巖石力學(xué)與工程科普—中國最長的隧道色季拉山隧道—巖爆的影響

一、色季拉山隧道巖爆顯著的難題

1、巖爆，也稱沖擊地壓，是一種巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。巖爆是在高地應(yīng)力區(qū)域中進(jìn)行地下隧道建設(shè)時所面對的主要風(fēng)險之一，具有突發(fā)性、部位集中性、時間集中性與連續(xù)性、彈射性、高危害性等特點。其次由于西藏地區(qū)處于高原山區(qū)、周圍是高聳的雪山和冰川，環(huán)境十分惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，地勢險峻，氣候條件惡劣，冬季漫長，氣溫極低，物資運輸困難，隧道施工所需的設(shè)備和材料難以運送。西藏國家級自然保護(hù)區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高，隧道施工需要采取各種環(huán)保措施，避免對環(huán)境造成破壞。以上種種使隧道的修建難上加難。所以無論是那一條鐵路的修建不僅代表了西藏鐵路建設(shè)的成就，也體現(xiàn)了中國在高原地區(qū)修建大型基礎(chǔ)設(shè)施的能力和實力。

典型的，巴玉隧道連接西藏山南市加查縣和曲松縣，沿雅魯藏布江大峽谷江邊而建，全長13073米，最高海拔3500米左右，最大埋深2080米，其中94%位于巖爆區(qū)。而巖爆是一種復(fù)雜的動力型地質(zhì)災(zāi)害，在開挖或其他外界擾動時，巖石發(fā)生爆裂并彈射出來，直接威脅到施工人員和設(shè)備的安全。巴玉隧道在施工過程中發(fā)生的巖爆，單次最長持續(xù)時間超過了40小時，建設(shè)難度在世界隧道施工史上均屬罕見，堪稱世界之最。

圖1 雅安路隧道出口巖爆局部（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

圖2 色季拉山隧道進(jìn)口（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

二 、巖爆的地層巖性

由于硬巖的彈模、抗壓強度和抗剪強度都很高，在加載過程中，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線近似為直線型，塑性變形很小，主要表征具有很明顯的彈性變形特征。因此，在構(gòu)造改造和淺表生改造過程中能儲備很高的彈性應(yīng)變能。一旦應(yīng)力環(huán)境發(fā)生劇烈的改變，如地下工程開挖儲備在硬巖中的應(yīng)變能就會釋放出來，從而可能引發(fā)巖爆。而軟巖的彈模、抗壓強度和巖石內(nèi)部都低，在加載過程中，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線為非直線形，其變形包括彈性變形和大幅度的塑性變形。因此，在構(gòu)造改造和淺表生改造過程中儲備彈性應(yīng)變能的能力很低。巖爆主要發(fā)生在堅硬的石灰?guī)r中，而相對軟弱的頁巖則無巖爆現(xiàn)象。在軟巖和硬巖相間的地段，由于應(yīng)力調(diào)整過程可能導(dǎo)致硬巖層的局部應(yīng)力集中和增高現(xiàn)象，因此在硬巖中也將發(fā)生巖爆。一般情況下，由定向礦物組成的硬巖如片麻巖，其儲存彈性應(yīng)變能的潛力小于礦物顆粒隨機分布的巖石，因此在這類巖體中出現(xiàn)的巖爆烈度相對較低。對于膠結(jié)物質(zhì)堅硬的巖石，如硅質(zhì)膠結(jié)，彈性應(yīng)變能的儲存能力強于鈣質(zhì)膠結(jié)的巖石，因此其巖爆強度也高于鈣質(zhì)膠結(jié)的巖石。如果巖石越堅硬，巖石抗壓強度越大，在構(gòu)造改造、淺表生改造過程中儲存彈性應(yīng)變能的能力越大，在相同的環(huán)境條件下，其發(fā)生巖爆的可能性和巖爆烈度等級也就越高，反之則低。這是因為巖石質(zhì)地愈堅硬，則其強度愈大，可能蓄積的彈性應(yīng)變能就越大。當(dāng)巖石破壞后，耗散后剩下的彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為較大的動能，使其彈射其至拋出。

三、巖爆的構(gòu)造作用

在斷層破碎帶和節(jié)理十分發(fā)育的部位和地段，由于在其形成過程中，已經(jīng)產(chǎn)生了能量釋放。即使后期再次經(jīng)歷構(gòu)造作用和強烈的淺表生改造作用，這些部位由于巖體比較破碎，已經(jīng)不具備儲存大能量的條件，因此在斷層破碎帶和節(jié)理十分發(fā)育的部位不會出現(xiàn)巖爆。而在斷層帶附近的完整巖體中，由于斷層形成過程中的應(yīng)力分異和后期可能的構(gòu)造活動造成的應(yīng)力集中效應(yīng)，其儲存彈性應(yīng)變能的較大，在地下工程掘進(jìn)到這個位置時有可能發(fā)生巖爆巖體的結(jié)構(gòu)面如節(jié)理、層理、劈理等對巖爆的方式和強度有一定的影響。當(dāng)這些薄弱的結(jié)構(gòu)面與地下工程洞壁平行時，在圍巖切向應(yīng)力的作用下，巖體將沿薄弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生壓致拉裂，并表現(xiàn)為向洞室內(nèi)彎折變形。而當(dāng)圍巖的切向應(yīng)力很高時，這種變形可演變成強烈的巖爆。另外，在一些特殊的構(gòu)造部位，如向斜和背斜核部，在構(gòu)造過程中積累和封存者大量的彈性應(yīng)變能，一旦地下工程掘進(jìn)到這個部位，蓄積的能量就會猛烈釋放，造成巖爆地質(zhì)災(zāi)害。

四、巖爆對隧道施工的影響

1、巖爆地質(zhì)對施工的安全產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，往往會造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡 。輕微的巖爆僅剩落巖片，無彈射現(xiàn)象。嚴(yán)重的可測到4.6級的震級，一般持續(xù)幾天或幾個月。發(fā)生巖爆的原因是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性。這時一旦地下工程破壞了巖體的平衡，強大的能量把巖石破壞，并將破碎巖石拋出。

圖4 巖爆對施工的影響情況（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

參考文獻(xiàn)：

范新來. 巖爆對隧道施工的經(jīng)濟(jì)影響及降效分析[J]. 黑龍江科技信息.2012,14:241-242.

田朝陽，蘭恒星，張寧，許文博.CZ鐵路色季拉山隧道高地應(yīng)力巖爆風(fēng)險定量預(yù)測研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2022,3:621-634.

王有明，王江濤等.巖爆的預(yù)測與防治].云南水力發(fā)電，2009, (02).

李田田，王志堅等，淺析引起巖爆的若干因素及巖爆的防治措施].中國西部科技, 2009, (17)

唐姣.淺析巖爆發(fā)生的機理與防治[J].陜西水利，2012, (02)

（文中圖片來自互聯(lián)網(wǎng)，如有侵權(quán)請聯(lián)系刪除）

供稿：游林