岩爆与大变形专题

（二）、秦岭隧道高地应力场判定
2）施工阶段Rc确定 平导施工综合地质测试阶段在平导内取岩样 37 组， 其中第一段混合片麻岩 8 组，第二段混合花岗岩 4 组，第 三段混合片麻岩17组，第四段含绿色矿物混合花岗岩3组。 蚀变闪长岩 2 组，碎裂岩 3 组。获得结果：第一段混合片 麻岩干抗压强度波动范围值是 99.8 ～ 148.3MPa ，平均值 分别为 122.2MPa 。第二段混合花岗岩干抗压强度波动范 围值是152.7～208.9MPa，平均值分别为173.3MPa。第三 段混合片麻岩干抗压强度波动范围值是 82.6 ～ 302.1MPa ， 平均值分别为 154MPa 。第四段含绿色矿物混合花岗岩干 抗压强度波动范围值是 141.7～226.5MPa，平均值分别为 170.5MPa。
（二）、从一些国家规定和研究成果看岩爆发生
在隧道勘测、设计阶段，根据揭示的地 质条件应该对岩爆的发生与否，有一个基本 判断。 因此，一些国家对此曾提出相应的基准， 一些研究成果也提出若干建议。这些规定和 建议可以作为判定岩爆发生的大致基准。
三、 岩爆问题
瑞士的SIA198号岩体分级标准中规定：第1类岩 体 有 岩 爆 ， 其 基 本 条 件 是 ： 单 轴 抗 压 强 度 σc >100MPa、内摩擦角>40°、粘结力C >2.0MPa。
二、秦岭隧道初始地应力场和高 地应力地段的判定
垂直应力 σv=1.88+0.0244H (r=0.965) 平均水平应力σh avg=10.276+0.0182H (r=0.7812) 最大水平应力σh max=13.763+0.0211H (r=0.7839) 最小水平应力σh min=6.464+0.0146H (r=0.8206)
通过对已发生岩爆地下工程的施工调查，可初 步归纳出以下几点： 1、从开挖的坑壁，岩块迅速射出。严重时，整个掌 子面瞬间压坏； 2、在世界各地的深矿山中经常发生； 3、在非常深的矿山中，也有衬砌瞬间破坏的情况。 此时，多是由于附近的矿山开挖所致； 4、在700以上埋深的情况发生的居多。在浅层的也 有发生的实例； 5、视岩质情况发生的方式不同。例如，日本清水岭
（二）、秦岭隧道高地应力场判定
2、岩石抗压强度指标Rc的确定 1）勘测阶段Rc确定 方法：在隧道通过的轴线部位共完成 60m~607m不同深 度的钻孔 10 个，并在孔中取岩样共 51 组进行岩石的常规 物理力学及岩石纵波速度的测试。然后进行了归纳和统 计，在此基础上，分（4个）区段提出隧道穿越，主要岩 样（三种）的物理力学指标(详见表1)。 结果：第一段岩石干抗压强度范围值是 122.1~137Mpa ， 平均值分别为 107.6MPa 。第二段岩石干抗压强度范围值 是122.1~162.46Mpa，平均值为 147.1Mpa。第四段岩石干 抗压强度范围值是 117~192.2MPa ，平均值为 162.3Mpa 。 第 三 段的 混 合片麻岩干抗压强度 范围 值 是 105.3~325.0Mpa，平均值为195.0Mpa。
三、 岩爆问题
一般的，我们认为“岩爆”的发生需要满足《工程 岩体分级标准》(GB50218-94) 规定： Rc/σ max 4 ，即 需要满足一倍以上高地应力的条件；这是最基本的岩爆 发生要素。但究竟是否发生岩爆，还要受到其他多种要 素的影响和制约（如岩层的完整性、坚硬程度等），这 也是显然的。围绕岩爆问题，目前已提出诸多理论，如 ：强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、 扩容理论、失稳理论、表面失稳理论等。本文从工程实 际的角度出发，在收集和分析国内外岩爆发生的工程实 例的基础上，对岩爆发生的基本条件和规律进行分析和 研究，这是十分必要的。
4、地应力场的应力值：σmax 和σmin 地应力值是表示岩体内积聚弹性应变能的具体指标。 一般说,地应力在岩体中是三维存在的。但为简单计，在 一般情况下可用地应力中最大值表示。即最大地应力值 越大，积聚弹性应变能越大。当岩石峰值强度前的弹性 应变能积聚量达到岩石岩爆临界弹性能时，就将发生岩 爆。因此可用下述指标判定岩爆发生强度。
岩石脆性指数 0~4
岩石脆性指数与岩爆的关系
3.5~5.5 5~7.8 >7
岩爆发生强度
无
弱
中等
严重
（三）、 岩爆发生的基本条件
3、岩体结构：完整或基本完整 在列举的工程实例中，岩体结构大都是完整的和比 较完整的。因为，完整和比较完整的岩体，积聚有很大 的弹性应变能量。这是发生岩爆的必要条件之一。
三、 岩爆问题
图3 岩爆为隧道中最大切向应力σ t和岩石点荷载强度Is的函数
（三）、 岩爆发生的基本条件 根据表3中的基本数据和各国的工程实践， 可以归纳岩爆发生的基本条件如下：
1、岩石单轴抗压强度：σc >80MPa(至少>60MPa) 表 3 实例中的岩石单轴抗压强度至少在 60 ～ 80MPa 以上，多数超过100MPa。这说明在岩石单轴抗压强度 小于60～80MPa的岩石中发生岩爆的可能性是不大的。 也就是说，岩爆基本上是在坚硬的硬岩体中发生的。
（二）、秦岭隧道高地应力场判定
事实上，秦岭隧道II线已发生岩爆的工程实例表明， 在进、出口两端，当隧道平导开挖进入极高地应力区域 （见图2）后，分别在里程DYK64+370~ DYK73+875和 DYK77+735~+854大约4100m的范围内，相继发生了大规 模的长时间的持续性岩爆，这一结果显然与秦岭隧道“ 具有大范围的高或极地应力的分布”是有很大关系的。
一、 概述 大量的国内外地下工程实例表明，在满足高 或极高地应力水平条件下，在特殊不良地质区段 修建隧道时，施工中将会遇到硬岩中的岩爆，以 及软岩中的大变形破坏等工程灾害。因此在工程 技术上有许多难点问题需要解决。事实上近几十 年来, 随着矿山开采, 隧道工程, 水利水电, 军工建 设等地下工程的大型化发展，因岩爆和大变形造 成的围岩稳定性破坏，已经客观的构成了高地应 力区两大最严重的地下工程灾害, 这种工程上的 客观要求是本项科题研究的主导因素。
（三）、 岩爆发生的基本条件
σmax >0.25σc 严重岩爆 σmax =0.15~0.25σc 中等岩爆 σmax <0.15σc 轻微或不发生 工程实例中的σmax /σc 比值，大多数在0.15~0.4之 间，发生岩爆频率达到21次，占整体发生率的80.8%。 在 0.15 以下发生岩爆频率只有 1 次，仅仅占整体发生率 的 3.8% ，在 0.2~0.3 之间出现的频率最高，达到 12 次， 占整体发生率的46.2%。 由此可见，确定出发生岩爆的最小临界值： σmax /σc =0.15是比较恰当的。上述工程实例的统计结 果见图4。
主题报告
高地应力条件下的岩爆及大变形
岩爆及大变形
一、 概述
西康线—秦岭隧道地处高海拔的高地应力 区域，是我国目前在建的铁路隧道中最长大的 隧道之一，全长为18.4公里，且最大埋深达到 1600m；环境条件恶劣，地质条件十分复杂，施 工难度大，工期紧迫，是施工风险较大的隧道 工程之一。秦岭隧道的施工风险主要表现在具 有显著的高地应力（或极高地应力水平），以 及地质条件的变异上。因此，很好地掌握在高 地应力条件作用下，地质的变化是异常重要Hale Waihona Puke Baidu。
2、岩质和岩性：坚硬、脆性 在列举的工程实例中，岩爆多数发生在石英岩、 花岗岩、正长岩、闪长岩、花岗闪长岩、大理岩、花 斑状大理岩、片麻岩等岩体中。
（三）、 岩爆发生的基本条件
这些岩体的共同力学特性是脆性的岩体。即达到 峰值强度后，岩石急剧断裂。这可用岩石的脆性度表 示。岩石的脆性指数是岩石峰值强度前的总变形与永 久变形之比。并且比值越大，脆性越高。 表4
（二）、秦岭隧道高地应力场判定
3、秦岭隧道高地应力或极高地应力地段分布 如图2所示，秦岭隧道沿纵向高地应力和极高地应力地 段的分布情况。从中可以看出，秦岭隧道在整体上具有 高地应力分布的特点，其范围达到隧道全长的95%，而在 隧道中部还呈现出大范围（占隧道全长的52%）的极高地 应力分布，并且向两边延展，逐渐降低到高地应力及其 以下地应力水平。 秦岭隧道所呈现出高地应力水平分布状况，将会在满 足一定条件下，引起围岩发生岩爆，这是很自然的。
一、 概述 本文以秦岭长大隧道为依托工程，围 绕秦岭隧道高地应力区围岩稳定性进行研 究。主要包括以下几方面的内容： 1 、秦岭隧道初始地应力场和高地应力地 段的判定， 2 、岩爆问题：通过对国内外隧道工程施 工中所发生典型岩爆实例的统计、分析与 归纳，阐明岩爆发生的基本条件；
一、 概述 3 、工程应用：将本文提出的岩爆发生判 据应用于秦岭隧道 II 线出口段发生岩爆的 地质区段，进行工程验证，结果很好。 4 、岩爆治理：归纳岩爆的类型、性质和 特点，提出合理有效的工程理技术措施。 5 、大变形问题：结合工程实例进行分析， 阐明大变形现象的特征，提出大变形的分 级和预测方法，以及治理大变形的工程措 施。
挪威学者Bardon 提出如下判据： σc /σmax =52.5 σt /σmax = 0.330.16 轻微岩爆
σc /σmax < 5 σt /σmax = 0.16 强烈岩爆
三、 岩爆问题 我国“工程岩体分级标准”中规定：在 极高应力和高应力条件下可发生岩爆。 极高应力条件是σc /σmax <4。 高应力条件是σc /σmax =4～7。 Russenes建议根据著名的Kirch方程： σ t =3σ 1 －σ 3 方程和点荷载强度Is 进行岩 爆强度的分级，见图3。
C=σh avg/σv——侧压力系数
根据上述公式决定的地应力场，沿隧道纵向 分布如图1所示。
二、秦岭隧道初始地应力场和高 地应力地段的判定
二、秦岭隧道初始地应力场和高 地应力地段的判定
（二）、秦岭隧道高地应力场判定 1、高地应力判据 为了确定出秦岭隧道沿纵向分布的高地应力或 极高地应力地段，本文采用了国标《工程岩体分级 标准》(GB50218-94) 所建议的划分标准，进行分类。 其判据表达式为： 极高地应力：Rc/σmax<4 高地应力：7> Rc/σmax >4 式中，Rc为岩石的抗压强度，而σ max为最大地应 力值。显然，Rc/σ max的值越小，说明地应力水平越 高。区分高或极高地应力水平的界限是： Rc/σ max = 4。
三、 岩爆问题
下的四座隧道，关越隧道在页岩中就没有发生， 而在石英闪长岩中则发生多次； 6、有涌水时不发生； 7、与地层的方向、节理、夹层等强烈相关，例如顺 层的情况下发生较多； 8、爆落块的大小各式各样，但多是偏平的； 9、掌子面附近的岩爆发生较多，掌子面打锚杆后可 防止岩爆； 10、在同等地质条件下，采用掘进机（TBM）施工 的发生少， 采用矿山法施工的发生多。
平均水平应力与垂直应力之比在下式范围之内：
150/H+0.50 C 1000/H+0.80
二、秦岭隧道初始地应力场和高 地应力地段的判定
式中， H ——埋藏深度(m) σv ——垂直应力(MPa) σh avg——平均水平应力(MPa) σh max——最大水平应力(MPa) σh min——最小水平应力(MPa)
二、秦岭隧道初始地应力场和高地应力 地段的判定
一般说，岩爆和大变形的发生都与地应力场 的演变有关。因此 , 在说明岩爆和大变形工程现 象之前，首先，应对秦岭隧道的地应力场的基 本变化情况给以说明。 （一）、秦岭隧道初始地应力场分析 秦岭隧道初始地应力场在没有实地测试数据 的情况下，最可靠的方法是采用对既有工程的 实测数据进行统计分析，而后根据统计分析式 进行判定的方法。我们根据 276个国内外地下工 程的地应力场的实测数据进行统计分析，获得 以下结果。
（一）、 从工程实例看岩爆的发生
表3 列出国内外曾经发生岩爆的一些隧 道工程的概况，从中对岩爆发生的条件， 或许可以找出一些可供参考的规律。表1中 参数σc 表示岩石单轴抗压强度；Is表示点荷 载强度；σmax 和σmin 分别表示地应力的 最小值和最大值。
表3 国内外隧道工程发生岩爆的统计表
三、 岩爆问题