基于应力判据的鸿图嶂隧道岩爆发生规律研究

1工程概况在实际工程建设当中，岩爆的预测是确保施工安全的重要环节，因此准确的预测岩爆灾害，需要一套科学准确的岩爆判别体系。本文将依托鸿图嶂隧道工程基于应力判据方法对隧道岩爆发生规律进行研究。鸿图嶂隧道位于广东省丰顺县及五华县境内，是大(埔)丰(顺)(五)华高速公路的控制性工程，隧道采用分离式设计，设计总长6335m和6332m，为特长隧道，设计隧道底板标高239.9～341.4m，隧道呈直线展布，轴线方向为北西西(约288°)。隧道设计行车速度100km／h。隧道全长内穿越的岩性以花岗岩、鞍山玢岩为主，岩体完整性好，强度高。受区域构造影响，隧址区原始应力场以构造应力场为主，且随深度变化各不相同，深埋段岩体因受高围压作用，隧道开挖引起洞周应力重分布后，可能产生的岩爆将危及洞内施工人员及设备的安全。因此，对鸿图嶂隧道的岩爆发生规律进行研究具有实际指导意义。2初始地应力特征鸿图嶂隧道全线采用数值仿真与数理统计相结合的地应力场反演方法，结合水压致裂法实测所得钻孔地应力数据，探明了隧道沿线初始地应力场，如图1所示。3数值模拟据已有初始地应力成果，在全线各段选取典型断面建立二维数值模型，模拟隧道100%应力释放率下的开挖工作。计算模型见图2，模型选取100m高，150m宽。计算模型的下边界施加竖向约束；左边界施加水平约束；上边界施加的竖直向下的均布力σz，右边界施加水平向左的均布力σy，参见表1。计算中模型材料参数取值在参考鸿图嶂隧道地质勘查资料的基础上选取，取值参见表2所示。4计算结果分析通过模拟隧道各断面20%~100%应力释放率下的开挖工作，并结合六种岩爆判据（见表3）对各断面进行岩爆等级判定，进而预测隧道全线岩爆情况。各判据确定的岩爆等级及区域分布见图3~图8。在全面分析上述各判据条件下不同应力释放阶段的岩爆预测结果及可能发生的部位后，给出了各阶段岩爆发生的区域和烈度，综合上述的岩爆分析结果可以得出以下结论：

（1）随着应力释放系数的逐渐增大，岩爆发生的区域及等级也逐渐加大，因此提前采取支护措施，减小应力释放为控制岩爆的有效措施。

（2）

岩爆发生部位多位于边墙。当岩爆发生在边墙时，拱顶部位由于开挖时易引起岩石松动及受到边墙岩爆产生的影响，易产生掉块等类似岩爆的现象。（3）K90+900~K93+200段变化显著，且可能完成从轻微岩爆区向中等岩爆区，或者中等岩爆区向强烈岩爆区的跨越。

（4）

同时本次分析中未将断层带及其影响范围内的卸荷区单独区分，主要是由于在断层带附近的完整岩性可能因断层卸荷后应力转移而造成局部的应力集中，将加大岩爆发生的可能性。

（5）

采用不同的判据确定的岩爆等级及区域有所不同，且结果相差较大。5现场岩爆情况现场实际施工过程中多处出现岩爆情况，现取得TJ3标段鸿图嶂特长隧道出口端岩爆记录情况，如表4所示。根据表4岩爆记录情况，岩爆声响特征多为轻微噼啪声，如劈柴；岩爆运动特征多以坠落、剥落为主，个别岩片出现弹射情况，但距离短，速度也不大于1m/s，根据国内外岩爆烈度分级方案对比表，可以判定该区域为轻微—中等岩爆等级。6综合预测汇总各岩爆判据及设计阶段预测结果和实测段岩爆结果，绘制对比图（见图9）。将现场记的录岩爆等级与六种岩爆判据预测的等级进行对比，发现现场实际情况与王兰生判据所预测结果较为吻合；并且对比地勘报告，依据强度应力比法和公路隧道施工技术规范及细则综合预测的鸿图嶂隧道岩爆活动为微弱~中等岩爆，因此再次表明王兰生判据所预测结果可信度较高。综上所述，最终确定采用王兰生判据预测结果作为综合预测结果。各区段岩爆综合预测结果见表5。7结论本文以鸿图嶂隧道隧址区初始应力场的反演分析为基础，选取典型计算断面，采用数值模拟手段分析洞周围岩二次应力分布情况，分析岩爆产生的范围及烈度，最终完成对鸿图嶂隧道的总体岩爆预测。得到相关结论如下：

（1）隧道开挖后，洞周围岩的最大主应力随着应力释放率的增加而增加，直至应力释放系数为1.0时达到最大，其中最大值位于K92+000断面，达74.4MPa；因各段构造应力的不同，各应力释放率等级间最大主应力增加值略有不同，但增幅相当，每级增加约为3.80～9.6MPa。

（2）

因各段侧压力系数值的不同，最大主应力的所在部位也有所变化，当时，的最大值位于拱顶，当时，的最大值位于边墙。

（3）依据现场实测岩爆情况结合地勘资料预测，王兰生判据最为符合鸿图嶂隧道的实际岩爆情况，将其作为综合预测判据。

(4)鸿图嶂隧道岩爆综合预测结果：K90+700~K91+100、K94+500~K94+800、K93+400~K94+500区段为轻微岩爆等级，其中K90+700~K91+100、K94+500~K94+800岩爆发生部位多位于拱顶，K93+400~K94+500岩爆发生部位