定范围内的围岩仍起到一定破坏作用，因此，建议降低起爆用药量，提高光面爆破效果，使开挖面尽可能圆顺一些，避免局部应力集中。
　　④ 减少岩体暴露时间和面积：　在施工中短进尺、多循环作业过程中，应及时支护，以尽量减少岩体暴露时间和面积，可防止或减少岩爆发生。
　　⑤ 岩爆发生时的处理措施：　一旦岩爆发生时，应彻底停机、待避，补充工作面的观察并记录山鸣、岩爆，且不论在工作面、边墙或拱顶，都要进行二三次仔细地检查，并选取合理的支护加固措施。
　　(3) 合理地选择围岩支护加固措施
　　对已开挖的隧道周边，或掌子面前方的围岩进行加固(或超前加固)，可改善掌子面本身及洞室周边1～2倍洞径范围内的应力状况，使周边岩体从单向应力状态变为三向应力状态；同时，采用围岩加固措施还具有防护作用，可防止岩体弹射和塌落。主要的支护加固措施有：① 喷混凝土或钢纤维喷混凝土加固；② 钢筋网喷混凝土加固；③ 周边锚杆加固，可应付突然发生的岩爆，通常摩擦型锚杆能收到很好的效果，锚杆数量视岩爆级别而定；④ 格栅钢架加固；⑤ 必要时可采取超前支护。
3　结　语
　　岩爆是深埋长隧道的主要工程地质问题之一。目前基于岩爆理论和岩爆破坏机制虽提出了许多理论预测预报方法，但用于生产实际都尚有困难。本文在现场调研和查阅国内外文献资料基础上，对岩爆在实际工程实践中的预测预报及防治对策等进行探讨，并提出上述方法和对策，无疑会对生产实践具有较大的现实指导意义。
第一作者简介：张　斌 ，男，1971年7月生。工程师。现任职于四川省公路规划勘察设计研究院，主要从事公路工程地质与计算机技术开发应用等研究工作。
作者单位：张　斌(四川省公路规划勘察设计研究院，成都　610041)
　　　　　符文熹　任光明　聂德新(成都理工学院工程地质研究所，成都　610059)
参考文献
　[1] 铁路隧道设计规范(TBJ 3—85)；铁路隧道施工规范(TBJ 204—86).北京：人民铁道出版社
　[2] Tom King. Drill/Blastmethods. World Tunnelling, 1990,(11)：421～429
　[3] 马积新. 覆盖层厚200m地段发生岩爆.隧道译丛，1992，(12)：40～49
　[4] 吴江敏，高尔详，唐泽民.深埋高地应力地区隧道支护衬砌结构形式及受力特点的研究.见：铁道部科学研究院西南分院，铁道科学研究院铁道建筑研究所.专题研究报告集.成都：西南交通大学出版社，1994
　[5] T Kitagawa et al.. Application of Convergence Confinement Analysis to the Study of Prediciting Displacement of a Squeering Rock Tunnel. Rock Mech and Rock Engineering, 1991,24(1)：31～51
　[6] 梅志荣.高地应力条件下巷道周围岩石圈应力解除技术的基本研究.隧道译丛，1991，(11)：12～20
(收稿日期：1998－11－18)
