熊 毅 白 悦 王卓雄
(重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400000)
南川三泉隧道软化围岩法防治岩爆效果的研究★
熊 毅 白 悦 王卓雄
(重庆大学资源及环境科学学院，重庆400000)
以三泉隧道为研究背景，通过数值模拟和现场试验，探讨了钻爆法施工中喷水软化围岩防止岩爆的效果，结果表明，围岩喷水软化后，降低了围岩的强度和切向应力，释放了围岩的应变能并降低了岩爆发生的等级。
隧道工程，岩爆，软化围岩，数值模拟
0 引言
岩爆是指积聚在岩石内的弹性应变能在一定的条件下突然释放且产生剧烈的声响、岩石弹射甚至抛射的一种地质灾害，对施工安全造成了极大的危害[1-3]。为此，W·D·ortlepp等从岩爆发生的机制、预测预报、风险预警及防控措施做了许多的研究[4-11]，并将研究结果引用到了工程实践中，取得了一定的成果。本文以三泉隧道为研究背景，重点探讨了钻爆法施工中注水软化防止岩爆的效果，对隧道施工中防止岩爆的发生具有一定的借鉴意义。
1 工程概况及工程地质条件
三泉隧道位于重庆市南川区三泉镇境内，设计隧道单洞宽11.78 m，高7.50 m，属特长隧道。隧道为左右线设置，其中左线里程桩号为ZK5+065～ZK8+476,右线里程桩号为YK5+030～YK8+476，隧道采用钻爆法施工，为马蹄形断面，隧道最大埋深为480 m，具有埋深大，洞线长，洞径大等特点，为埋深特长隧道工程。
三泉隧道穿越区为碳酸盐岩地层区，隧道地形地貌主要属中山、低中山地貌，以构造作用为主。地质调绘及钻孔揭露，隧址区地层主要为第四系残坡积层、寒武系上统后坝组、奥陶系下统桐梓组和红花园组。隧址区地质构造中等复杂。
根据围岩完整程度和岩体结构，隧道为岩质隧道，总体基岩较硬，强度较高，风化层薄，抗风化能力较强，可视为中等风化岩石，层间结合洞身段好，进出口层间结合差。隧道Ⅲ级围岩占隧道总长度65.62%，Ⅳ级围岩占隧道总长度24.45%，Ⅴ级围岩占隧道总长度9.94%。其中洞身段基本以Ⅲ级为主，岩石坚硬、完整、致密，单轴抗压强度为40 MPa～50 MPa，变形模量为6×103MPa～8×103MPa，围岩自稳承载能力好，成洞条件较好。三泉隧道工程区域位于西南高地应力区，根据地应力测最大地应力[11]达28.4 MPa，属高地应力地区。目前三泉隧道断面已分别掘至桩号ZK6+940,YK6+953，将进入岩爆洞段，开挖发生岩爆的可能性极大。
2 软化围岩法防治岩爆效果的数值模拟
通过大量的研究表明，隧道开挖后立即在隧道开挖轮廓断面线10 m～15 m范围喷洒高压水；在侧壁及拱部，利用炮眼、锚杆孔或打注水孔向岩体深部注水，软化围岩。目的是降低围岩的单轴抗压强度，增加其塑性，降低其脆性，从而有效的降低岩爆的几率和等级。注水后的围岩明显比注水前的围岩层理、节理、裂隙发育好，数量多，孔隙率也高，由于裂隙的增加及扩展，降低了岩石的弹性模量，泊松比增加，内部粘结力减少，从而造成了岩石弹性性质的差别，使弹性应变能降低。
2.1计算模型参数
数值模拟模型根据圣维南原理，在隧道周围距洞室中心内隧道开挖宽度的3倍～5倍宽度内存在影响，因此模型的尺寸取(70×70×2)m，隧道上埋围岩厚度根据工程地质勘查报告提供的资料而定，考虑水平构造应力，其值根据设计院提供的资料而定，并参照相应的侧压系数而定。计算参数见表1。软化围岩前主压应力与切向应力分布图见图1，图2。
表1 计算参数
图1 软化围岩前主压应力分布图 图2 软化围岩前切向应力分布图
由图1和图2可知，最大压应力位于隧道的上拱位置，约为40.2 MPa，最大的切向应力位于两帮的位置，约为23.9 MPa。
2.2软化的效果结果分析
围岩软化的厚度与软化方法的选取有关。表面洒水法软化的围岩厚度小而钻孔注水法软化围岩厚度大。另外，软化后的围岩力学参数与围岩的吸水性有关，比较难以确定，具体操作应根据现场软化试验来确定。本文假定软化围岩的厚度为1 m，软化后的围岩力学参数见表2。软化围岩后主压应力与切向应力分布图见图3，图4。
表2 软化围岩后的力学参数
图3 软化围岩后主压应力分布图 图4 软化围岩后切向应力分布图
通过洞壁二次应力测试结果和现场点载荷试验强度资料，根据Russense岩爆判别法[12]岩石的单轴抗压强度Rc和最大切向应力σθ之间的关系可判断岩爆的烈度，判别关系如下：σθ/Rc在0.3～0.5之间，发生轻微岩爆，σθ/Rc在0.5～0.7之间，发生中等强度的岩爆，而发生强烈岩爆时，σθ/Rc的值至少大于0.7。根据岩爆判别式，σθ/Rc=23.5/40.6=0.57，可能发生中等强度的岩爆。
喷水软化后围岩应力分布如图3和图4所示，软化围岩后最大压应力约为32.9 MPa，最大切向应力为17.2 MPa。相比软化围岩前最大切向应力下降了28%。围岩软化前可能发生中等强度的岩爆，围岩软化后，根据岩爆判别式，σθ/Rc=17.2/37.8=0.46，喷水软化后有可能发生轻微岩爆，但岩爆判据指标由0.57下降到了0.46，有一定减小岩爆发生等级的作用。
3 结语
当前，岩爆一直是困扰岩石地下工程和岩石力学的难题。三泉隧道由于其埋深大，地应力大，容易发生岩爆的地质灾害。本文以三泉隧道工程为背景，通过数值模拟，重点的探讨了钻爆法施工中喷水软化围岩防止岩爆的效果，并得出以下结论：
1)围岩喷水软化后，由于裂隙的增加和扩展，降低了围岩的强度，将围岩的脆性破坏转化为塑性破坏，释放了围岩的应变能并降低了围岩的切向应力，其岩爆发生的等级有明显的降低。
2)在现场隧道工程施工的过程中，围岩喷水软化是一种切实有效的减小岩爆的等级甚至消除岩爆的方法。实际运用中，应根据围岩的吸水性进行现场试验，确定围岩的软化系数，制定喷水或注水软化厚度。
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Study on the effect of rock burst by soft rock in Nanchuan Sanquan tunnel★
Xiong YiBai YueWang Zhuoxiong
(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400000,China)
The research background of the paper is the construction of Sanquan tunnel， through the numerical simulation and field test， discussed the effect of preventing rock burst in drilling and blasting construction. The analysis show that weakens the strength of rock and tangential stress, releasing stress-strain and reducing the grade of rock burst after softening.
tunnel engineering, rock burst, softening surrounding rock, numerical simulation
1009-6825(2016)21-0158-03
2016-05-13★：国家级大学生创新训练项目(项目编号：201510611057)
熊毅(1993- )，男，在读本科生；白悦(1994- )，男，在读本科生；王卓雄(1997- )，男，在读本科生
U451.2
A
