1、第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023深埋硬岩隧洞岩爆风险与结构面倾角关系探讨朱金养1，2，郭浩森2，罗文俊2（1.福建水利电力职业技术学院建筑工程学院，福建 永安 366000；2.华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）摘要:针对深埋硬岩隧洞即时性应变结构面滑移型岩爆预测预警问题。以埋深 2 375 m 的某深部地下实验室 7#、8#实验室发生的一次极强岩爆作为现场测试对象，基于钻孔摄像技术实现隧洞围岩内结构面展布可
2、视化，通过岩爆诱发洞段与安全通过洞段围岩内结构面展布差异的对比分析、围岩弹性应变能分布特征分析与岩爆统计规律分析，对岩爆孕育中结构面的控制作用进行了深入的探讨。研究结果表明，深埋硬岩隧洞边墙与围岩内发育的结构面平行或是小角度（小于 30）相交时具有更高的即时性应变结构面滑移型岩爆风险。7#、8#实验室钻孔摄像结果显示，岩爆诱发洞段围岩内结构面近乎平行于边墙发育，3 处安全通过洞段围岩内结构面与隧洞边墙均为大角度（大于 30）相交。围岩内不同的结构面展布形态为岩爆孕育提供了不同的能量累积环境，当围岩内结构面平行于边墙或是小角度相交于边墙时，结构面的存在将有利于岩爆孕育。所有发生于锦屏二级水电站排
3、水洞SK8+2008+800洞段的岩爆统计数据表明，隧洞边墙与围岩内结构面相交夹角较小（小于 30）的区域具有更高的即时性应变结构面滑移型岩爆风险，这与 7#、8#实验室现场测试及数值模拟结果相吻合。关键词:深埋隧洞；岩爆风险；结构面；钻孔摄像；大理岩中图分类号:TU45；X936 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01006010Discussion on Relationship between Rockburst Risk and Structural Plane Inclination of Deep Hard Rock TunnelZHU Jinyang1,2，G
4、UO Haosen2，LUO Wenjun2(1.College of Civil Engineering and Architecture,Fujian College of Water Conservancy and Electric Power,Yongan 366000,China；2.School of Civil Engineering&Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)Abstract:For the immediate strain-structure slip rockburst
5、 prediction and warning in deep-buried hard rock tunnels，a super strong rockburst that occurred in 7-8#Laboratory of a deep underground laboratory with a depth of 2 375 m was studied.Visualization of structural plane distribution in the surrounding rock of the tunnel is realized using borehole camer
6、a technology.Through the comparative analysis of the structural plane distribution in the surrounding rock between the rockburst-induced tunnel section and the safe passage tunnel section，the analysis of elastic strain distribution characteristics of the surrounding rock and statistical law of the r
7、ockburst，the control function of structural plane in rockburst breeding is discussed.The results show that the risk of rockburst increases when the tunnel side wall is parallel or intersects at a small angle（less than 30 degrees）with the structural plane developed DOI：10.13409/ki.jdpme.20201208003收稿
8、日期：2020-12-08；修回日期：2021-03-18基金项目：江 西 省 优 势 科 技 创 新 团 队 建 设 计 划(20181BCB24011)、江 西 省 主 要 学 科 学 术 和 技 术 带 头 人 培 养 计 划(20194BCJ22009)、江西省自然科学基金(20202BABL214051)资助作者简介：朱金养（1996），男，硕士。主要从事隧洞开挖稳定性研究。Email：60in the surrounding rock.Borehole photography of the rockburst section in the 7#、8#Laboratory shows
9、 that the structural plane in the surrounding rocks of the rockburst tunnel section was almost parallel to the side wall.In contrast，the structural planes in the surrounding rocks of the three safe passage sections intersected with the side walls of the tunnel at large angles（greater than 30 degrees
10、）.Different structural plane distributions in the surrounding rocks provide different energy accumulation environments for rockburst breeding.The presence of structural planes parallel or intersecting with the side walls at small angles is conducive to rockburst breeding.The statistical analyses of
11、all rockburst incidents in the section SK8+2008+800 of the drainage tunnel of Jinping II Hydropower Station show that the area where the intersection angle between the tunnel side wall and structural plane in the surrounding rock was small（less than 30 degrees）had a higher risk of immediate strain-s
12、tructure slip rockburst，which is consistent with the results of the 7#、8#Laboratory field tests and numerical simulations.Keywords:deep tunnel；rockburst risk；structure plane；digital borehole camera；marble0 引 言岩爆是在开挖或其他外界扰动下，地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放，导致围岩爆裂、弹射的动力现象。岩爆具有很强的突发性、随机性和危害性1。由于岩爆发生时间、发生部位难以预测，且岩
13、爆事故时常造成人员伤亡，这给地下工程施工作业人员带来了极大的恐慌情绪，严重影响深部地下工程建设。因此，建立岩爆预测预警系统以避免岩爆事故的发生是深部地下工程研究领域的重点研究内容12。对于岩爆分类，冯夏庭等3、陈炳瑞等4根据岩爆时空显现特征，把岩爆划分为即时型岩爆和时滞型岩爆，其中即时型岩爆又可分为即时性应变型岩爆和即时性应变结构面滑移型岩爆。应力场条件和岩体条件是控制岩爆发生的两个主要因素。其中应力场条件受控于初始应力场状态、岩体力学特性与工程开挖条件。岩体条件则由岩体强度、变形特性和地质构造特征决定5。岩爆预测实践表明，针对不同类型的岩爆，所需考虑的控制因素不同。应变型岩爆主要由应力场条件
14、所控制，较准确地掌握初始应力场状态、岩体力学特性与工程开挖条件，应变型岩爆可以做到较好的预测预警。而构造型岩爆则不同，其发生与否更多受控于地质构造单元的性质6。因此，岩爆的预测预警有必要区分岩爆类型。在长期的交通和矿山地下工程实践中，国内外先后发展了一系列岩爆预测预警方法。主要概括：（1）单因素判据，有弹性变形能指数 Wet78、岩石脆性指数 Ku9、线弹性能 We10、能量储耗指数 k11、应力指数 S12、岩爆强度系数 W13、围岩类别13、Russense 判据14与岩爆危险指数15等。（2）多因素综合判据，有 H.Daniel 等16引入应力条件、支护系统能力、开挖跨度和地质结构提出的
15、开挖潜在脆弱性指数 EVP；邱士利等6引入应力控制因子、岩石物性因子、岩体系统刚度因子和地质构造因子提出的岩爆倾向性指标 RIV；黄玉仁等17引入强度脆性系数、变形脆性系数、弹性应变能指标和切向应力提出的深埋长大隧道岩爆倾向性多指标评价方法。岩爆判据的发展经历了一个从单因素判据到多因素综合判据的过程。在实际应用中，单一判据整体上表现出正确的预测趋势，但对个体数据而言离散性较大，预测结果存在较大的偏差，而综合判据从多因素多角度对岩爆进行预测，得到的结果较为准确18。由此可见，一个性能优良的岩爆预测预警系统的建立离不开对各控制因素细致入微的探讨。对于开挖扰动范围较小、围岩强度高、完整性好的深埋硬岩
16、隧道来说，隧洞周边规模较小的 IV、V 级结构面满足一定的力学特性和几何条件时极易诱发构造型岩爆1920。然而，目前岩爆倾向性判据的建立主要基于地应力、岩石强度、岩石脆性、与埋深为岩爆评价控制因素，缺乏对结构面效应的考量21。工程实践表明6，由此建立的构造型岩爆预测模型的可靠性、适用性有待提高，需进一步考察岩爆孕育过程中结构面的控制作用。为此，本文依托于某深部地下实验室隧洞开挖工程，对发生在7#、8#实验室的一次典型应变结构面滑移型岩爆61开展现场测试，通过对岩爆诱发洞段与安全通过洞段围岩内结构面展布特点的对比分析，基于 7#、8#实验室开挖数值模拟结果，归纳不同结构面展布条件下围岩弹性应变能分布规律，统计分析国内外发生的典型即时性应变结构面滑移型岩爆，从多个角度揭示深埋硬岩隧洞结构面与即时性应变结构面滑移型岩爆风险的关系。1 工程概况及现场岩爆情况某深部地下实验室地处四川盆地与青藏高原过渡的地貌斜坡地带，实验室埋深 2 375 m，工程区应力场以重力场为主，洞室沿线穿越地层岩性主要为灰白大理岩、黑灰条纹细粒大理岩和黑灰细粒大理岩（图 1），实验室属于典型的深埋硬岩隧洞。实验室开挖断面
