二郎山隧道岩爆发育分布的基本规律

如题所述

推荐答案 2020-01-16

自1996年开工以来，二郎山公路隧道施工过程中先后共发生200多次不同烈度的岩爆现象，从而引起了业主、施工、监理、设计和科研等部门的高度重视。发生连续岩爆的硐段共有15段(其中主洞10段、导洞5段)，每段长10～420m不等(表6-4)，累计总长度达1776m(其中主洞941m，占隧道全长度4161m的22.61%；平导835m，占其总长度的20.07%)。按RMS岩爆烈度分级方案，其中轻微岩爆(Ⅰ级)段占岩爆总长度的92.64%，中等岩爆(Ⅱ级)约占6.79%，强烈岩爆(Ⅲ级)仅占0.57%，未见剧烈岩爆(Ⅳ级)(表7-1)。因此，从总体上看，二郎山公路隧道中发生的岩爆以轻微岩爆(Ⅰ级)为主，中等岩爆(Ⅱ级)次之。根据施工现场跟踪观察、调研和大量监测统计资料分析，总结出该隧道岩爆发育分布的基本规律。

表7-1 二郎山主洞岩爆发育分布情况　Tab.7-1 Rock burst in the main tunnel of Erlangshan

注：岩爆烈度按RMS分级方案。

7.1.1 岩爆的发生与地应力场的关系

岩爆发生的部位大体上与地应力场分析结果相对应，主要出现在距东、西两洞口平距800～1000m以内，应力平稳带中高地应力硐段(图4-1)。在应力相对增高带内少数地段偶尔有岩爆(如平导K262+400处，距出口800m左右)。产生岩爆地段最大水平应力一般在30MPa左右，最小也在15～20MPa以上(表7-1)。埋深大多大于400m，最浅处为270m(表6-4中序号15)。

7.1.2 岩爆与围岩力学性能的关系

岩爆发生在石英砂岩、砂岩、灰岩、粉砂岩等坚脆的岩石中，并且均在围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类以上的岩体中。力学试验证明这些岩石的力学强度很高，以粉砂岩为例，其弹性模量有的可达到40～50GPa(表6-6)。对石英砂岩开展的岩爆倾向性指数(Wet)测试(表6-5)，Wet为4.68，按波兰奇代宾斯基的判据(表6-3)，可以发生中等岩爆。

值得注意的是，在泥盆系甘溪组(D₁g^1-2)泥岩、粉砂岩和砂质泥岩层中也出现了岩爆，经现场调查和采样分析，发现岩爆发生在其中的灰岩和强度很高的粉砂岩夹层中(参见6.3.3)。揭示了这样一个规律，即在高地应力环境中，强弱不同的岩层中容易在强度高的夹层中发生岩爆。

7.1.3 岩爆与围岩断裂裂隙发育状况的关系

岩爆只出现在高于Ⅳ、Ⅴ类的岩体中，Ⅲ类及Ⅲ类以下围岩未见岩爆，与这类围岩裂隙发育，难于储存较高的弹性应变能有关，转为以受结构面控制的可移动块体的坍落、冒顶、边墙滑落等围岩变形破坏为主。

在断裂带附近，尤其是硐中所见的与硐轴线大角度相交的NW方向的张扭性断裂或裂密带(产状N40°～60°W/NE∠60°～85°)，岩爆较集中出现在两侧距断裂带10～20m以外地段。这可能因为断裂和裂密带相对为一应力松弛带，也即为应力降低带。应力的局部调整，在其两侧一定距离范围内出现了应力增高带(图7-1)，为岩爆发生提供了地应力条件。

图7-1 岩石强度差异及断裂带对附近应力场分布的影响(数值模拟)

Fig.7-1 Effect on rock intensity difference and fault zone on nearby stress field distribution(numerical modeling)

7.1.4 岩爆与围岩地下水状况的关系

二郎山隧道围岩地下水总体情况比较少，但在断裂密集带处，可出现渗水、滴水甚至小股流淌。工程实践证明，凡地下水较丰富的地方，不会产生岩爆，但其两侧10～20m范围以外，则有发生岩爆的可能。这实际上是前述断裂两侧出现岩爆规律的另一种表现形式，施工工人很快就掌握了这一规律。

7.1.5 岩爆发生与开挖断面的关系

隧道岩爆周边虽然均有岩爆活动，但拱顶和两侧边墙部位相对较为强烈；其次为拱肩部位，这与岩体应力状况是有关系的。据调查，研究区三种高地应力基本成因类型所发生的岩爆部位有如下特点(图7-2)：①综合应力型高地应力区所发生的岩爆主要位于隧道拱顶、两侧边墙部位，有时也可以发生在拱肩部位；②构造应力型高地应力区所发生的岩爆主要位于隧道拱顶、拱肩部位；③与浅表生改造作用相联系的应力相对增高带内的少数高地应力点偶尔发生的零星岩爆则主要位于隧道拱肩部位。

图7-2 岩爆发生部位示意图

图中斜线阴影区为岩爆部位

Fig.7-2 Sketch map of rock burst developing(shadow part)

岩爆区掘进过程中，一般在掌子面至3倍洞径范围内岩爆活动最为频繁，随后逐渐减小(图7-3)。