强震后都汶路特殊高地应力现象与隧道岩爆防治研究

【摘要】：隧道及地下工程中，由硬脆性岩体构成的围岩，在高地应力条件下，由于开挖出现的临空面，导致径向应力降低、切向应力增高的应力分异作用，使储存在岩体中的弹性应变能突然释放，并伴随爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷的围岩破坏现象，称之为岩爆。它区别于围岩大变形的塑性破坏，是一种伴随能量猛烈释放的非线性动力学现象[1]。高地应力作为引起岩爆发生的必要条件之一，由于受岩体结构复杂性、岩性多样性和各种地质环境条件等因素的影响，目前国内外岩石力学界和工程界对高地应力问题研究尚欠全面深入。“5.12”汶川地震后高地应力本应该得以释放，但是正在建设的位于龙门山中央断裂带（发震断裂）上盘区域的都汶高速公路福堂隧道，在施工中仍出现了强烈的岩爆现象，不仅延缓施工进度，而且对施工人员的生命安全以及施工器械的财产安全造成了巨大的影响。开展特殊高地应力现象成因分析，以及岩爆机制研究，有针对性地制定工程防治措施，对保证都汶高速福堂隧道的顺利施工有重要的意义。同时，在丰富和发展高地应力与岩爆研究理论方面也将具有重要的学术价值。 本文详细阐述了都汶高速福堂隧道工程地质条件，对隧址区初始地应力场分布特征及形成原因进行了研究；基于大量的施工地质跟踪调研、室内外测试，分析高地应力成因，阐明福堂隧道特殊高地应力现象的形成原因；在工程地质分析的基础上，运用地下工程现代支护理论和施工理念，结合工程实践，从改善围岩力学性质、改变围岩应力条件和开挖支护方法三方面对岩爆的防治进行了探讨。主要获得以下研究成果： （1）通过现场调研发现，位于龙门山中央断裂带（发震断裂）上盘区域的都汶高速公路福堂隧道在“5.12”汶川地震后的施工中仍出现频繁强岩爆及饼状岩芯等高地应力现象，为区别于正常情况下强震后地应力本该释放的特点，将前述高地应力现象暂定为“强震后特殊高地应力现象”。采用施工阶段现场应力解除法实测隧址区的三维地应力，并利用现场地质调研资料进行初始应力场数值模拟反演分析，综合评定强震后隧址区最大主应力方向为NE向，与隧址区岷江流向小角度相交；福堂隧道洞身段最大主应力介于20～25MPa，根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）附录B，洞身段围岩处于高应力状态。 （2）通过数值模拟手段，结合“5.12”汶川地震前后的实测地应力值，反演强震作用前后隧址区的地应力分布情况。通过计算认为福堂隧道在强震前已处于高应力状态，强震作用使福堂隧道A5标段地应力较震前降低8~14MPa，使福堂隧道A6标段地应力降低1~2MPa，局部增高2~3MPa。强震后，A5标段地应力介于12~18MPa，地应力已释放30~70%，不再处于高地应力状态；而A6标段地应力介于20~25MPa，地应力释放4%~12%，仍处于高地应力状态，可能是发生特殊高地应力现象的主要原因。 （3）经过细化计算模型，考虑断层带等因素对隧址区的影响，揭示隧址区的震后初始地应力场分布规律的总体特征，将隧道轴线地应力划分为坡面浅部的浅表生改造带和深部的应力平稳带两大部分，五个分带（区）：应力降低带、断裂构造作用形成的局部应力调整带（区）、相对应力增高带（区）、局部应力集中带（区）和应力平稳带。 （4）结合福堂隧道隧址区所在深切V形河谷这一特殊地貌，运用浅表生改造理论及数值模拟计算分析河谷应力场的分布特征规律，结果表明：在岸坡表面形成主要由构造应力、自重应力和残余应力等共同作用下主应力平行岸坡的应力场；并认为隧址区具有岸坡应力场“三区型”特征：包括应力松弛区、应力集中区及应力稳定区，岩爆频发段位于其中的应力集中区和应力稳定区；其次分析了福堂隧道特殊高地应力成因可能由龙门山逆冲推覆构造作用、地形地貌、浅表生改造作用及介质差异等因素综合作用形成，继而引起强震后的岩爆频发、岩芯饼裂等特殊高地应力现象。 （5）针对福堂隧道A6标段强震后的频繁岩爆现象，分类归纳、总结岩爆规律，分别研究隧道洞身段岩体初始应力场各分带（区）中的隧洞开挖后围岩二次应力场特征，并对隧址区岩爆按能量来源分类，得出其主要以综合应力型Ⅳ-1组成。 （6）通过改善围岩物理力学性能、改善围岩应力条件和加固围岩等方面探讨针对特殊高地应力现象中的岩爆防治措施，为施工设计提供建议。