工程科学与技术   2022, Vol. 54 Issue (2): 1-20
川藏铁路深埋隧道围岩灾变分析与思考
谢和平1, 张茹1, 任利2, 张安林1, 张志龙1, 邓建辉1, 徐正宣3, 张广泽3, 冯涛3, 王栋1,3, 王哲威3, 伊小娟3, 林之恒3, 李嘉雨1,3, 张泽天1, 袁东1,3, 贾哲强3     
1. 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院,四川 成都 610065;
2. 四川大学 深地科学与工程教育部重点实验室,四川 成都 610065;
3. 中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031
基金项目: 国家自然科学基金项目(52125402)
摘要: 国家新时期世纪工程川藏铁路面临着全球最为复杂的工程地质条件。受深部环境和工程扰动影响,沿线深埋隧道围岩失稳灾变问题凸显;符合深部特征的围岩灾变分析研究,既是川藏铁路深埋长隧安全建设的重大现实需求,也是提升特殊地质条件下深部工程开发能力的关键。为此,以深部围岩灾变分析为核心,从深部围岩孕灾的原位地质环境与工程扰动效应入手,重点开展深部围岩质量分级、大变形判识和岩爆孕灾等方面的理论方法研究与思考。首先,概述了川藏铁路深部围岩孕灾的原位地质环境特征,并从试验模拟和理论分析两个层次揭示了深部围岩孕灾的工程扰动效应;进一步地,以修正的BQ法为基础,发展了可综合反映地应力、地温和地下水影响的围岩质量分级方法,初步应用于川藏铁路深部多场耦合环境下的隧道围岩分级修正研究;最后,针对川藏铁路深埋隧道围岩灾变的两种典型显现形式(大变形与岩爆),提出隧道围岩大变形分级多因素分步评估方法,以及深部围岩岩爆综合预测研究思路和预测模型与方法。相关研究成果和学术思想可为川藏铁路沿线深埋隧道围岩灾变分析与稳定性研究提供借鉴与参考。
关键词: 川藏铁路    深埋隧道    原位环境    工程扰动    围岩质量分级    大变形    岩爆    
Analysis and Thoughts on Surrounding Rock Mass Catastrophe of Deep-buried Tunnels Along Sichuan—Tibet Railway
XIE Heping1, ZHANG Ru1, REN Li2, ZHANG Anlin1, ZHANG Zhilong1, DENG Jianhui1, XU Zhengxuan3, ZHANG Guangze3, FENG Tao3, WANG Dong1,3, WANG Zhewei3, YI Xiaojuan3, LIN Zhiheng3, LI Jiayu1,3, ZHANG Zetian1, YUAN Dong1,3, JIA Zheqiang3     
1. State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., College of Water Resources & Hydropower, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China;
2. Key Lab. of Deep Underground Sci. and Eng. for Ministry of Education, Sichuan Univ., Chengdu 610065, China;
3. China Railway Eryuan Eng. Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China
Abstract: The Sichuan—Tibet railway faces the most complicated engineering geological conditions in the world. Affected by deep environment and engineering disturbance, the instability and catastrophe of rock masses surrounding deep-buried tunnels along the line became prominent; the analysis and research on surrounding rock catastrophe that accord with the deep characteristics are not only a major practical need for the safe construction of deep-buried and long tunnels along the Sichuan—Tibet Railway, but also the key to improving the development capabilities of deep engineering under special geological conditions. Therefore, taking “the analysis of deep surrounding rock catastrophe” as the research core, starting with the in-situ geological environment and engineering disturbance effect of deep surrounding rock catastrophe, this paper focuses on the study and thought on theory and method of deep surrounding rock quality classification, large deformation identification and rockburst disaster. Firstly, the in-situ geological environment characteristics of deep surrounding rock disaster in Sichuan—Tibet railway were summarized, and the engineering disturbance effect on deep surrounding rock disaster gestation was revealed from two aspects of experimental simulation and theoretical analysis; furthermore, based on the revised BQ method, a classification method of surrounding rock quality which can comprehensively reflect the influence of in-situ stress, geothermal and groundwater was developed, which was preliminarily applied to the classification of tunnel surrounding rock quality under the deep multi-field coupling environment on Sichuan—Tibet railway; finally, aiming at the two typical forms of surrounding rock disaster (e.g., large deformation and rockburst) of deep-buried tunnels along Sichuan—Tibet railway, the multi-factor stepwise evaluation method of large deformation classification of surrounding rock, as well as the research idea and prediction model and comprehensive prediction method of deep rockburst were proposed. The relevant research results and academic ideas can provide a reference for the disaster analysis and stability research of surrounding rock of deep tunnels along Sichuan—Tibet railway.
Key words: Sichuan—Tibet railway    deep-buried tunnel    in-situ environment    engineering disturbance    classification of surrounding rock quality    large deformation    rockburst    

川藏铁路东起四川成都,西至西藏拉萨(图1),是国家“十四五”规划实施的重大工程、世纪工程,其建设对于推动川藏地区社会经济发展,促进民族团结,巩固边疆稳定等国家战略需求具有重大意义[1]。作为建设在全球新构造运动最为强烈且有“世界屋脊”之称的青藏高原上的长大干线,川藏铁路将穿越8座海拔4 000 m以上的高山,沿线设置大量深埋隧道。新建雅安—林芝段拟建隧道72座,隧线占比高达84.4%,已于2020年陆续开工建设,预计2030年竣工,其中,超千米埋深(最深达2 080 m)隧道31座,占正线长度62.6%[2-3],其建设面临大量亟待解决的高难度深部岩石力学工程与科学技术难题。

图1 川藏铁路路线及地形地貌图[1] Fig. 1 Route and topographic-geomorphologic map of Sichuan—Tibet railway[1]

川藏铁路沿线地形地貌剧烈起伏,地层岩性复杂多变,深大活动断裂分布广泛,内外地质作用异常活跃,多场环境耦合作用强烈,且面临高地应力、高地温、高水压、高海拔、高地震烈度等不良地质环境,工程建设难度与安全风险国际罕见[4-5]。在极端复杂的工程环境及强烈的工程扰动影响下,川藏铁路深埋长隧建设过程中,岩爆、大变形、突水突泥、塌方冒顶等工程灾害问题更加凸显[6]。其中,深部高地应力岩爆和围岩大变形是川藏铁路深埋隧道围岩失稳灾变最为常见的两种典型显现形式。定测阶段资料显示[1]:全线硬质岩隧道实测最大地应力53.06 MPa,预测27座隧道发生岩爆灾害(长度占比15.3%);全线软岩隧道实测最大地应力为44.30 MPa,预测43座隧道发生大变形(长度占比17.8%)。深部高频率、大体量的围岩灾变失稳极易造成严重的安全事故及巨额经济财产损失,影响工程建设进度[7]。如川藏铁路拉萨—林芝段的桑珠岭隧道和巴玉隧道,在建设过程中频繁发生岩爆,导致隧道内台架被严重摧毁,施工人员受伤[8]。因此,深埋隧道围岩灾变问题必将是川藏铁路安全高效建设的核心研究主题之一。

然而,受深部环境与工程扰动影响,深部岩体力学响应规律和灾变孕育过程不清楚,甚至基于传统岩石力学视角建立的理论模型也可能在深部失效,深部围岩灾变预测与控制面临严峻挑战。符合深部特征的围岩灾变分析研究,既是国家战略工程川藏铁路深埋长隧建设的重大现实需求,也是保障极端复杂地质环境下的深地空间安全利用和深部资源安全开采的核心关键。

事实上,岩爆、大变形等深埋隧道围岩的灾变问题与深部原位环境下的岩体质量和工程力学响应是直接相关的。因此,符合深部特征的围岩灾变分析研究,需要紧紧抓住深部原位环境特征及工程扰动特征,需要解决准确刻画深部岩体质量的难题。据此,作者立足于川藏铁路工程建设的重大现实需求,围绕核心研究主题“深部围岩灾变分析”,在系统调研与总结以往研究成果的基础上,从深部围岩孕灾的原位地质环境与工程扰动效应入手,围绕深部围岩质量分级、大变形判识和岩爆孕灾等内容进行深入思考与系统研究。相关研究成果与学术思想可为川藏铁路沿线深埋长隧安全建设与稳定运营提供科学依据;随着后续滇藏铁路、新藏铁路等其他进藏“天路”的陆续规划实施,有望广泛辐射至青藏高原深部工程开发与应用实践。

1 川藏铁路深部围岩孕灾原位地质环境概述 1.1 地质构造特征

川藏铁路途经青藏高原,地处冈瓦纳大陆与欧亚大陆交汇部位,是巨型环球纬向特提斯构造域的东部主体,涵盖东特提斯构造域和冈瓦纳大陆与欧亚大陆碰撞拼合的关键地带。受控于印度板块与欧亚板块在喜马拉雅地区的陆–陆碰撞及碰撞后持续的向北推移和楔入作用,使得川藏铁路廊道新构造运动十分强烈。川藏铁路沿线途经4个一级构造单元、12个二级构造单元,分布有鲜水河断裂带、金沙江断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带、嘉黎断裂等11条全新世活动断裂带(图2[1]。新建雅安至林芝段断层、褶皱等地质体发育十分密集,共穿越断层227条、褶皱65条,沿线地质构造有多样性、复杂性等特征[9]

图2 川藏铁路廊道地质构造示意图[1] Fig. 2 Schematic diagram of the geological structure of the Sichuan—Tibet railway corridor[1]

1.2 地层岩性特征

川藏铁路廊道地层岩性复杂多变,地表出露元古宙以来的各时期地层。以中生代三叠系出露范围最广,主要地层岩性有[10]:以砂岩、板岩、千枚岩为主的沉积岩、变质岩,以花岗岩为主的侵入岩,以灰岩为主的可溶岩。昌都以东的地层岩性以砂岩、泥岩等沉积岩和变质砂岩、板岩等浅变质岩为主,局部分布有花岗岩侵入岩;昌都以西主要以片麻岩、花岗岩等硬质岩为主,局部分布砂板岩等软质岩,如图3所示。

图3 川藏铁路廊道地层岩性分布[10] Fig. 3 Distribution of formation lithology of the Sichuan—Tibet Railway corridor[10]

其中:三叠系砂砾岩、板岩、千枚岩等典型工程软岩的单轴抗压强度较低(7~33 MPa),高地应力环境下具有显著的时效力学特性;志留系片岩、白垩系二长花岗岩、花岗闪长岩等典型工程硬岩的单轴抗压强度较高(85~152 MPa),表现出高强度岩石的显著脆性破坏特性[11]

1.3 围岩赋存环境

受青藏高原强烈构造运动的影响,川藏铁路廊道的水平构造应力量值大且方向复杂,极高地应力隧道段落长。钻孔实测地应力资料显示:雅安至金沙江缝合带预测最大主应力13~51 MPa,以北西方向为主;贡觉至林芝段,预测最大主应力22~66 MPa,以北东向方向为主[9]。由于川藏铁路沿线深大断裂发育,形成了良好的集水通道,加之沿线隧道埋深极大,极易在脆性岩层区域形成高压富水带。其中,康定、折多山、宝灵山、色季拉山隧道均在施工现场揭示了高承压水现象。川藏铁路沿线的高地温环境主要受到大埋深和水热活动控制;受地温梯度影响,大埋深隧道围岩温度往往较高。同时,地下水沿断裂带渗入并向深部循环,被地下热源体加热后上升隐伏于地下或出露于地表,形成系列温泉及高温异常区。其中:川藏铁路雅安至昌都段温泉分布众多,67处与线路关系较大;昌都至林芝段测区分布温泉115处,8处与线路关系较大,水温可达25~98 ℃[9]

整体而言,川藏铁路沿线断层、褶皱密集发育,以深大活动断裂为主控构造,并且这些深大断裂多属活动断裂,断裂破碎带胶结差,导致其影响带、次级构造发育张性或张扭性裂隙、断裂,这为高温地下水向上运移,形成高温高压富水带提供了有利条件。同时,沿线地层岩性混杂多变,从第四纪至震旦纪地层均有分布。强烈的构造运动、混杂的地层岩性和活跃的水热活动等共同孕育了深部围岩高地应力、高渗压、高地温复杂原位赋存环境,如图4所示。

图4 川藏铁路隧道围岩赋存环境特征[12-14] Fig. 4 Occurrence environment characteristics of surrounding rock of Sichuan—Tibet Railway tunnel[12-14]

2 深部围岩孕灾工程扰动效应的挑战与思考 2.1 问题与挑战

在川藏铁路深埋隧道等地下工程建设过程中,围岩常面临“三高一扰动”(高地应力、高地温、高渗压和工程扰动)的复杂力学环境,其灾变过程及力学控制机理与浅部岩体相比更为复杂[15]。深部高地应力等极端赋存环境下,软岩常表现出强流变特性;硬岩则持续积聚应变能,且对于外界工程活动十分敏感,极易在工程扰动下发生突然破坏与失稳,诱发岩爆和围岩大变形等工程灾害[16-17]。可见,工程扰动是深部围岩灾变分析及稳定性研究不容忽视的关键因素。

为此,国内外学者主要通过设计与工程现场相接近的应力路径、开展卸荷试验或现场监测等,研究深部岩体的扰动灾变行为及工程响应规律。结果表明,深部岩体力学性质具有明显的应力路径相关性,围岩应力重分布特征可用于开挖损伤区大小的判断,开挖导致的扰动应力演化是深部围岩灾变失稳的主要原因[18-20]。同时,开挖卸荷会导致岩体发生明显的拉伸破坏,地应力的卸载也是围岩损伤破坏的重要原因之一[21-23]。此外,大量现场监测结果显示,在开挖瞬时原岩应力平衡被打破,到最终应力稳定这一过程中,各开挖区域的应力重分布特征和加卸荷情况直接影响围岩的最终破坏形式[24]。一方面,开挖应力重分布引起的应力集中会导致围岩破裂范围更广,破裂程度更严重;另一方面,开挖后的持续卸荷过程使围岩渐进破坏特征更加显著。在扰动应力集中和持续卸荷的共同影响下,围岩的破坏过程及灾变机理更加复杂不清。这些研究成果加深了对深部围岩扰动破坏行为和失稳灾变响应的认识,凸显了深部围岩孕灾研究考虑工程扰动影响的必要性与重要性。

目前,通过相关理论分析、室内模拟和现场监测研究,对于深部围岩灾变失稳的工程扰动效应已有整体的把握,但工程扰动方式差异对深部围岩孕灾的影响尚未得到系统考虑和深入揭示。事实上,深部工程灾害多是深部岩体的力学平衡被打破后损伤累积失稳灾变的结果,不同的开挖扰动方式(钻爆开挖、机械掘进等)将造成深部围岩灾变力学行为及工程响应有所不同。对于川藏铁路深埋隧道工程实践,深部围岩常面临高水平构造应力条件,即使在同一地应力水平下,不同的开挖扰动方式也可能引起深部围岩的裂隙结构呈现差异性演化特征,导致围岩即时强度、变形特性和破坏行为等呈现出不同特征,直接影响隧道围岩灾变分析及稳定性评价。因此,亟需系统考虑不同工程扰动方式的影响,深入开展深部围岩孕灾工程扰动效应研究。

2.2 思考与进展

由上述分析可知,对于深部围岩孕灾工程扰动效应问题的合理探讨,应当建立在深入认识开挖扰动方式对围岩灾变造成的差异性影响的基础上。因此,以工程扰动方式差异为核心,从试验模拟、理论分析等方面开展初步研究与思考,力争回答深部围岩孕灾工程扰动效应研究中涉及的一些核心难题—试验模拟如何还原深部工程扰动效应,以及理论分析如何考虑深部工程扰动效应。

试验模拟如何还原深部工程扰动效应方面:深部洞室开挖将引起围岩的大范围变形和应力重分布,且在不同开挖条件下,深部围岩的扰动应力演化规律各不相同,但整体上仍存在明显的共性特征(图5)。据此,系统考虑了全断面钻爆法、分部开挖钻爆法和全断面掘进机法3种开挖扰动方式,将深部围岩开挖扰动全过程中的应力演化过程概化为原岩应力、开挖扰动、应力稳定3个阶段;考察了工程扰动过程中深部围岩内部应力的演化共性规律;结合相关理论分析,建立了深部围岩开挖扰动应力路径的控制方程,并通过引入应力集中系数定量刻画了不同开挖方式下围岩应力重分布的差异性特征;最后,提出综合考虑深部赋存环境及开挖扰动方式影响的岩体灾变力学行为模拟方法[25]

图5 工程扰动过程中的应力演化示意图[25] Fig. 5 Schematic diagram of stress evolution during engineering disturbance[25]

图6为不同开挖扰动方式下深部围岩灾变力学行为模拟的试验应力路径,区别于标准化的“从0加载到破坏”的岩石全应力–应变力学试验,该方法能够同时反映开挖扰动方式和赋存深度对围岩灾变力学响应的影响,克服了传统岩石力学加载路径与围岩扰动应力场没联系、与赋存深度没联系、与开挖方式没联系的局限。作者将该方法应用于深部锦屏大理岩扰动灾变力学响应差异研究,揭示了工程扰动对深部围岩灾变力学行为的影响。受工程扰动强烈影响,深部岩体承载能力显著下降(长期强度下降35%),灾变破坏形式由剪切破坏为主转化为拉剪破坏主导[25]

图6 考虑开挖扰动方式的试验应力路径[25] Fig. 6 Experimental stress path considering excavation disturbance patterns[25]

理论分析如何考虑深部工程扰动效应方面:工程岩体力学参数的定量获取及理论估计一直都是岩土工程领域中的核心难题。目前,以室内岩石力学试验为基础,结合相关理论公式将岩块力学参数修正并换算成岩体力学参数,是地下工程实践普遍能接受的方法[26]。其中,以Hoek–Brown强度准则为基础的岩体力学参数估算理论是目前较为完善的方法之一[27]。该方法基于地质强度指标(GSI)这一岩体强度参数的定量计算指标,且考虑了地质条件和工程扰动因素的影响[28]。广义Hoek–Brown强度准则如下:

$ {\sigma _1}{\text{ = }}{\sigma _3}{\text{ + }}{\sigma _{{\text{ci}}}}{\left({m_{\text{b}}}\dfrac{{{\sigma _3}}}{{{\sigma _{{\text{ci}}}}}}{\text{ + }}s\right)^a} $ (1)

式中:σci为岩块单轴抗压强度;mbsa为表示岩体材料特性的半经验参数,可表示为GSI的函数:

$ \left\{ \begin{gathered} {m_{\text{b}}}{\text{ = }}{m_{\text{i}}}{{\rm{e}}^{\frac{{{\text{GSI}} - 100}}{{28 - 14D}}}}, \hfill \\ s{\text{ = }}{{\rm{e}}^{\frac{{{\text{GSI}} - 100}}{{9 - 3D}}}}, \hfill \\ a{\text{ = }}\dfrac{1}{2}{\text{ + }}\dfrac{1}{6}({{\rm{e}}^{ - {\text{GSI}}/15}} - {{\rm{e}}^{ - 20/3}}) \hfill \\ \end{gathered} \right. $ (2)

式中,mi为岩石材料常数,D为扰动因子。

同时,Hoek和Dierichs基于大量岩体变形模量的测量数据,提出估算岩体变形模量Erm的公式[29]

$ {E_{{\text{rm}}}}{\text{ = }}{E_{\text{i}}}\left\{ {0.02{\text{ + }}\frac{{1{ - }D/2}}{{1 + \exp \left[ {\left( {60 + 15D - {\rm{GSI}}} \right)/11} \right]}}} \right\} $ (3)

式中,Ei为完整岩石的变形模量,MPa。在地下洞室开挖过程中,GSI和Hoek–Brown强度准则的应用流程见图7

图7 GSI和广义Hoek–Brown强度准则在地下工程开挖中的应用流程[28] Fig. 7 Application process of GSI and generalized Hoek–Brown strength criterion during underground engineering excavation[28]

在实际应用过程中,通过引入岩体扰动因子D(取值建议见表1),对岩体材料参数mbs进行修正,从而实现岩体强度、变形模量Erm等力学参数计算对工程扰动的理论考虑。基于广义Hoek–Brown强度准则的岩体力学参数估算理论,重点以开挖后围岩破坏的显现特征为依据,进而宏观考量隧道围岩灾变失稳的工程扰动效应,没有细分不同工程扰动方式导致的围岩破坏程度差异,较少考虑工程扰动应力路径对岩石强度的影响。由于岩块单轴抗压强度σci、岩体材料特性参数(mbs等)是广义Hoek–Brown强度准则中的关键参数,作者从这两类参数入手开展相关研究,给出了考虑不同工程扰动方式影响的岩体力学参数估算理论研究思路。

表1 地下洞室开挖过程中岩体扰动因子D的取值建议[28] Tab. 1 Proposal for the values of the rock mass disturbance factor D during underground cavern excavation[28]

首先,深部隧道开挖过程中,围岩内部伴随着复杂的应力调整。前述分析表明,不同开挖扰动方式下岩体所经历的应力路径有所差异,而这种差异会造成深部岩体的灾变力学性质和工程响应规律大相径庭。那么,不同开挖扰动方式扰动后的岩石单轴抗压强度特征也势必会有所不同,若不对其进行明确的区分,而直接采用岩石单轴压缩力学测试结果进行岩体强度理论估算,将一定程度上影响结果的准确性。因此,在应用Hoek–Brown准则进行岩体强度理论换算时,有必要系统考虑工程扰动应力路径对岩石单轴抗压强度的影响。具体地,作者认为可通过引入岩块单轴抗压强度的扰动修正系数αD,对广义Hoek–Brown强度准则进行如下修正:

$ {\sigma _1}{\text{ = }}{\sigma _3}{\text{ + }}\alpha_{\rm{D}} {\sigma _{{\text{ci}}}}{\left({m_{\text{b}}}\dfrac{{{\sigma _3}}}{{{\sigma _{{\text{ci}}}}}}{\text{ + }}s\right)^a} $ (4)

式中,αD反映了不同开挖扰动方式下岩块单轴抗压强度的劣化程度。

再者,在GSI和广义Hoek–Brown强度准则的工程应用流程中,引入扰动因子D以反映工程扰动的影响。其中,D主要基于开挖后软弱或硬质围岩损伤破坏的表观特征进行经验确定。由表1可知:在现有方法中,针对软岩隧道开挖,D的取值为0或0.5;针对硬岩隧道开挖,D的取值为0或从洞壁的1.0线性减小至内部2 m处的0。无论是针对软岩或是硬岩隧道开挖,D的取值均比较粗略,对于工程扰动效应的考虑较为笼统。而实际上,针对深埋隧道围岩开挖过程中失稳破坏的两种典型形式(软岩大变形和硬岩岩爆),工程开挖扰动后围岩大变形的等级、岩爆的剧烈程度都并非一成不变,即不同工程扰动导致的围岩失稳破坏程度是不同的。因此,认为有必要基于工程开挖围岩的破坏程度差异,进一步细分岩体扰动因子D的取值,这对于提高工程评价结果的精确性意义重大。将初步的研究思想归纳为:1)针对软岩隧道开挖,可根据大变形等级、变形模式或变形速率等因素对围岩破坏程度进行综合划分,那么不同破坏程度对应的D值可被细分为0~0.5范围中的某一数值;2)针对硬岩隧道开挖,可根据岩爆发生的剧烈程度(能量释放量、破坏范围等)划分围岩破坏程度,那么不同破坏程度下围岩表面对应的D值将被细分为0~1.0范围中的某一数值,且D值将从这一数值线性递减到围岩内部2 m处的0。

随着川藏铁路的全面建设,可在以上相关研究基础和研究思路的推动下,进一步针对性地开展川藏铁路深部围岩灾变力学响应与稳定性方向的理论分析、室内模拟及现场应用研究,进而系统揭示川藏铁路深部围岩的孕灾工程扰动效应,为沿线深埋隧道的安全建设提供理论方法支撑。

3 深部多场耦合环境下围岩分级的挑战与思考 3.1 问题与挑战

川藏铁路廊道活动断裂发育,新构造运动强烈,区域地应力水平高,地热异常区分布广泛,高温高压水害突出[30-31]。受此影响,沿线深埋隧道围岩广泛赋存于高地应力、高地温和高渗压的复杂耦合地质环境中。深部多场耦合环境下隧道围岩的力学性质发生劣化,工程响应特征更为复杂,热力耦合岩爆、多场耦合围岩大变形等工程灾害问题凸显[32],隧道建设难度与安全风险显著增加。深部多场耦合环境下的围岩稳定性成为制约川藏铁路深埋隧道安全建设的核心工程难题。岩体质量直接影响围岩稳定性,准确评估深部多场耦合环境下的岩体质量是川藏铁路深埋隧道围岩稳定性分析的关键。

作为评价工程岩体质量的重要手段,岩体分级研究经历了单一或少数指标分级、多指标定性和定量分析相结合分级及多因素综合指标分级几个阶段。研究表明,岩石强度、岩体完整性、岩体结构、地下水和地应力等因素均会对岩体质量分级造成影响[33-36]。发展至今,修正的BQ分级、Q系统分级、岩体地质力学分级(RMR)等常用岩体质量分级方法已认识到地下水、地质构造与地应力等因素对岩体质量评价结果的影响[37-38],但尚未系统考虑地应力、地温和地下水综合作用对围岩分级结果的显著影响。然而,川藏铁路沿线深埋隧道建设过程中,围岩常面临着热–水–力多场耦合环境特征,直接采用现有的岩体分级方法难以准确且有效地实现隧道围岩质量评价及相关工程岩体力学参数的确定。现有的岩体分级体系基本上是在过去以低地应力为主的工程经验基础上系统总结形成的,亟需探索符合川藏铁路深部多场耦合环境特征的围岩分级方法。

3.2 思考与进展

《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)中修正的BQ法是地下工程领域最为常用的岩体质量分级方法之一。该方法系统考虑了地下水、岩体结构面方位和地应力等因素对岩体质量分级的影响,即在计算岩体基本质量指标BQ时,引入了3类修正系数,得到修正后的岩体质量指标[BQ]为:

$ \begin{aligned}[b] [BQ] =& 100 + 3R_{\rm{c}} + 250K_{\rm{v}} - 100(K_1 + K_2 + K_3) \hfill \\ \end{aligned} $ (5)

式中,Rc为饱和单轴抗压强度,Kv为岩体完整性系数,K1为地下水影响修正系数,K2为主要结构面产状影响修正系数,K3为初始应力状态影响修正系数。

修正的BQ法未考虑温度这一环境因素,高温环境对工程岩体质量分级的影响尚不清楚,但却正是基于该方法进一步发展深部多场耦合环境下岩体分级方法的关键基础。因此,首先基于修正的BQ法(式(5)),依托桑珠岭隧道[39-40]、齐热哈塔尔隧洞[41-42]和木扎提隧洞[43]的高温隧段,探讨温度对修正的BQ岩体分级结果的影响。结果显示,基于修正的BQ法获得的岩体分级结果与实际揭露的围岩质量分级情况存在显著差异,修正的BQ岩体分级结果偏于工程冒进(表2)。

表2 修正的BQ岩体质量分级方法对高温环境的工程适用性评价 Tab. 2 Engineering applicability evaluation of the revised BQ classification method of rock mass quality to high temperature environment

可见,未考虑温度影响的修正的BQ法对于高温环境下的岩体质量分级不完全适用。因此,以修正的BQ法为基础,进一步考虑温度对岩体分级的影响,从岩石强度劣化和岩体质量劣化的双重角度出发,初步探索了综合考虑地应力、地温和地下水影响的围岩分级修正方法,采用的总体研究思路见图8

图8 深部多场耦合环境下围岩质量分级修正研究思路 Fig. 8 Research ideas on classification revision of surrounding rock quality under deep multi-field coupling environment

由于岩石饱和单轴抗压强度是修正的BQ法中的关键定量指标,从温度对岩石强度影响的角度出发,研究了川藏铁路深部工程岩石的饱和单轴抗压强度随温度的变化关系,发现深部花岗岩的饱和单轴抗压强度随着温度的升高,呈显著的下降趋势,如图9所示。

图9 不同温度下饱和花岗岩压缩变形曲线 Fig. 9 Compression deformation curves of saturated granite under different temperatures

据此,为反映高温环境下岩石强度劣化效应对岩体质量分级的影响,通过引入岩石饱和单轴抗压强度的温度修正系数αT,提出考虑温度影响的BQ分级修正方法1,得到考虑岩石强度温度修正的岩体质量指标[BQ]T1

$ \begin{aligned}[b] {[BQ]_{{\text{T}}1}} =& 100 + 3\alpha_{\rm{T}} R_{\text{c}} + 250K_{\text{v}} - 100(K_{\text{1}} + K_{\text{2}} + K_{\text{3}}) \hfill \\ \end{aligned} $ (6)

式中,αT为岩石饱和单轴抗压强度随温度上升而减小的量值,采用式(7)计算:

$ \alpha_{\rm{T}} = \dfrac{{R_{\text{c}}^{\text{T}}}}{{{R_{\text{c}}}}} $ (7)

式中: $R_{\rm{c}}^{\rm{T}} $ 为高温环境下的岩石饱和单轴抗压强度,MPa;Rc为常温环境下的岩石饱和单轴抗压强度,MPa。常温条件下,αT取1,即不考虑岩石强度的温度修正;当温度高于常温时,根据式(7)计算αT。本文基于不同温度环境下川藏铁路沿线花岗岩的饱和单轴压缩力学测试结果,通过线性插值获得了20~100 ℃温度范围内的αT取值。

事实上,温度对岩体质量分级的影响,不仅与温度环境下岩石本身的力学性质有关,还与岩体完整程度等结构特征有关。为更加全面地体现温度对岩体质量分级的影响,基于修正的BQ法,进一步从温度对岩体质量综合影响的角度出发,引入温度综合修正系数K4,提出考虑温度影响的BQ分级修正方法2。该方法中,考虑温度修正的岩体质量指标[BQ]T2为:

$ \begin{aligned}[b] {[BQ]_{{\text{T2}}}} = &100 + 3R_{\rm{c}} + 250K_{\rm{v}} - \hfill \\& 100(K_1 + K_2 + K_3 + K_4) \hfill \\ \end{aligned} $ (8)

根据图8的研究思路,结合K1K2K3的取值经验,基于桑珠岭隧道、齐热哈塔尔隧洞、木扎提隧洞等高温隧段的工程样本分析与反馈,得到不同温度环境及[BQ]取值条件下对应的K4,见表3

表3 温度综合修正系数K4的取值表 Tab. 3 Values of temperature comprehensive revision coefficient K4

进一步地,依托桑珠岭隧道、齐热哈塔尔隧洞和木扎提隧洞的30余个高温隧段工程样本,开展了以上两种考虑温度影响的BQ岩体分级修正方法的工程适应性研究。结果显示,考虑温度修正后,高温隧段的BQ岩体分级结果与实际围岩等级更加吻合(图10)。最终,将本文方法应用于川藏铁路沿线某隧道工程的多场耦合环境围岩分级研究。具体地,根据该隧道沿线的温度、水压及地应力分布特征,选择典型多场耦合环境隧道断面,利用提出的综合考虑地应力、地温和地下水影响的岩体分级修正方法,获得该隧道5个典型断面的岩体分级结果(表4)。首先,对于不同温度条件下的隧道断面,两种考虑温度影响的BQ岩体分级修正方法得到的分级结果是相同的,这说明了两种修正方法的一致性。对于温度较低的断面1(<28℃)、断面2(28~37 ℃)和断面3(37~50 ℃),考虑温度修正后的围岩分级结果与未修正之前保持一致。值得注意的是,断面2(28~37 ℃)和断面3(37~50 ℃)考虑温度修正后的[BQ]值相比于未考虑温度修正前的[BQ]值均出现显著下降,只是并未达到影响围岩分级结果的程度。对于温度较高的断面4(50 ℃)和断面5(65℃),未考虑温度修正前的围岩分级结果为Ⅳ级,考虑温度修正后变为Ⅴ级。总体而言,高温环境给川藏铁路多场耦合环境下的隧道围岩分级结果造成了影响,影响程度取决于隧道温度的高低。在一定温度范围内,温度只影响隧道围岩的[BQ]值,不会影响最终分级结果;当温度超过某个值时(本文研究为50℃),[BQ]值的变化幅度超过岩体分级等级的界限,热–水–力多场耦合环境对围岩质量的劣化作用得以显现。

图10 考虑温度影响的BQ岩体分级修正方法的工程适用性评价结果 Fig. 10 Engineering applicability evaluation results of the revised BQ classification method of rock mass quality considering influence of temperature

表4 川藏铁路某隧道多场耦合环境下围岩质量分级结果 Tab. 4 Classification results of surrounding rock quality of a tunnel along the Sichuan—Tibet railway under multi-field coupling environment

整体而言,本文提出的两种考虑温度影响的BQ岩体分级修正方法,在川藏铁路沿线某多场耦合环境隧道工程中得到了较好的应用。随着后续川藏铁路的全面建设,以及具有相似工程地质条件的滇藏铁路、新藏铁路等交通工程的陆续规划建设,该方法有望得到更为广泛的工程应用或辐射效果。但同样需要注意的是:方法1中,温度修正系数αT的确定需以高温环境下的岩石饱和压缩力学试验数据作为支撑,对室内岩石力学试验结果的依赖性较强,以此方法得到的围岩分级修正结果对于依托隧道工程及其他岩性相似的工程较为可靠;但不同岩性对于温度变化的敏感性不同,对于不同的地下工程需要针对性地开展大量不同岩性试样的高温饱和压缩力学试验,进而确定系数αT。方法2中的温度影响修正系数K4将温度对岩石强度、岩体完整程度、岩性等因素的影响进行了综合考虑,将温度对围岩质量分级的影响考虑得更加全面,但K4本质上是经验确定,对于工程样本数量的依赖性强;本文确定K4时采用的工程实例数量总体偏少,随着后续更多高温地下工程实践的推进,还需要收集并补充更多的工程样本资料并探索相应的理论依据,对K4的取值进行改进与完善,以进一步提高该方法的准确性。与此同时,川藏铁路深埋隧道围岩分级不仅受到深部多场耦合环境影响,还将受到后续施工开挖期间的强烈工程扰动影响。工程扰动作用下,隧道围岩的深部多场耦合环境被打破且随着开挖推进而动态变化,围岩的扰动灾变响应将呈现出新的特征。本文作为初步探索,重点关注了深部多场耦合环境对川藏铁路隧道围岩分级的作用效果。在后续研究中,还需重点关注工程扰动的影响,即通过深部原位耦合环境下的围岩扰动致灾机理研究,建立综合考虑深部多场耦合环境及工程扰动影响的岩体质量评价修正指标,进而提出适应深部复杂赋存特征的扰动围岩分级修正新方法,为川藏铁路等复杂耦合地质环境下施工阶段的隧道围岩质量评价提供可靠的方法支撑。

4 深部高地应力环境下围岩大变形判识的挑战与思考 4.1 问题与挑战

围岩大变形普遍存在于地下工程实践,在中国西部艰险山区深埋隧道工程建设过程中尤为突出。例如,兰新铁路乌鞘岭隧道,兰渝铁路木寨岭、两水、毛羽山和新城子隧道,成兰铁路杨家坪、平安和茂县隧道等均出现了不同程度的大变形灾害,造成了支护结构侵限、施工工期耽误、工程成本增加等不利后果[44]。川藏铁路沿线隧道超长超深,地应力超高,全线软岩隧道实测地应力高达44.30 MPa;在深部高地应力和强烈构造作用下,沿线深埋长隧建设势必面临围岩大变形难题,严重制约工程安全建设与正常运营。

国内外学者针对高地应力下围岩大变形问题开展了持续研究,从围岩变形和强度等角度提出多种指标对大变形进行判识与分级;一般认为,大于某项指标的临界值时,隧道围岩便会发生大变形,并通过设置多个阈值范围对其严重程度予以等级界定[45-46]。其中,围岩变形类分级指标主要有绝对变形量、相对变形量、收敛应变、相对应变、变形速率等,此类分级方法多被用于施工阶段,例如:基于最大变形量的《铁路隧道施工规范》大变形分级方法、基于变形量和变形速率的兰渝线软岩隧道大变形分级方法等[47-48]。围岩强度类分级指标主要为岩体强度应力比或其等效形式,通常被用于勘察设计阶段的大变形分级,如:《铁路隧道设计规范》[49]、《铁路挤压性围岩隧道技术规范》[50]、《川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定》[51]等载明的大变形分级方法。上述分级方法对深部高地应力围岩大变形判识研究的发展与进步起到了积极的推动作用。

事实上,深部围岩大变形的孕灾机理和发生模式十分复杂、影响因素多,普遍被认为是一种具有显著时间效应的变形与失稳破坏现象,其孕育过程除了受高地应力的显著影响外,还与地质构造、地层岩性、岩体结构及岩体质量特征等因素密切相关[44,52-53]。受此影响,在实际应用过程中,基于不同分级指标或方法获得的大变形判识结果有时存在差异。同时,不同分级方法适用的工程建设阶段也不尽相同。其中:变形类分级指标所需的围岩变形参数需在施工阶段获取,较难应用于勘察设计阶段;而勘察设计阶段常用的岩体强度应力比大变形分级指标,面临岩体强度直接测定难度大、主观性较强等难题,导致勘察设计阶段深埋隧道围岩的大变形判识研究面临严峻挑战。然而,勘察设计阶段的围岩大变形判识是隧道选线和支护设计的关键,因此,有必要在现有研究方法的基础上延伸与发展,探索一套流程简单、可有效服务于勘察设计阶段的深埋隧道围岩大变形分级评价方法,从而为川藏铁路沿线隧道围岩大变形灾害分析与预测提供支撑。

4.2 思考与进展

岩体强度应力比作为规范规定的、最为常用的大变形分级指标,凸显了岩体强度和地应力对大变形灾害的核心控制作用。对于岩体强度而言,不仅受到岩石本身力学性质的影响,很大程度上还取决于岩体结构特征。即便岩石自身强度很高,围岩仍可能受结构面影响,导致整体强度较低,在高地应力作用下产生较大变形。因此,大变形灾害不只发生于软质围岩中,在高地应力区结构面发育的硬质围岩中也同样存在。例如,天平铁路关山隧道的闪长岩大变形和贵昆铁路三联隧道的玄武岩大变形等[54-55]。可见,在开展高地应力围岩大变形分级研究时,需要兼顾考虑围岩坚硬程度和岩体完整性等因素。

作为围岩变形破坏的核心外部驱动力,普遍共识认为高地应力是围岩大变形灾害孕育的必要条件。因此,地应力水平的界定对于大变形判识尤为重要。目前,学术与工程界主要采用岩石强度应力比(Rc/σmax)对地应力水平进行界定[56]。其中,《铁路隧道设计规范》[49]将其分为一般地应力(Rc/σmax>7)、高地应力(4≤Rc/σmax≤7)和极高地应力(Rc/σmax<4)3个等级。中国西部艰险山区大量深埋隧道工程多处于极高地应力环境(Rc/σmax普遍小于4),围岩大变形灾害较为突出。同时,工程实践表明,地应力水平应该与岩石或岩体的破坏相关联,即应力量值足以导致结构体或岩块破裂的地应力应判断为高地应力[56]。因此,在依据《铁路隧道设计规范》[49]或《工程岩体分级标准》[57]对地应力水平进行判识的基础上,还可从岩体或岩块是否可能出现破坏,进一步地从地应力量值上去考虑该地应力水平是否可能导致围岩出现大变形。例如,对于强度为30 MPa的较软岩,如果最大地应力水平仅有7.6 MPa,强度应力比小于4,按照规范规定,应划分为极高地应力;实际上,该应力水平难以导致岩石破坏并诱发围岩大变形。因此,有必要在综合审视岩石强度应力比和地应力测值大小的基础上,进一步细分初始地应力状态对围岩大变形判识结果的影响。

受上述分析与思考的启发,在系统总结并吸纳现有大变形分级方法与工程应用案例的基础上,紧抓中国西部艰险山区高地应力环境对围岩大变形灾害孕育的重要影响,围绕规范方法实施的难点,以岩石强度应力比和地应力测值大小为基础,叠加考虑围岩坚硬程度和岩体完整性等因素对大变形的重要控制作用,细分地应力等级和地应力量值对大变形分级结果的显著影响,提出一种适用于勘察设计阶段的围岩大变形多因素分步评价方法,具体步骤见图11

图11 隧道围岩大变形分级多因素分步评价方法 Fig. 11 Multi-factor stepwise evaluation method for large deformation of tunnel surrounding rock

图11所示,在第5)步中,对第4)步得到的初判结果进行修正时,需要说明:D表示初判结果取下限等级,U表示初判结果取上限等级,R表示初判结果升一级(修正结果为初判等级的上限等级加一级,上限等级为Ⅲ级则保持不变)。以初判结果Ⅰ/Ⅱ为例,D修正结果为Ⅰ级,U修正结果为Ⅱ级,R修正结果为Ⅲ级。

进一步地,以成昆铁路垭口隧道和成兰铁路茂县隧道为例,开展了围岩大变形分级多因素分步评估方法的工程验证研究。其中,成昆铁路垭口隧道属于构造剥蚀高中山地貌,最大埋深约890 m,隧道3号斜井工区(里程D2K 549+100~D2K 549+710)发生Ⅱ级(或中等)大变形灾害。结合该隧道的勘察设计阶段资料,如图11所示,按照本文方法进行围岩大变形等级预测:1)隧段实测最大主应力为16.48 MPa,岩石单轴饱和抗压强度为11.55 MPa(统计值),岩石强度应力比Rc/σmax=0.701,属于极高地应力;2)隧段岩性为震旦系观音崖组(Z2g)角闪岩及片岩,单轴饱和抗压强度为11.55 MPa,按照《工程岩体分级标准》,将其定为软岩;3)隧段围岩节理密集发育,节理3组以上,间距多小于0.2 m,岩体被切割成碎裂状,按照《工程岩体分级标准》,岩体完整性定为较破碎~破碎;4)综合岩体坚硬程度和完整性程度,将该隧段围岩大变形等级初判为Ⅰ/Ⅱ;5)隧段最大主应力为16.48 MPa,属于15~20 MPa范围,取大变形初判等级的上限等级;6)隧段围岩大变形详判等级为Ⅱ级,与实际发生的大变形等级一致。

成兰铁路茂县隧道所属区域构造为龙门山华夏系构造体系,最大埋深约1 656 m,隧道里程D8K127+775~D8K128+010段发生Ⅲ级(或严重)大变形灾害。结合该隧道的勘察设计阶段资料,如图11所示,按照本文方法进行围岩大变形等级预测:1)隧段实测最大主应力为27.51 MPa,岩石单轴饱和抗压强度为3.00 MPa(统计值),Rc/σmax=0.109,属于极高地应力状态;2)隧段围岩岩性为茂汶活动断裂构造岩之糜棱岩、断层角砾等,母岩为炭质千枚岩、千枚岩局部夹石英脉,单轴饱和抗压强度为3.00 MPa,按照《工程岩体分级标准》,定为极软岩;3)受构造挤压影响严重,围岩节理裂隙较发育,呈粉末状,稳定性差,岩体完整性为极破碎,大变形等级初判为Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ;4)隧段最大主应力为27.51 MPa,大于20 MPa,大变形等级详判为Ⅲ级,与实际大变形等级一致。

本文共收集了中国西南艰险山区10个隧道围岩大变形案例(表5),对提出的大变形分级多因素分步评价方法进行验证,其中:7个隧道采用本文方法得到的分级结果与实际情况一致;3个隧道围岩分级结果高出实际等级Ⅰ级,偏工程安全,总体上该方法具有良好的工程适应性。

表5 本文围岩大变形分级多因素评价方法的工程验证 Tab. 5 Engineering verification of multi-factor evaluation method for large deformation classification of surrounding rock in this paper

本文提出的围岩大变形分级多因素分步评价方法能够对艰险山区深埋隧道围岩大变形灾害进行有效判识预测,且操作流程简单清晰,分级指标可测可量、易于获取,避免了规范分级方法中围岩强度的测量难题,可直接应用于川藏铁路等高原山区深埋隧道的围岩大变形灾害判识与分级预测。但川藏铁路廊道内外地质活动强烈,多场耦合作用突出,本方法对于地下水、地温等环境因素和工程扰动效应尚未考虑全面,相关研究仍需进一步深入。

5 深部高地应力环境下围岩岩爆孕灾的挑战与思考 5.1 问题与挑战

深部高地应力环境下脆硬性围岩极易发生岩爆动力灾害,严重威胁隧道安全[58]。例如,川藏铁路已建拉萨—林芝段的巴玉隧道、桑珠岭隧道等在施工过程中频繁发生岩爆,造成隧道内台架被严重摧毁及施工人员受伤[32]。川藏铁路新建雅安—林芝段隧道最大埋深近2 100 m,深部高地应力岩爆问题更加突出。定测阶段资料显示:沿线硬质岩隧道实测最大地应力高达53.06 MPa,预测27座隧道将发生高地应力岩爆[1]。开展深部高地应力岩爆灾害研究,对于川藏铁路安全高效建设与后期稳定运营至关重要。

目前,普遍认为岩爆是地下工程的一种岩体动力破坏失稳现象,并且围绕岩爆的孕育、判识和预警等方面开展了大量研究工作。岩爆孕育方面,冯夏庭等[59-61]系统探索了深埋隧道即时型岩爆和时滞型岩爆的孕育规律和发生机制,并以岩爆孕育过程为主线,阐述了岩爆分类、原位观测、机制认知、预警与动态控制等方面的最新研究进展。Cai和Kaiser[62]也在其专著中系统总结了岩爆的发生现象、分类、影响因素及破坏机制等方面的研究成果。Ortlepp和Stacey[63]针对不同类型的岩爆震源机制、破坏机理及岩爆类型进行了系统研究。岩爆判识方面,现有的岩爆判据较多,经历了单因素判据到多因素综合判据的发展过程,主要包括强度应力比判据和王兰生判据等应力判据[64]、能量判据[65]、岩爆风险指数[66]及修改的谷–陶岩爆判据[67]和五因素综合判据[68]等。岩爆监测预警方面,学者们针对不同的地下工程,主要基于微震监测、钻孔摄像、声波探测等技术,直接、连续地获取围岩裂隙、损伤、变形和能量释放等信息,结合数值分析和地质判别等方法对观测区域的岩爆发生风险进行评估[69-70]

上述成果为不同工程地质条件下隧道岩爆灾害研究提供了重要参考。对于川藏铁路深埋隧道等深部工程实践,围岩自重应力和构造应力叠加形成了异常的高地应力场并积聚了巨大的变形能量,岩爆灾害的频度与烈度更加突出。加之深部围岩物理及力学特征的复杂性和岩爆影响因素的多样性,岩爆灾害的孕育机理更加复杂,想要准确地预测其时空分布十分困难。深部高地应力岩爆成为制约深部工程实践的世界性科学难题,开展深部高地应力环境下岩爆孕灾及预测研究迫在眉睫。

5.2 思考与进展

总结以往研究工作,认为岩爆灾害的整体研究思路可以简要归纳为:根据现场原位监测信息和室内试验结果等研究岩爆的孕育过程、发生机理和判据,进而综合评估潜在岩爆发生的位置、概率和时间等信息,最终识别出岩爆高风险区域并制定相应的安全控制措施。而实现上述岩爆灾害“机理认知→风险评估→安全控制”的闭环研究思路,关键取决于岩爆预测评估的有效性和可靠性。目前,单一的岩爆预测方法或体系在实际工程应用中普遍存在一定的局限性,缺乏与工程具体建设阶段的有机结合。为此,作者通过强调岩爆综合预测与不同工程建设阶段紧密结合的重要性,提出深部高地应力环境下岩爆综合预测的研究思路(图12),简要归纳如下:

图12 深部高地应力岩爆综合预测的研究思路 Fig. 12 Research ideas on comprehensive prediction of rockburst under deep high in-situ stress

1)岩爆倾向性预测。此研究对应于工程建设的可行性研究和初步设计阶段。由于该阶段仅完成部分勘探钻孔和平硐开挖等工作,围岩内部不存在大范围应力调整,处于能量积聚期;此时应综合利用工程现场的钻孔饼芯现象、初始地应力巴顿经验判据等,以及室内试验获得的岩样脆性度指标、能量冲击性能指标等方法进行岩爆倾向性研究,为岩爆综合预测提供初步依据。

2)岩爆趋势预测。在工程设计和施工阶段,随着洞室开挖进行,围岩应力进入调整阶段,局部区域存在一定的能量释放;此阶段应基于初始地应力场的数值反演及现场地质条件和工程开挖模拟,应用各种岩爆理论判据对区域围岩体发生岩爆及强烈程度做趋势分析,为岩爆的现场监测预报圈定重点区域,指导工程施工开挖设计。

3)岩爆的现场监测预报。在工程施工阶段,大规模的开挖扰动破坏了岩体的平衡条件,岩体积聚的能量局部快速释放;此阶段应采用微震监测等技术进行工作面的日常监测预报,并结合围岩应力和变形等信息,预测监测断面附近区域围岩岩爆发生的时空信息,以便及时采取适当的防护措施,保证地下结构、施工设备和人员的安全。

在上述研究思想的推动下,以瀑布沟水电站地下厂房洞室群为例,以岩爆“倾向性预测→趋势预测→监测预报”为主线,开展了深部高地应力环境下岩爆孕灾及综合预测研究,本文对相关研究成果进行了系统总结与凝练。

岩爆倾向性研究方面,对取自瀑布沟水电站地下洞室的花岗岩开展了钻孔岩芯、初始地应力和岩性判据等多角度的岩爆倾向性分析[71]。其中:工程区初始地应力场以构造应力为主,最大主应力为27.3 MPa,且出现了钻孔“岩芯饼裂”这一高地应力区特有的地质现象,结合巴顿经验判据,地下洞室群围岩可能发生轻微~中等岩爆;地下洞室花岗岩的弹性变形能指数WET值为2.42~4.75,接近高烈度岩爆临界值5.00,发生中等岩爆的可能性较大;岩性判据–脆性度(单轴抗压强度与抗拉强度之比)为28.81,接近中等岩爆临界值26.70,初步判定工程区围岩有发生中等、弱岩爆的可能性。上述结果综合显示,该工程区围岩有发生中、低烈度岩爆的倾向性。

岩爆趋势预测研究方面,岩爆孕灾与开挖扰动后二次应力的分布与集中程度密切相关。首先,利用数值手段模拟了不同初始地应力状态下瀑布沟地下洞室群的分步开挖过程(step1~9),探究了不同水平应力下开挖扰动对岩爆触发作用的影响[72];发现水平地应力为主时,岩爆主要发生在洞顶和洞底;垂直地应力为主时,边墙部位发生岩爆的潜在危害性较大。同时,随着水平应力与垂直应力比的增加,岩体开挖后的最大主应力与抗压强度的比值愈大(图13);结合王兰生应力判据可知,岩爆发生的可能性及烈度等级随之愈高。进一步地,根据瀑布沟水电站地下洞室群的地形地质资料建立3维有限元计算模型,通过工程区初始地应力场反演和工程地质条件及开挖工序模拟,获取了开挖后围岩的二次应力及弹性应变能的数值大小及分布特征,利用巴顿判据、王兰生判据等应力判据和能量判据两类判识方法,圈定了开挖时岩爆可能发生的大致区域和范围(图14)。研究结果显示[71]:1)与现场岩爆发生情况相比,王兰生应力判据基本能反映岩爆发生的实际情况,巴顿应力判据偏于保守,而能量判据偏于危险;使用单一判据进行岩爆趋势预测不够全面,应采用多种判据进行综合预测。2)综合岩爆倾向性及岩爆趋势研究结果,该工程区发生强烈岩爆的可能性不大,但施工期可能会有轻微、中等岩爆发生,某些开挖步局部区域有较强岩爆发生的可能性。

图13 地下洞室主厂房围岩分步开挖时不同侧压比下的 ${{\boldsymbol{\sigma}} _{\boldsymbol{1}}}$ / ${{\boldsymbol{\sigma}} }$ c[72] Fig. 13 Values of ${{\boldsymbol{\sigma}} _{\boldsymbol{1}}} $ / ${{\boldsymbol{\sigma}}} $ c under different lateral pressure ratios during stepwise excavation of the surrounding rock of the main powerhouse of an underground cavern[72]

图14 工程开挖岩爆发生趋势及区域预测(红色标示为岩爆可能发生区域) Fig. 14 Occurrence trend and regional prediction of rockburst during engineering excavation (marked in red are areas where rockburst may occur)

岩爆监测预报方面,声发射法是岩爆监测的主要手段,但如何根据声发射时空分布参数及迁移特征进行岩爆失稳预测尚未得到解答。针对此难点,在机理研究方面,开展了单向加载、三向加载条件下深部工程岩石的声发射试验研究;通过引入岩石分形理论,初步揭示了深部岩石灾变过程中声发射信号时空分形维数的演化规律。无论是单向加载还是三向加载条件,深部岩石在临近峰值应力时,声发射信号的空间分维和时间分维均呈现出同步加速下降现象[73],可为深部高地应力环境岩爆现场监测与预报提供依据。现场预测模型研究方面,提出一种小波神经网络(WNN)方法用于声发射率预测,结合突变理论建立一种新的岩爆预测模型[74]。该岩爆预测模型基于现场监测到的声发射信号建立小波神经网络模型,对声发射的时间序列进行拟合预测,使网络达到最佳的逼近效果;再针对预测的声发射率建立突变模型( ${\mathit{\Delta}}$ =8p3+27q2pq为尖点突变模型中势函数的控制变量; ${\mathit{\Delta}} $ >0,测点附近岩体稳定; ${\mathit{\Delta}} $ =0,测点附近岩体处于临界状态; ${\mathit{\Delta}} $ <0,测点附近岩体发生岩爆),进行现场岩爆预测。通过与瀑布沟水电站地下厂房洞室现场声发射钻孔监测资料对比分析,验证了该小波神经网络方法(WNN)用于声发射率预测的可靠性与精准性(图15);进而,将声发射率的WNN预测值代入岩爆突变预测模型求解pq,计算 ${\mathit{\Delta}} $ 值,对现场岩爆情况进行预测预报,得出观测区域围岩未来3 d的 ${\mathit{\Delta}} $ 值均大于0,即不会发生岩爆,与现场实际岩爆发生情况一致,表明该岩爆预测模型具有较好的工程实用性。

图15 测孔声发射率及WNN预测值对比[74] Fig. 15 Comparison of borehole acoustic emission rates and WNN predicted values[74]

综上,本文提出深部高应力环境下岩爆综合预测研究思想,初步开展了岩爆孕灾的影响因素及机理、预测模型方面的研究工作,取得了一些有价值的认识,并在瀑布沟、猴子岩等水电站地下厂房围岩岩爆研究中得到了良好的应用。随着川藏铁路的分阶段陆续开工建设,结合沿线深埋隧道工程的实际建设阶段,应用本文提出的岩爆综合预测研究思想和预测模型,有望实现川藏铁路深部高地应力隧道围岩岩爆的有效判识与控制。

6 结论与展望

川藏铁路是国家“十四五”规划实施的重大工程、世纪工程,面临全球最为复杂的工程地质条件。受复杂赋存环境和强烈工程扰动影响,深部围岩失稳灾变成为制约川藏铁路深埋隧道工程安全建设的重大难题。为此,以深部围岩灾变分析为研究核心,从深部围岩孕灾的原位地质环境与工程扰动效应入手,围绕深部围岩质量分级、大变形判识和岩爆孕灾等开展了相关研究与思考,取得了系列成果与认识。

具体地,从地质构造、地层岩性和赋存环境等方面出发,宏观揭示了川藏铁路深埋隧道围岩孕灾的原位地质环境特征。从试验模拟、理论分析等角度思考,探索了深部围岩孕灾的工程扰动效应,发展了考虑工程扰动应力路径影响的岩体灾变力学行为模拟方法,提出体现不同工程扰动方式影响的岩体力学参数理论估算研究思路。以修正的BQ法为基础,进一步考虑温度对岩体质量分级的影响,发展了可综合反映地应力、地温和地下水影响的围岩质量分级方法,并将其初步应用于川藏铁路深部多场耦合环境下的隧道围岩分级修正研究。紧抓围岩大变形灾害的主控因素,以岩石强度应力比和地应力测值大小为基础,叠加考虑围岩坚硬程度和岩体完整性等因素对大变形的重要控制作用,提出隧道围岩大变形分级多因素分步评估方法,评估结果同工程实际吻合度较高。以岩爆“倾向性预测→趋势预测→监测预报”为主线,突出岩爆综合预测与不同工程建设阶段紧密结合的重要性,提出深部高地应力岩爆综合预测研究思路,初步应用于地下洞室群围岩的岩爆预测预报。

川藏铁路现已分阶段陆续开工建设,本文相关研究成果和学术思想可直接应用于或被借鉴至川藏铁路沿线深埋隧道围岩灾变分析及控制研究;同时,有望广泛辐射至青藏高原深部工程实践,提升中国复杂地质环境下深地空间开发过程中的工程防灾减灾水平。然而,受高原山区极端复杂工程环境影响,符合青藏高原深部特征的岩体灾变力学与围岩稳定性研究尚无太多经验可循,且随着后续川藏铁路工程的全面建设,或将面临更多未知的、复杂的工程科学难题。因此,更加深入和广泛的研究工作有必要持续地开展与推进,现有的理论方法和研究思想还需在后续研究中不断完善和细化。本文主要起“抛砖”作用,以期达到“引玉”效果,从而汇聚广大科技工作者更多优秀的研究成果,为解决川藏铁路建设过程中的重大工程科学与技术难题提供借鉴与参考。

参考文献
[1]
Xu Zhengxuan,Zhang Guoli,Jiang Liangwen,et al. Engineering geological environment and main engineering geological problems of Ya’an—Linzhi section of the Sichuan—Tibet railway[J]. Advanced Engineering Sciences, 2021, 53(3): 29-42. [徐正宣,张利国,蒋良文,等. 川藏铁路雅安至林芝段工程地质环境及主要工程地质问题[J]. 工程科学与技术, 2021, 53(3): 29-42.]
[2]
Lu Chunfang,Cai Chaoxun. Challenges and countermeasures for construction safety during the Sichuan—Tibet railway project[J]. Construction Machinery Technology & Management, 2020, 33(2): 28-34. [卢春房,蔡超勋. 川藏铁路工程建设安全面临的挑战与对策[J]. 建设机械技术与管理, 2020, 33(2): 28-34.]
[3]
Tian Siming,Wang Wei,Tang Guorong,et al. Study on countermeasures for major unfavorable geological issues of tunnels on Sichuan—Tibet railway[J]. Tunnel Construction, 2021, 41(5): 697-712. [田四明,王伟,唐国荣,等. 川藏铁路隧道工程重大不良地质应对方案探讨[J]. 隧道建设(中英文), 2021, 41(5): 697-712.]
[4]
Guo Changbao,Wu Ruian,Jiang Liangwen,et al. Typical geohazards and engineering geological problems along the Ya’an—Linzhi section of the Sichuan—Tibet railway,China[J]. Geoscience, 2021, 35(1): 1-17. [郭长宝,吴瑞安,蒋良文,等. 川藏铁路雅安—林芝段典型地质灾害与工程地质问题[J]. 现代地质, 2021, 35(1): 1-17.]
[5]
Peng Jianbing,Cui Peng,Zhuang Jianqi,et al. Challenges to engineering geology of Sichuan—Tibet railway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(12): 2377-2389. [彭建兵,崔鹏,庄建琦. 川藏铁路对工程地质提出的挑战[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(12): 2377-2389.]
[6]
Xue Yiguo,Kong Fanmeng,Yang Weimin,et al. Main unfavorable geological conditions and engineering geological problems along Sichuan—Tibet railway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(3): 445-468. [薛翊国,孔凡猛,杨为民,等. 川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题[J]. 岩石力学与工程学报, 2020, 39(3): 445-468.]
[7]
Wang Xiaolin,Huang Yanbo. Comparison of large deformation control technologies for soft rock tunnel with high ground stress between China and foreign countries:A case study of Muzhailing tunnel on Lanzhou—Chongqing railway in China and saint Gotthard base tunnel in Switzerland[J]. Tunnel Constroction, 2018, 38(10): 1621-1629. [王小林,黄彦波. 中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例[J]. 隧道建设(中英文), 2018, 38(10): 1621-1629. DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2018.10.004]
[8]
Yan Jian,He Chuan,Wang Bo,et al. Inoculation and characters of rockbursts in extra-long and deep-lying tunnels located on Yarlung Zangbo suture[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(4): 769-781. [严健,何川,汪波,等. 雅鲁藏布江缝合带深埋长大隧道群岩爆孕育及特征[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(4): 769-781.]
[9]
张利国,李强,韩富强,等.川藏铁路雅安至林芝段地质风险及工程对策专题报告[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2020.
[10]
陈克坚,蒋良文,戴胜勇,等.川藏铁路桥梁面临的风险及提高抗灾能力的宏观对策研究报告[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2016.
[11]
王科,孟祥连,徐正宣,等.川藏铁路地质环境、工程地质特征及工程对策专题研究报告[R].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2021.
[12]
Wang Chenghu,Gao Guiyun,Yang Shuxin,et al. Analysis and prediction of stress fields of Sichuan—Tibet railway area based on contemporary tectonic stress field zoning in western China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(11): 2242-2253. [王成虎,高桂云,杨树新,等. 基于中国西部构造应力分区的川藏铁路沿线地应力的状态分析与预估[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(11): 2242-2253.]
[13]
Guo Changbao,Wang Baodi,Liu Jiankang,et al. Main progress and achievements of the geological survey project of Sichuan—Tibet railway traffic corridor[J]. Geological Survey of China, 2020, 7(6): 1-12. [郭长宝,王保弟,刘建康,等. 川藏铁路交通廊道地质调查工程主要进展与成果[J]. 中国地质调查, 2020, 7(6): 1-12.]
[14]
Meng Wen,Guo Changbao,Zhang Chongyuan,et al. In situ stress measurements and implications in the Lhasa Terrane,Tibetan Plateau[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017, 60(6): 2159-2171. [孟文,郭长宝,张重远,等. 青藏高原拉萨块体地应力测量及其意义[J]. 地球物理学报, 2017, 60(6): 2159-2171.]
[15]
He Manchao,Xie Heping,Peng Suping,et al. Study on rock mechanics in deep mining engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(16): 2803-2813. [何满潮,谢和平,彭苏萍,等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(16): 2803-2813. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2005.16.001]
[16]
Chen Ming,Hu Yingguo,Lu Wenbo,et al. Numerical simulation of blasting excavation induced damage to deep tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(5): 1531-1537. [陈明,胡英国,卢文波,等. 深埋隧洞爆破开挖扰动损伤效应的数值模拟[J]. 岩土力学, 2011, 32(5): 1531-1537. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2011.05.038]
[17]
Huang Wanpeng,Sun Yuanxiang,Chen Shaojie. Theory of creep disturbance effect of rock and its application in support of deep dynamic engineering[J]. Chinese Journal of Geological Engineering, 2021, 43(9): 1621-1630. [黄万朋,孙远翔,陈绍杰. 岩石蠕变扰动效应理论及其在深地动压工程支护中的应用[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(9): 1621-1630.]
[18]
Cai M. Influence of stress path on tunnel excavation response-numerical tool selection and modeling strategy[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(6): 618-628. DOI:10.1016/j.tust.2007.11.005
[19]
Cai M,Tasaka P K,Maejima Y,et al. Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004, 41(5): 833-847. DOI:10.1016/j.ijrmms.2004.02.001
[20]
Xie Heping,Zhang Zetian,Gao Feng,et al. Stress-fracture-seepage field behavior of coal under different layouts[J]. Journal of China Society, 2016, 41(10): 2405-2417. [谢和平,张泽天,高峰,等. 不同开采方式下煤岩应力场–裂隙场–渗流场行为研究[J]. 煤炭学报, 2016, 41(10): 2405-2417.]
[21]
Wang Mingyang,Fan Pengxian,Li Wenpei. Mechanism of splitting and unloading failure of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(2): 234-241. [王明洋,范鹏贤,李文培. 岩石的劈裂和卸载破坏机制[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(2): 234-241.]
[22]
Yan Peng,Lu Wenbo,Shan Zhigang,et al. Detecting and study of blasting excavation-induced damage of deep tunnel and its characters[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(8): 1552-1561. [严鹏,卢文波,单治钢,等. 深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(8): 1552-1561. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2009.08.005]
[23]
Lu Wenbo,Chen Ming,Yan Peng,et al.Study on vibration characteristics of surrounding rock induced by tunnel excavation under high in-situ stress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(Supp1):3329–3334.
卢文波,陈明,严鹏,等.高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增1):3329–3334.
[24]
Zou Yang,Li Xibing,Zhou Zilong,et al. Energy evolution and stress redistribution of high-stress rock mass under excavation distribution[J]. Chinese Journal of Geological Engineering, 2012, 34(9): 1677-1684. [邹洋,李夕兵,周子龙,等. 开挖扰动下高应力岩体的能量演化与应力重分布规律研究[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(9): 1677-1684.]
[25]
Zha Ersheng,Zhang Zetian,Zhang Ru,et al. Long-term mechanical and acoustic emission characteristics of creep in deeply buried Jinping marble considering excavation disturbance[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2021, 139(2): 104603.
[26]
Su Yonghua,Feng Lizhi,Li Zhiyong,et al. Quantification of elements for geological strength index in Hoek–Brown criterion[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(4): 679-686. [苏永华,封立志,李志勇,等. Hoek–Brown准则中确定地质强度指标因素的量化[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(4): 679-686. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2009.04.004]
[27]
于学馥,郑颖人,刘怀恒,等.地下工程围岩稳定性分析[M].北京:煤炭工业出版社,1983:13–18.
[28]
Hoek E,Brown E T. The Hoek–Brown failure criterion and GSI–2018 edition[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2019, 11(3): 445-463. DOI:10.1016/j.jrmge.2018.08.001
[29]
Hoek E,Diederichs M S. Empirical estimation of rock mass modulus[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2006, 43(2): 203-215. DOI:10.1016/j.ijrmms.2005.06.005
[30]
Guo Changbao,Zhang Yongshuang,Jiang Liangwen,et al. Discussion on the environmental and engineering geological problems along the Sichuan—Tibet railway and its adjacent area[J]. Geoscience, 2017, 31(5): 877-889. [郭长宝,张永双,蒋良文,等. 川藏铁路沿线及邻区环境工程地质问题概论[J]. 现代地质, 2017, 31(5): 877-889. DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2017.05.001]
[31]
Yan Jian,He Chuan,Zeng Yanhua,et al. Cooling technology and effect analysis for high geothermal tunnel on Sichuan—Tibet railway[J]. China Railway Science, 2019, 40(5): 53-62. [严健,何川,曾艳华,等. 川藏铁路高地温隧道降温技术及效果分析[J]. 中国铁道科学, 2019, 40(5): 53-62. DOI:10.3969/j.issn.1001-4632.2019.05.08]
[32]
Yan Bingqian,Ren Fenhua,Cai Meifeng,et al. A review of the research on physical and mechanical properties and constitutive model of rock under THMC multi-field coupling[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(11): 1389-1399. [颜丙乾,任奋华,蔡美峰,等. THMC多场耦合作用下岩石物理力学性能与本构模型研究综述[J]. 工程科学学报, 2020, 42(11): 1389-1399.]
[33]
Wu Aiqing,Liu Fuzheng. Advancement and application of the standard of engineering classification of rock masses[J]. Chinese Journal of Geological Engineering, 2012, 31(8): 1513-1523. [邬爱清,柳赋铮. 国标《工程岩体分级标准》的应用与进展[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(8): 1513-1523. DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.08.003]
[34]
Ren Yang.On the method for surrounding rock classification in construction stage highway tunnels with high geostress[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2009.
任洋.高地应力公路隧道施工阶段围岩分级方法研究及应用[D].成都:成都理工大学,2009.
[35]
Wang Guangde,Shi Yuchuan,Liu Hanchao,et al. A surrounding rock mass classification method:JPHC method for deep buried tunnels[J]. Journal of Chengdu University of Technology(Science & Technology edition), 2006, 33(2): 168-175. [王广德,石豫川,刘汉超,等. 深埋隧洞围岩分类方法——JPHC分类[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2006, 33(2): 168-175. DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2006.02.009]
[36]
Tan Wenhui,Wu Yangfan,Liu Jingjun,et al. An improved Q system for deep mass classification [J]. China Mining Magazine, 2020, 29(2): 161-165. [谭文辉,武洋帆,刘景军,等. 深部岩体质量分级Q系统的改进 [J]. 中国矿业, 2020, 29(2): 161-165.]
[37]
Chen Weizhong,Tian Yun,Wang Xuehai. Squeezing prediction of tunnel in soft rocks based on modified [BQ] [J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(8): 3125-3134. [陈卫忠,田云,王学海. 基于修正[BQ]值的软岩隧道挤压变形预测 [J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3125-3134.]
[38]
Liu Yeke,Zeng Ping,Yi Yongliang,et al. Revised RMR system on underground deep engineering rock mass property[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2010, 41(4): 1497-1505. [刘业科,曹平,衣永亮,等. 基于地下深部工程岩体特性的RMR系统修正[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2010, 41(4): 1497-1505.]
[39]
Wang Qingwu.Analysis of geostress field and rockburst predicton in Sangzhuling tunnel of Lhasa—Linzhi railway engineering[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2017.
王庆武.拉林铁路桑珠岭隧道地应力场分析及岩爆预测研究[D].成都:成都理工大学,2017.
[40]
Luo Kai.Study on characteristics of rockburst under themo-mechanical condition and its prediction methods—Take Sangzhuling tunnel as an example[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2018.
罗凯.热–力作用下隧道岩爆特征及其预测方法研究——以桑珠岭隧道为例[D].成都:成都理工大学,2018.
[41]
Wang Jian.High temperature thermal stability analysis of tunnel Qirehataer hydropower[D].Handan:Hebei University of Engineering,2015.
汪健.齐热哈塔尔高地温引水隧洞热稳定性分析[D].邯郸:河北工程大学,2015.
[42]
Yang Yunxiao.Stability analysis of diversion tunnel lining under high temperature and geostress[D].Handan:Hebei University of Engineering,2016.
杨云霄.高地温高地应力下引水隧洞衬砌结构稳定性分析[D].邯郸:河北工程大学,2016.
[43]
李昌权. 高地热地质条件下地下工程施工的降温措施浅析[J]. 城市建设理论研究, 2018(35): 32-33.
[44]
Zhang Guangze,Deng Jianhui,Wang Dong,et al. Mechanism and classification of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnels[J]. Advanced Engineering Sciences, 2021, 53(1): 1-12. [张广泽,邓建辉,王栋,等. 隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法[J]. 工程科学与技术, 2021, 53(1): 1-12.]
[45]
Liu Zhichun,Zhu Yongquan,Li Wenjiang,et al. Mechanism and classification criterion for large deformation of squeezing ground tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(5): 690-697. [刘志春,朱永全,李文江,等. 挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(5): 690-697. DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2008.05.012]
[46]
Chen Ziquan,He Chuan,Wu Di,et al. Study of large deformation classification criterion for layered soft rock tunnels under high geostress[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(6): 1237-1244. [陈子全,何川,吴迪,等. 高地应力层状软岩隧道大变形预测分级研究[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(6): 1237-1244. DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.2018.06.020]
[47]
Zhang Zhidao. Discussion and study on large deformation of tunnel in squeezing ground[J]. Modern Tunnelling Technology, 2003, 40(2): 5-12. [张祉道. 关于挤压性围岩隧道大变形的探讨和研究[J]. 现代隧道技术, 2003, 40(2): 5-12. DOI:10.3969/j.issn.1009-6582.2003.02.002]
[48]
铁道部第二工程局.铁路隧道施工规范:TB10204—2002[S].北京:中国铁路出版社,2002.
[49]
国家铁路局.铁路隧道设计规范:TB10003—2016[S].北京:中国铁路出版社,2018.
[50]
中国铁路总公司.铁路挤压性围岩隧道技术规范:Q/CR9512—2019[S].北京:中国铁道出版社,2019.
[51]
中国国家铁路集团有限公司.川藏铁路高地应力软岩隧道设计暂行规定[S].2019.
[52]
何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M].北京:科学出版社,2004.
[53]
Li Tianbin,He Yifan,Fu Xuan. Dynamic risk assessment method and application of large deformation of high ground stress tunnel during construction perio[J]. Journal of Engineering Geology, 2019, 27(1): 29-37. [李天斌,何怡帆,付弦. 高地应力隧道施工期大变形动态风险评估方法及应用[J]. 工程地质学报, 2019, 27(1): 29-37.]
[54]
Li Shougang. Study on large deformation law of hard rock of Guanshan extra-long tunnel under high in-situ stress[J]. Yangtze River, 2015, 46(12): 48-52. [李守刚. 关山特长隧道高地应力下硬岩大变形规律研究[J]. 人民长江, 2015, 46(12): 48-52.]
[55]
Li Dong,Zhao Ping,Cui Jianhong. Cause analysis and treatment measures for large deformation of the rock surrounding Sanlian tunnel[J]. Subgrade Engineering, 2013(6): 182-186. [李东,赵平,崔建宏. 三联隧道围岩大变形原因分析及处治措施[J]. 路基工程, 2013(6): 182-186. DOI:10.3969/j.issn.1003-8825.2013.06.042]
[56]
Chen Fei,He Chuan,Deng Jianhui. Concept of high geostress and its qualitative and quantitative definition[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(4): 971-980. [陈菲,何川,邓建辉. 高地应力定义及其定性定量判据[J]. 岩土力学, 2015, 36(4): 971-980.]
[57]
中华人民共和国住房和城乡建设部.工程岩体分级标准:GB/T 50218—2014[S].北京:中国计划出版社,2014.
[58]
郑宗溪,孙其清. 川藏铁路隧道工程[J]. 隧道建设, 2017, 37(8): 1049-1054.
[59]
Feng Xiating,Chen Bingrui,Ming Huajun,et al. Evolution law and mechanism of rockbursts in deep tunnels:Immediate rockburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(3): 433-444. [冯夏庭,陈炳瑞,明华军,等. 深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:即时型岩爆[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(3): 433-444. DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.03.001]
[60]
Chen Bingrui,Feng Xiating,Ming Huajun,et al. Evolution law and mechanism of rockburst in deep tunnel:Time delayed rockburst[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(3): 561-569. [陈炳瑞,冯夏庭,明华军,等. 深埋隧洞岩爆孕育规律与机制:时滞型岩爆[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(3): 561-569. DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.03.014]
[61]
Feng Xiating,Xiao Yaxun,Feng Guangliang,et al. Study on the development process of rockbursts[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(4): 649-673. [冯夏庭,肖亚勋,丰光亮,等. 岩爆孕育过程研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(4): 649-673.]
[62]
Cai M,Kaiser P K.Rockburst support reference book (Volume 1) rockburst phenomenon and support characteristics[R].Laurentian:Laurentian University,2018:28–85.
[63]
Ortlepp W D,Stacey T R. Rockburst mechanisms in tunnels and shafts[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1994, 9(1): 59-65. DOI:10.1016/0886-7798(94)90010-8
[64]
王兰生,李天斌,李永林.二郎山隧道高地应力与围岩稳定问题[M].北京:地质出版社,2003.
[65]
Chen Weizhong,Lv Senpeng,Guo Xiaohong,et al. Research on unloading confining pressure tests and rockburst criterion based on energy theory[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(8): 1530-1540. [陈卫忠,吕森鹏,郭小红,等. 基于能量原理的卸围压实验与岩爆判据研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(8): 1530-1540. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2009.08.003]
[66]
He Manchao,Sousa R E,Miranda T,et al. Rockburst laboratory testsdatabase—Application of data mining techniques[J]. Engineering Geology, 2015, 185: 116-130. DOI:10.1016/j.enggeo.2014.12.008
[67]
Zhang Jingjian,Fu Bingjun. Rockburst and its criteria and control[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(10): 2034-2042. [张镜剑,傅冰骏. 岩爆及其判据和防治[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(10): 2034-2042. DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2008.10.010]
[68]
Zhang Jingjian,Fu Bingjun,Li Zhongkui,et al. Criterion and classification for strain mode rockbursts based on five-factor comprehensive method[J]. News Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 88(1): 27-37.
[69]
Feng Xiating,Wu Shiyong,Li Shaojun,et al. Comprehensive field monitoring of deep tunnels at Jinping underground laboratory (CJPL–II) in China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(4): 649-657. [冯夏庭,吴世勇,李邵军,等. 中国锦屏地下实验室二期工程安全原位综合监测与分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(4): 649-657.]
[70]
Feng Xiating,Liu Jianbo,Chen Bingrui,et al. Monitoring,warning,and control of rockburst in deep metal mines[J]. Engineering, 2017, 3(4): 538-545. DOI:10.1016/J.ENG.2017.04.013
[71]
Zhang Ru,Xie Heping,Deng Jianhui,et al.Rockburst prediction in Pubugou Hydropower Station[C].The 7th International Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines.Dalian,2009.
[72]
Zhang Ru,Wu Gang,Gao Mingzhong,et al.The effect of excavation disturbance on rockburst trigger under different horizontal geostress[C].2nd IACGE International Conference on Geotechnical and Earthquake Engineering.Chengdu:ASCE Geotechnical Special Publications(GSP),2013.
[73]
Zhang Ru,Dai Feng,Gao Mingzhong,et al. Fractal analysis of acoustic emission during uniaxial and triaxial loading of rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2015, 79: 241-249. DOI:10.1016/j.ijrmms.2015.08.020
[74]
Peng Qi,Zhang Ru,Xie Heping,et al. Prediction model for rockburst based on acoustic emission time series[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(5): 1436-1440. [彭琦,张茹,谢和平,等. 基于AE时间序列的岩爆预测模型[J]. 岩土力学, 2009, 30(5): 1436-1440. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2009.05.044]