地质灾害与环境保护
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
1999年 第10卷 第2期 VOL.10 No.2 1999



二郎山公路隧道岩爆特征与预测研究
徐林生　王兰生　李天斌　徐进　靳晓光
　　摘　要　根据二郎山公路隧道施工中记录的200多次岩爆资料，总结隧道的岩爆特征，并采用“地质超前预报法”和“σθ／Rb判据现场测定预测法”两种方法，对岩爆预测问题进行有益探讨。
　　关键词　二郎山　公路隧道　岩爆　预测
　　中图号　U451.1　TU456
STUDY ON THE CHARACTER OF ROCKBURST AND ITS FORECASTING IN THE ERLANG MOUNTAIN TUNNEL
Xu Linsheng　Wang Lansheng　Li Tianbin　Xu Jin　Jin Xiaoguang
(Chengdu University of Technology,Chengdu　610059)
　　Abstract　The basic character of rockburst occurring in the Erlang Mountain road tunnel are summarized with the more than 200 rockbursts incidents recorded during tunne lling.Two effective measures for forecasting rockburst are also discussed.
　　Key Words　Erlang Mountain　　Road tunnel　　Rockburst　　 Forecast
1　前言
　　岩爆是在高地应力条件下地下洞室开挖过程中，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，使储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而使岩体产生爆裂松脱、剥落、弹射，甚至抛掷等现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁现场施工人员、设备的安全，并影响工程进度，已成为世界性的 地下工程难题之一。
　　川藏公路二郎山越岭隧道，是“九五”期间国家投资正在施工的国内最长的公路隧道。主隧道全长4176m，别托短隧道94m，最大埋深达770m；断面净宽9m，净高5m，为单洞双车道。隧道采用钻爆法施工，先期施工平导，目前已基本完成掘进任务。二郎山隧道穿越泥盆系、志留系砂岩、砂质泥岩、泥岩、灰岩地层和11条断层，地质条件较为复杂。据钻孔水压致裂法地应力实测资料，隧道区最大水平主应力最高达53.7mPa，方向N78°W，与洞轴线255°方向的夹角为27°。在如此高的地应力条件下施工，隧道洞壁会产生极高 的切向应力，围岩岩爆问题十分突出。
2　二郎山公路隧道岩爆特征
　　自1996年6月开工以来，二郎山隧道施工中先后共发生200多次岩爆现象。发生岩爆的洞段共 有8段，每段长60～355m不等，累计总长度达1095m(其中，主洞410m，平行导洞685m)。以王兰生教授为首的“二郎山隧道高地应力与围岩稳定性课题组”将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈、剧烈4级(RMS方案，1997)。从总体上看，二郎山隧道中发生的岩爆属于轻微、中等岩爆级别；岩爆发生时，虽伴有不同程度的声响，但弹射微弱。据现场施工跟踪观察、调研和大量统计资料分析，总结出隧道岩爆有以下特征：
　　(1)岩爆活动多集中发生在距东、西两侧洞口平距1000～1500m的洞段。其中，隧道东段岩爆区埋深410～570m，西段岩爆区埋深270～490m；其余洞段岩爆活动不发育或仅零星发育。
　　(2)岩爆段岩性主要为砂岩、泥质砂岩、粉砂岩、石英砂岩和泥岩软质岩层内的泥灰岩、砂岩、粉砂岩夹层。
　　(3)在岩爆区掘进过程中，掌子面至3倍洞径的范围内岩爆活动最为频繁(图1)，随后逐渐减少。但也有距掌子面200多米处滞后发生岩爆的情况。


　　　　图1　岩爆与距离关系图
　Fig.1　The relationship of rockburst and distance from heading face
　　(4)隧道东段岩爆活动，多发生在洞壁两侧和南侧，或北侧拱肩部位；隧道西段洞壁周边虽均有岩爆活动，但以拱顶最为强烈，其危害性也较大。
　　(5)按公路隧道围岩分类规范(JTJ026—090)，岩爆段围岩类别均为Ⅳ，Ⅴ类。这就是说，岩爆活动既不发生在很完整的Ⅵ类围岩中，也不发生在节理很发育的Ⅱ，Ⅲ类围岩中，具有明显的岩体结构效应［1］。
　　(6)岩爆段岩体表面十分干燥，并具有似烘干样光泽。在有地下水存在地段或有断裂部位，不发生岩爆活动。
　　(7)当围岩内部发出清脆的爆裂撕裂声时，岩爆力学机制表现为压致拉裂型破坏［2］，多在平行洞壁发生，且仅涉及表层岩体，岩石以薄片状、透镜状、板状形式爆裂剥离(落)下来，无弹射现象，断口多呈新鲜贝壳状；当围岩内部发出沉闷爆裂声，声响较小时，岩爆力学机制主要表现为压致剪切拉裂型破坏［2］，持续时间较长，且有随时间累进性向深部发展的特征，爆裂岩石多呈透镜状、棱板状、块状或片状等，可有弹射现象，断口多呈楔形或弧形凹腔。
　　(8)在隧道进行二次衬砌作永久支护之前，按岩爆的发生频率可分为严重期、延续期、基本稳定期三个活动阶段(表1)。
　　　　表1　二郎山公路隧道岩爆活动分期表
　　　Table 1　The rockburst active periods in the Erlangmountain tunnel

岩爆活动分期岩 爆 严 重 期岩 爆 延 续 期岩爆基本稳定期
时间爆破后4小时内爆破4小时后至开挖一星期内开挖一星期后至4个月 内开挖4个月后
说明掌子面附近洞段岩爆十分频繁，为岩爆活动最危险时期洞周应力调整频繁，为岩爆活动危险时期，应及时采取挂网喷锚等支护措施洞周应力调整活动渐趋减少，不定期发生岩爆，并伴有大量剥落、掉块现象。此期对洞室破坏性仍较大，应及时采取补充加固围岩措施洞周应力基本趋于稳定，但一旦强烈扰动，仍会触发岩爆


3　二郎山公路隧道岩爆预测研究
　　岩爆预测问题较为复杂，目前国内外还没有一套成熟的理论和方法。笔者在二郎山隧道岩爆预测中，主要采用了以下几种方法：
　　(1)地质超前预报法：　从二郎山隧道岩爆发生的基本规律可知，岩爆的发生不仅取决于地应力条件，还与岩性及其分布特征、岩体结构、断裂和地下水状况及其他扰动因素有关。这里要着重强调的是，此隧道岩爆的发生与NW向延伸的陡倾断裂和岩性条件关系甚为密切。
　　现场调研表明，二郎山隧道发育产状为N40～60°W／NE∠60～85°的张扭性活动次级断裂，其中多见有线状或股状地下水，显示断裂处岩体因张扭性活动而有所松弛，氡气α卡仪测试也显示其氡气值明显高于两侧岩体；实际上这组断裂的存在造成局部应力降低带，其应力则向两侧围岩中转移，从而导致NW向陡倾断裂两侧形成局部应力增高带。东段主洞已有的岩爆活动，大多发生在距这组断裂10～20m距离以外的地段(图2)，究其原因就与这种应力局部调整有很大关系。因此，在掘进过程中如遇有NW向出水的陡倾断裂时，可作为预测前进方向可能产生岩爆的一个重要宏观预测标志。例如，当主洞开挖至桩号K260+470时，根据K260+450至＋464洞段发育NW向陡倾断裂，且普遍有股状出水的现象，预测掌子面前方在K260+474或K260+484以西洞段可能发生岩爆活动；随后，于施工中果然从K260+4 90拱顶部位起发生岩爆活动，由于事先采取了有效的工程防治措施，保证了施工的顺利进行。


　　　图2　二郎山隧道东段主洞岩爆发生规律及其预测示意图
Fig.2　The sketch showing the law of rockburst occurrance and its forecast ing in the east section ofmain tunnel
　　隧道某些洞段岩爆发生在泥岩软质岩层内的泥灰岩夹层(如西段平导K261+920至K260+940甘溪组下段（D1g1）泥岩层内的泥灰岩夹层)和砂岩、粉砂岩夹层(如东段平导K260+100至K260＋250洞段)中。综合分析表明，这是因为邻近泥岩软质岩的这些硬脆性夹层，由于前者应力调整也出现了局部应力增高现象，因而当开挖至岩性软硬变化部位时，岩爆则往往发生在硬脆性夹层侧。这一规律性的认识，也可作为高地应力区施工掘进过程中，对岩爆进行预测的一个重要地质依据。
　　(2)σθ／Rb 判据现场测定预测法：　国内外学者，多将有限元计算的断面洞壁切向应力σθ和岩石单轴抗压强度Rb 之比值作为岩爆判据，然而在该判据临界值的取值上却有较大的争议［3］。笔者在实际工作中，于现场采用点荷载仪测定岩石的点荷载强度Is（50），然后利用公式Rb＝22Is（50）求得岩石单轴抗压强度Rb；σθ的测定，则采用实用性较好的现场应力恢复测试法：首先，利用便携式轻型钻机和静态电阻应变仪等仪器设备，测定洞壁浅表层钻孔岩芯应力解除前后铅直方向应变片的应变差值Δε；然后，在现场对点荷载仪进行适当的改装，安上特制的加载装置，进行应力恢复测试，从而求得σθ，计算公式为：

式中，F 为应变恢复时点荷载仪压力表读数(MPa)；Sp为点荷载仪千斤顶活塞面积(常数15.5cm2)；α为等效系数(常数1.324)；L为受力垫片的弦长(常数3.3cm)；H 为岩芯试样长度(cm)。
　　施工过程中，在隧道西段平行导洞典型岩爆段和非岩爆段及掌子面附近，系统地布置了9个测点。将其测试结果与围岩实际变形破裂状况作对比分析，力图从中找出预测岩爆及其级别应力量化的依据，测试结果如表2所列。
　　
表 2　二郎山隧道西段平导σθ，Rb现场测试和围岩变形破裂状况对比分析表
　Table 2　Themeasured σθ，Rb and its relation with deforming and fracturing of surrounding rock in the west section of pilot tunnel

测点
编号位　　置岩　性Is（50）(MPa)Rb(MPa)σθ(MPa)σθ／Rb围岩变形破裂状况备　注
BS0平导K262+740北壁1.5m高处灰岩
(D2y1)3.3774.148.290.11围岩稳定性较好K262+
295～
K262+
740　为无
岩爆活动段
BS1平导K262+461北壁1.5m高处泥质砂岩
(D1g2)2.75 60.507.340.12
BS2平导K262+444北壁1.5m高处砂岩
（D1g2）3.9687.128.900.10
BS'2平导K262+445.5北壁1.5m高处 砂岩
(D1g2)3.9687.127.260.08
BS3平导K262+298北壁1.5m高处泥质砂岩
(D1g2)2.585 6.7614.840.26此测点无岩爆。但从东侧K262+295起洞段有爆裂 松脱、剥落现象，岩体结构渐趋紧密镶嵌，洞体干燥，地应力量级宏观判断渐趋增高K2 61+
940～
K262+
295为
轻微岩爆段
BS4平导K261+939北壁1.5m高处泥灰岩
(D1g1)3.5077.0040.120.52围岩爆裂松脱、剥落现象严重，有轻微弹射，洞 段应力尚处于调整状态K261+
820～+
940为中等岩爆段
BS5平导K261+905北壁1.5m高处泥质砂岩
(D1g1)2.9564.9041.460.64围岩爆裂松脱、剥落现象严重，有轻微弹射。测试钻孔中岩芯 有饼裂现象，这是高地应力的重要标志
BS6平导K261+761北壁1.5m高处泥质砂岩
(D1g1)2.7 360.0628.590.48南侧拱肩至拱腰部位有爆裂松脱、剥落现象K261+760～K261+
820为轻微岩
爆段
BS7平导K261+701北壁1.5m高处(距当时掌子面约10m)石英砂岩(D1p3)8.45185.9020.620.11施工中围岩稳定性好，无岩爆现象 测点位于原设计K261+615～K261+751的中等岩爆段内


　　从表2中可知：无岩爆活动洞段，σθ／Rb＜0.3；轻微岩爆活动洞段，σθ／Rb介于0.3～0.5之间；中等岩爆洞段，σθ／Rb介于0.5～0.7之间。据此分析，发生强烈岩爆活动时，σθ／Rb比值至少应大于0.7。
　　表2中BS7测点当时距掌子面约10m，位于原设计单位圈定的K261+615至K261+751中等岩爆区段内。但经实测得到该处σθ仅为20.62mPa，σθ/Rb为0.11；因此，当时通过实测应力条件和宏观地质现象综合分析，预测原设计单位圈定的这一中等岩爆区，实际 上并不具备发生岩爆的必要条件，应予纠正。随后，在施工中的实际情况证实了这一正确判断。
4　结语
　　综上所述，二郎山公路隧道岩爆的发生基本上多有规律可循，这说明岩爆虽然是一种较为复杂的动力失稳地质灾害，但只要认真观察和分析研究，就能掌握其特征和规律，从而找到有效的预测方法。作者认为：“地质超前预报法”和“σθ/Rb判据现场测定预测法”，是隧道掘进施工过程中两种较为实用、有效的岩爆预测方法，可供类似地下工程实践作参考。
　　最后，对帮助、支持本项研究的所有单位、个人表示诚挚感谢!
第一作者简介：徐林生，男，1965年生。讲师。成都理工学院工程地质研究所在职博士研究生。研究方向：岩石力学与岩体稳定。已发表学术论文15篇。
作者单位：成都理工学院，成都　610059
参考文献
　1　谭以安.岩爆特征及岩体结构效应.中国科学B辑，1991，(9)：985～991
　2　张倬元，王士天，王兰生.工程地质分析原理.北京：地质出版社，1981：79～84
　3　贾愚如等.水工洞室中岩爆机制与判据.见：岩石力学在工程中的应用.北京：知 识出版社，1989：254～260
　4　侯发亮等.圆形隧道中岩爆的判据及防治措施.见：岩石力学在工程中的应用.北 京：知识出版社，1989：195～201
(收稿日期：1999－01－25)
