灌溉输水洞地应力与岩爆特征分析

陈 庚，杨瑞刚，席海军

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）



灌溉输水洞地应力与岩爆特征分析

陈 庚，杨瑞刚，席海军

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

［摘 要］论述了旁多灌溉输水洞的地质特征。结合现场实测资料，采用多种方法对灌溉输水洞区产生岩爆的条件进行分析，并对发生岩爆的可能性进行判定及预测。

［关键词］岩爆；地应力；深埋隧洞；岩爆特征

1　工程概况

旁多水利枢纽工程位于西藏自治区林周县旁多乡拉萨河干流上，是一座以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水等综合利用的大型水利枢纽。

工程规模为大（1）型，工程等别为Ⅰ等，水库正常蓄水位4 095.0 m，水库总库容12.30×108m3，电站装机容量160 MW。

2　灌溉输水洞区地质特征

2.1地形地貌

灌溉输水洞区属高山地形，洞身穿越的恰拉山，山顶高程约5 400 m。灌溉输水洞总长16.88 km，其中深埋洞段约6 550 m（桩号4+250～10+800 m），最大埋深约1 300 m。

2.2地层岩性

输水洞区出露的地层主要为白垩系上统林子宗火山岩组、上三迭系～侏罗系麦隆岗群（砂岩、灰岩）、石炭系旁多群（Cpn）变质岩、燕山晚期花岗岩及第四系松散堆积层。其中埋深大于500 m的洞段围岩主要为新鲜花岗岩。

2.3地质构造

输水洞区在大地构造上位于青藏滇缅印尼歹字型构造头部第二中旋带的雅鲁藏布北旋层与雅鲁藏布北东西向构造相复合的部位。工程场地附近地块结构比较完整，构造相对稳定。

输水洞通过的大部分地段，尤其是深埋地段的岩体受地质构造影响小，无断层及褶皱构造，无或地下水很少，岩体完整，性脆，岩质坚硬。

3　钻孔地应力测试情况

测试钻孔编号ZK317，位于输水洞轴线1+742 m桩号处，钻孔孔口高程为4 548.25 m，钻孔深度为500.10 m，穿过洞身进入底板约12 m。根据岩芯的完整性，在钻孔不同深度进行水压致裂地应力测试，在该钻孔中，成功进行了8个深度段水压致裂测试和3个测段的印模定向测试，测试结果见表1。

表1 ZK-317孔水压致裂原地应力测量结果

4　钻孔地应力测试结果分析

在钻孔的地应力测试过程中，压力记录曲线较标准，破裂压力峰值确切、明显，各个循环重复测量的规律性很强，各个循环测得的压裂参数具有良好的一致性。

由表1可见，最大水平主应力值为9.15～20.25 MPa，最小水平主应力值为5.49～13.09 MPa。这一结果反映的是钻孔周边的现今应力状态。

从应力与深度的关系看，应力有随深度增加而增大的趋势。根据8个测点主应力测值进行线性回归，结果如下：

SH=3.67+0.033HSh=2.05+0.022H

垂直主应力可以按其上覆岩层的重力进行估算。则本孔测试深度域内，最大水平主应力稍大于垂直应力和最小水平主应力，三向主应力关系为SH＞Sh≥SV，这表明测区以水平主应力作用为主。

该孔在3个压裂段内进行了印模定向。水压破裂面的方向，即最大水平主应力方向为NNE（见表1）。

5　岩爆预测分析

5.1钻孔测试结果分析

根据（GB/T50218-2014）《工程岩体分级标准》，地应力分级见表2。

表2工程岩体强度应力比分级

根据该标准，ZK317孔8个测点的岩体强度应力比评估见表3。

表3 ZK317孔岩体强度应力比

5.2岩爆应力判据

5.2.1切向应力准则

灌溉输水洞在ZK317孔位置的轴线方向为NE21.37°，洞身部位实测最大水平主应力方向为NE26°。最大水平主应力方向与隧道横截面内隧道侧帮上的正应力σn方向的夹角为α=4.63°。根据弹性力学的公式，作用在隧道侧帮上的正应力为：

取 488.22～489.02 m测段的数据 SH=20.25 MPa，Sh=13.09 MPa，可以得到：

σn=20.20MPaSV=12.74 MPa

输水洞此处断面形状为圆形，根据圆孔周边应力集中的计算公式：

得到对应测段深度的最大切向应力：σθ=47.86 MPa。

根据切向应力准则，将围岩的切向应力（σθ）与岩石的抗压强度（RC）之比，作为判断有无岩爆发生及岩爆烈度的划分原则：

σθ/RC<0.3无岩爆

σθ/RC介于0.3～0.5间轻微岩爆

σθ/RC介于0.5～0.7间中等岩爆

σθ/RC/>0.7强烈岩爆

切向应力准则计算参数及计算结果见表4。

表4切向应力准则计算参数及计算结果

5.2.2最大储存弹性应变能指标

岩石储存的最大弹性应变能 Es可由岩石单轴抗压强度Rc与岩石的弹性模量E计算，公式为：Es=Rc

2/（2E）

最大储存弹性应变能指标Es判别岩爆烈度的标准如下：

Es<0.20 MJ/m3无岩爆

0.20≤Es<0.50 MJ/m3轻微岩爆

0.50≤Es＜0.75 MJ/m3中等岩爆

Es≥0.75 MJ/m3强烈岩爆

最大储存弹性应变能指标计算参数及计算结果见表5。

表5最大储存弹性应变能指标计算参数及计算结果

5.2.3强度脆性系数

岩石的单轴抗压强度Rc与抗拉强度Rt之比称为强度脆性系数B，它反映了岩石的脆性程度。计算公式为：B=Rc/Rt

国内外已有研究表明：

B≥40.0无岩爆

26.7≤B＜40.0轻微岩爆

14.5≤B＜26.7中等岩爆

B＜14.5强烈岩爆

强度脆性系数计算参数及计算结果见表6。

表6强度脆性系数计算参数及计算结果

结合以上所述的岩爆烈度划分准则，在单纯的地应力条件下，当输水隧洞在通过ZK317孔附近时，会有轻微岩爆发生或无岩爆发生。

5.3深埋洞段岩爆预测

根据8个测点主应力测值进行线性回归，结果如下：

但上述公式是仅根据埋深150～490 m深度域的测试数据得出的，如果超出这个深度域太多，得出的结论与实际情况可能会存在较大的误差。在没有埋深1 300 m实测资料的情况下，根据上述公式可以得到：

由此得到此深度的最大切向应力：σθ=106.55 MPa。

此处岩石饱和单轴抗压强度RC取钻孔ZK317第4～8段的平均值：RC=153.87 MPa，得σθ/ RC=0.692。如果深埋洞段（8+465-9+982）围岩完整，岩性无变化，根据切向应力准则，此处在开挖过程中可能发生中等岩爆。

作为对比，根据（GB 50287-2006）《水力发电工程地质勘察规范》发生岩爆的临界埋深公式为：Hcr=0.318RC（1-μ）/（3-4μ）γ

其中，Hcr：临界埋深，即发生岩爆的最小埋深，m；RC：岩石饱和单轴抗压强度，MPa；μ：泊松比；γ：岩石的重力密度，10 kN/m3。

当埋深H≥H时，岩爆分级见表7。

表7岩爆分级表

取1 300 m的计算数据为：RC=153.87 MPa，μ=0.27，γ=2.66 10 kN/cm3，得到Hcr=699 m。由于1 300 m大于Hcr，所以会有岩爆的发生。

RC/SH=153.87/46.57=3.30，岩爆烈度为中等岩爆。

5.4隧洞内岩爆的范围及强度

根据上述判据，结合围岩岩性、岩质类型及完整性情况，初步判定隧洞内围岩岩爆情况见表8。

表8隧洞岩爆的预测情况表

5.5实际施工情况对照

旁多水利枢纽工程灌溉输水洞桩号2+332～12+290 m采用TBM全断面硬岩掘进机施工，自出口向进口方向掘进。截止2015年11月20日，灌溉输水洞施工至桩号7+856 m，其中桩号8+078 m～10+816 m，出现中等岩爆，造成顶拱及两侧岩壁多处大面积崩塌，最厚达2.0 m。实际开挖过程中的岩爆情况与前期预测基本一致。

6　结论

1）根据现场孔内水压致裂试验，洞轴线附近三向主应力的关系为：SH＞Sh≥SV，以水平主应力作用为主。

2）洞身附近的最大水平主应力为17～20 MPa（埋深490 m），岩石原地抗拉强度多为4～5 MPa。

3）岩爆作为深埋隧洞的主要工程地质问题之一，目前虽然基于岩爆理论和破坏机制的研究提出了许多理论预测预报方法，但由于影响岩爆发生的因素很多，国内外还没有一套成熟的岩爆预

4）施工过程隧洞的实际岩爆特征与预测结果基本一致，由于提前采取了一系列措施，有效保证了施工的安全。同时对实际情况进行了分析，验证了岩爆作为一种复杂的地质现象，除了受地应力及岩石强度影响外，还跟岩体特征、地质构造、地下水等各种因素有关。

［中图分类号］TV542

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0049－03

[收稿日期]2016-01-10测理论和方法。各个应力判据中，相互存在不能统一的地方，在预报时应采取多种方法，结合工程地质条件，综合考虑影响岩爆的因素合理进行岩爆预测。 2015-11-10

[基金项目]辽宁西部节水增粮高效灌溉技术集成研究；农业攻关计划（2013212001）：节水滴灌关键技术研究与示范