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摘要：在铁路隧道工程勘察设计施工过程中，岩爆预测一直是难题之一。某铁路隧道穿越燕山山脉，岩爆问题是该隧道工程的设计施工的重点。本文通过研究该隧道地貌地层岩性、地质构造，并通过采用水压致裂法实测获得了工程区地应力资料，结合室内岩石试验，通过利用不同方法对隧道不同岩性发生岩爆的可能和等级进行预测，为设计施工提供现实的指导。
关键词：铁路隧道；燕山山脉；岩爆预测
0 引言
某铁路特长隧道穿越燕山地区，最大埋深为565m，岩爆问题是该隧道工程的设计施工的重点。准确的岩爆预测可以为设计合理开挖支护方案提供可靠的依据，提早预防施工过程中可能产生的风险。因此，在该隧道开展深埋隧道岩爆预测研究具有重要现实意义。
1 隧址区地质概况
该隧道地处燕山山脉西段，穿越燕山山脉，总体地势西高东低，向东北渐变低。地形渐趋陡峻，区内经过隧道海拔最高为1131m，最大埋深为565m。隧道穿越地层以燕山期侵入岩、侏罗系地层出露最为广泛，新生界第四系地层多覆盖表层。出露岩石主要有侏罗系砂岩、砾岩，太古界片麻岩，燕山期侵入岩正长斑岩、正长岩等。
2 水压致裂法测试
2.1 测试原理
水压致裂法是70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量[1，2]
利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段（常称压裂段）增压，记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值SH、Sh以及岩石的水压致裂抗拉强度等岩石力学参数，其中估算垂直应力SV采取上覆岩石容重约为2.65g/cm3估算。
2.2 测试成果
通过该隧道ZK1孔166-232m深度范围内进行8个测段的水压致裂法地应力测量。本次选取在不同的深度共进行了8个测段的水压致裂法地应力测量，既有岩石完整段也有岩石微裂的测段，测试结果较真实的反映了各测孔附近的原地应力特征。
由测量得到最大水平主应力（?H）方向由浅至深分别为N83?E、N71?W和N86?W，可见ZK1孔附近最大水平主应力的优势方向在N85?W附近，接近于北西西~东西（NWW~EW）方向。且三个方向的主应力之间的大小关系为?H>?h>?V，表明该测孔测试段附近水平应力作用要强于垂直应力。
3 测试区域应力场特征
3.1 地应力量值随深度分布特征
为进一步了解分析工程区域内地应力碎深度增加的变化规律，对最大、最小水平主应力值随深度进行线性回归，最终得到隧道区各应力值（?H、?h、?V）随深度分布的线性关系图和估算表达式。
?H＝0.0569H-0.5649
?h＝0.0251H+1.2566 （1）
?v＝0.0260H
注：r为线性相关系数，应力单位为MPa，H为埋深m。
3.2 地应力场作用方向与隧道轴线关系
在隧道工程的设计中，因隧道走向与主应力方向存在一定夹角，在实际应用时更关心横截面上最大切向应力值的大小，用于预测硐室开挖后岩壁变形、岩爆等。即为估算洞轴线横截面上的最大切向应力值。
根据弹性力学及水平压致裂应力测量原理，由三个主应力SH、Sh、SV及最大水平主应力与隧道轴线夹角θ可以推导出隧道侧向应力σ横、隧道轴向应力σ纵、隧道剪切应力τ及隧道轴线横截面上最大切向应力σθmax。计算式如下：
根据上面区域资料和现场测试，该隧道区域最大水平主应力的优势方向约在N85?W，根据线位走向，最大水平主应力方向与隧道轴线的夹角θ=12°，?H、?h、?V值按回归式在孔深300m为例计算，由式（2）、式（3）获得隧道轴线附近各个应力参数?横=9.12、?纵=16.17、=1.57、??max=19.56。
4 线路隧道岩爆预测分析
工程实例表明，岩爆多数发生在正长岩、花岗岩、片麻岩等岩石里。这些岩石的共性特征是：岩石硬度大、岩体较完整、含水量少、脆性岩石[7]。本文所研究的隧道岩性组成主要为白云岩、片麻岩、石英砂岩，埋深多处处超过200m。该隧道具备了发生岩爆的岩性条件及埋深条件。
本次岩爆分析采用强度理论判别法进行定性或定量的综合评价，分别采用侯发亮临界埋深度法、E.Hoek方法、Turchaninov判别方法（T方法）、谷–陶岩爆判据[3]。根据不同深度、不同岩性，通过四种方法预测岩爆结果如表1。
5 结语
根据预测结果看，该隧道岩石在埋深小于200m的条件下基本上不会发生岩爆，白云岩一般超过300m、适应砂岩400m、片麻岩300m左右才有可能发生岩爆，则需要考虑岩爆的发生的可能性，并采取相应的预防措施。
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、水文地质等各种因素有关。因此，在实际操作过程中，还需要根据实际情况进行观察和分析，及时修正参数、选取合适的预测模型。
参考文献：
[1] 张倬元，宋建波，李攀峰. 地下厂房洞室群岩爆趋势综合预测方法[J]. 地球科学进展，2004，19（03）：451-455.
[2] 李方全. 地应力测量[J]. 岩石力学与工程学报，1985，4（01）：95-111.
[3] 徐成光. 岩爆预测与防治方法综述[J]. 现代隧道技术，2005，42（06）：81-85.
论文作者:李红刚
论文发表刊物:《基层建设》2016年7期
论文发表时间:2016/7/9
标签：应力论文; 隧道论文; 岩石论文; 燕山论文; 山脉论文; 水压论文; 方法论文; 《基层建设》2016年7期论文;