基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

孙晓明, 袁俊超, 许永震, 任 超, 赵伟平, 张小鹏, 田世雄

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.甘肃长达路业有限责任公司，兰州 730000；4.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730030)

岩爆是在岩体在高应力状态下，其内部储存的弹性应变能由于开挖扰动的影响突然释放，伴随着岩石的爆裂、剥离甚至弹射等现象的一种复杂动力型地质灾害。近年来，随着各种地下工程不断向深部发展，岩爆灾害频发，对工程现场设备和人员的安全带来极大的威胁。如能有效地提前预报岩爆风险或对其进行预判，则可以通过对工程选址、洞室选型、支护设计等方面进行相应优化，来避免岩爆灾害的发生或降低岩爆发生的风险。因此，对岩爆预测预报研究的需求也日益紧迫。

自岩爆灾害有记录开始，中外学者通过研究岩爆灾害的机理，利用强度、刚度、能量、断裂以及损伤等方面对岩爆灾害发生的可能性进行了深入研究得出了一系列判据方法，其中基于强度准则和能量理论的岩爆判据应用较为广泛。基于强度准则的岩爆判据主要考虑了岩石的单轴抗压强度、点荷载强度[1]、围岩最大切应力[2]以及最大主应力等因素，将岩石强度与围岩应力的比值作为岩爆倾向性的判别依据[3-4]。而基于能量理论的岩爆准则，主要以弹性应变能指数[5]、能量冲击指数[6]、能量耗散指数[7]以及剩余弹性能指数[8]等作为岩爆倾向性的判别指标。但是，由于岩爆是一种多因素耦合作用的地质灾害，在实际复杂地质条件下，仅采用单一指标往往很难准确地预判岩爆[9-10]。因此，近年来部分学者开始尝试基于多重判据来进行岩爆倾向性的判别。李波等[11]运用弹性应变能指数法、应力强度比法、有限元反演法对大岩湾高速铁路隧道4种不同岩性的岩石进行了岩爆综合分析预测。衣永亮等[12]采用模糊数学综合预测方法多因素系统分析了花岗岩、大理岩等6种岩样的岩爆倾向性。刘树新等[13]结合了脆性岩爆指标判别法、Barton岩爆指标判别法、弹性变形能岩爆指标判别法和冲击能岩爆指标判别法，对4种不同岩性的岩样的进行综合判别。张传庆等[14]综合考虑岩石弹性能指数、应力强度比和主应力比3个因素，提出了潜在岩爆指数新指标。当前基于多重判据的岩爆倾向性分析都是针对不同岩性的岩石，然而众多岩爆实验表明，层理对岩爆倾向性有着较大的影响，杨建明等[15]研究发现不同层理倾角的千枚岩峰后损伤机制不同，从而影响了千枚岩的储能效率和岩爆倾向性。何满潮等[16]、刘冬桥等[17]对不同层理倾角砂岩进行岩爆模拟实验，发现层理倾角显著影响岩爆破坏模式,且不同层理角度的砂岩岩爆发生的难易程度与烈度呈相反关系。

综上所述，单一指标的岩爆倾向性判据难以适用于复杂地质条件的实际工程，而现有基于多重判据的岩爆倾向性研究仅限于不同岩性的岩石，忽略了层理倾角对岩爆倾向性的显著影响。现以武九高速高楼山隧道为工程背景，拟建高楼山隧道是通达陇南市及四川省九寨沟的控制性工程。项目位于甘肃省陇南文县，隧址区属高山峡谷地貌，地质构造复杂，岩石裸露，地表起伏大，沟壑发育，最大埋深1 680 m，隧道埋深大于1 000 m占总长约30%，是复杂地质条件下深埋特长公路隧道的典型代表。同时受构造应力、自重应力场双重影响，地应力高(最大主应力为27～51 MPa)，洞身段90%为极高应力和高应力。地震活动频繁，地震烈度高(Ⅷ度地震区)，具有较高的岩爆灾害风险。本文通过开展室内单轴力学试验，基于多重判据对该隧道不同层理角度的岩石进行了岩爆倾向性研究，为该隧道的岩爆防治提出初步参考性意见。

1 岩石物理力学特性试验

1.1 样品概述

实验所用岩芯均取自武九高速土建工程高楼山隧道，岩性为灰岩，钻取岩芯时分别钻取无层理与有层理两种试件，其中有层理的试件层理面角度分别为0°、30°、45°、60°和90°。将岩样加工为标准试样，每种角度3个试件。试件尺寸为φ 50 mm×100 mm，长度误差控制在±0.5 mm内，两端面不平整度控制在±0.02 mm内。

1.2 试验设备和方案

试验采用深部岩土力学与地下工程国家重点实验室2 000 kN岩石单三轴试验系统，如图1所示，该系统由主机(轴向加载装置)、电液伺服加载系统、电气伺服围压加载装置、测量控制系统、计算机控制和数据处理系统组成。以位移控制的方式进行加载，加载速度均采用0.01 mm/min，直至损坏。根据实验得出的岩石平均抗压强度，再进行单轴加卸载实验，加载至岩石平均抗压强度的70%后卸载轴向负荷到0。

图1 单轴压缩试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the uniaxial compression test system

1.3 实验结果及分析

根据试验获得的18块岩石试样的单轴加载试验结果，绘制试件应力应变曲线，典型曲线如图2所示。通过实验所测得参数以及应力应变曲线，计算得出试件的弹性模量与泊松比，具体如表1所示。相同层理角度的岩石试样单轴抗压强度相当，则取同组试件单轴抗压强度的平均值进行对比，可以发现不同层理角度之间试件抗压强度变化较大，当层理角度为30°时峰值强度最高，如图3所示。

图2 UW-1应力-应变曲线Fig.2 UW-1 stress-strain curve

图3 峰值强度与层理倾角的关系曲线Fig.3 Relationship between peak strength and bedding angle

表1 单轴压缩试验结果Table 1 Uniaxial compression test results

2 基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

2.1 基于弹性应变能指数的岩爆倾向性判别

在岩石的加载过程中，外界对岩石输入的能量一部分以弹性应变能的形式储存在岩石中，另一部分由于岩石发生永久变形而损耗掉。岩石弹性应变能与损耗的应变能之比可用弹性能量指数Wet来表示，Wet越大表示岩石的冲击倾向性越大。对各组试件进行单轴压缩加卸载试验。先将试件加载至对应单轴抗压强度的70%，然后卸载至0。绘制各组试件的加卸载曲线，根据曲线与坐标轴的面积计算弹性能量指数Wet，即

(1)

式(1)中：φsp岩石滞留的弹性应变能(卸载曲线以下的面积)；φst为岩石损耗的弹性应变能(卸载曲线以上、加载曲线以下的面积)。

Kidybinski[5]的研究表明,岩石的岩爆倾向性随Wet的增大而增强。Wet与岩石岩爆倾向性的划分标准如表2所示。

根据岩石加卸载应力应变曲线，如图4所示，分别计算岩样在各个层理角度下的弹性能量指数，计算结果如表3所示。

表2 弹性应变能指数判别准则标准Table 2 Criterion of elastic strain energy index

表3 弹性应变能指数判别准则结果Table 3 Results of elastic strain energy index criterion

图4 岩石加、卸载应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of rock under loading and unloading

2.2 基于临界埋深的岩爆倾向性判别

岩爆多发生在深埋硬岩隧道中，通常随着隧道埋深的增加，由于上覆岩体效应，隧道围岩应力增大，当超过岩体的极限承载能力时将可能发生岩爆。因此，确定岩爆发生的临界深度，对于岩爆灾害的预测预警以及防治意义重大。岩爆的临界深度Hcr是指在仅考虑岩体自重，发生岩爆的最小埋深。根据单轴压缩实验得出的岩石单轴抗压强度、泊松比、密度等物理参数，各角度层理发生岩爆的临界埋深的计算公式为

(2)

式(2)中：γ为岩体容重。

可以得到各角度层理发生岩爆的临界埋深。相关参数及临界埋深如表4所示。可以看出各层理岩石临界埋深为500～1 000 m不等，高楼山深埋隧道最大埋深可达1 680 m，有长达9 km埋深超过500 m，埋深大于1 000 m占总长约30%，发生岩爆灾害的风险较高。

表4 不同层理岩爆临界埋深结果Table 4 Critical depth of rockburst with different bedding

2.3 基于陶振宇判别准则的岩爆倾向性判别

Barton基于岩体开挖后，硐室周围由于应力重分布造成应力集中，从而导致岩体失稳破坏这一出发点，从围岩应力条件出发，分析围岩受力与围岩承载强度之间的比值关系，建立了岩石单轴抗压强度(Rc)与最大主应力(σ1)之比的岩爆倾向性评价指标。陶振宇[4]总结了多个工程经验的基础上，对Barton法进行了修正，提出了一组新的判别临界值，判别准则如表5所示。

高楼山隧道最大埋深为1 680 m，根据表5高楼山隧道临界埋深判据结果可知当层理角度为30°时临界埋深最大为1 075.9 m，因此选择1 100 m处的最大水平主应力σ1=34.71 MPa作为岩爆判据计算的取值，根据式(3)和表5可得不同层理试件的岩爆倾向性判别结果，如表6所示。

表5 陶振宇岩爆判别准则标准Table 5 Tao Zhenyu’s criterion for rockburst

表6 陶振宇岩爆判别准则结果Table 6 Results of Tao Zhenyu’s criterion for rockburst

2.4 基于Russense判据的岩爆倾向性判别

挪威的Russenes[1]根据岩石点载荷试验结果与洞壁切向应力关系提出了一种在国际上广泛应用的岩爆烈度分级方案，将隧洞的最大切应力σtan,max与岩石点荷载强度Is函数的判别值作为判别准则，如表7所示。

为对Russense判据和陶振宇岩爆判别准则进行对比，因此同样选择1 100 m处的最大水平主应力σ1=34.71 MPa，根据弹性力学公式可得洞壁切向应力σtan,max=69.42 MPa，将试件的单轴抗压强度换算为点荷载强度带入判别式可以得出不同层理试件的岩爆倾向性判别结果，如表8所示。

表7 Russense岩爆判别准则标准Table 7 Russense’s criterion for rockburst

表8 Russense岩爆判别准则结果Table 8 Results of Russense’s criterion for rockburst

3 不同判据结果的比较分析

由以上分析可以看出，不同岩爆倾向性判别准则的结果之间存在一定差异。基于弹性应变能指数的岩爆倾向性判别法，从岩爆发生的机理出发，即弹性应变能的积累与释放，将弹性应变能指数作为岩爆的判别标准，相比别的判别方法更加接近岩爆发生的本质，但是此判别方法只考虑了岩石本身的性质，弹性应变能的储存能力只是岩爆发生的必要条件，往往还需要考虑地应力等因素。基于临界埋深的岩爆倾向性判别法相比别的岩爆倾向性判别法，尽管不能直接判别岩爆的强烈程度，但是该方法得出的岩爆发生的临界埋深给其他需要结合地应力来进行岩爆倾向性判别的判别法提供了对应埋深地应力的理论基础。陶振宇岩爆倾向性判别法和Russense岩爆倾向性判别法都考虑了岩石自身的强度与应力条件，两者从本质上是相似的，岩石的单轴抗压强度与点荷载强度以及最大主应力与最大切向应力之间都存在换算关系，因此两种方法最大的差别在于判别标准的不同。为了更加准确、合理地对岩石的岩爆倾向性等级做出评价，将弹性应变能指数判别法、岩爆临界埋深判别法、陶振宇岩爆判别法、Russense岩爆判别法的判别结果进行对比分析，如表9所示。根据不同判据进行综合评判，从评判结果可以看出，无层理以及层理角度为0°和90°可能发生中等岩爆活动，层理角度为30°时可能弱岩爆活动，层理角度为45°和60°时可能发生严重的岩爆活动。

表9 多重岩爆倾向性判据指标的综合评价结果Table 9 Comprehensive evaluation results of rockburst tendency

4 结论

通过开展室内单轴力学试验，以武九高速土建工程高楼山隧道为工程背景，基于多重判据对该隧道不同层理角度的岩石开展了岩爆倾向性研究，分析结果表明。

(1)不同层理角度之间试件单轴抗压强度变化较大，当层理角度为30°时峰值强度最高，随着岩石单轴抗压强度的增大发生岩爆的等级整体上呈减小的趋势。

(2)不同层理角度的灰岩发生岩爆的临界埋深为500～1 000 m，当隧道埋深超过500 m后应加强对岩爆灾害的防治。

(3)不同岩爆倾向性判据结果之间存在一定的差异，结合多重判据的综合分析发现当层理角度为30°时发生岩爆的等级较低，当层理角度为45°和60°时发生岩爆的等级较高。