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高地应力地深埋长隧洞的形成条件与稳定性 由于深孔和洞的形状不同，在施工过程中会出现一些特殊的地质问题。虽然这些问题的形式与平面埋洞工程相比较少，但其产生的地质背景和产生机制非常复杂，强度和抗病性也非常突出。深入了解和研究这些地质灾害的发生机理和形成条件,将有助于对深埋隧洞围岩稳定性和所受荷载的研究,有助于设计和施工。 1 一般开挖和地下灾害 1.1 岩爆的形成机理 高地应力及岩爆问题是深埋隧洞主要的工程地质问题之一。随着隧洞工程埋深的增大,地应力必定增高。大量实测地应力资料表明,地应力的大小除与埋深、地质构造有关外,还与岩性密切相关。一般而言,岩石越坚硬完整越易积聚能量,储藏较高的地应力。 坚硬而具有脆性的岩石会因积聚的能量突然释放而产生岩爆,使洞周边岩石成片状破裂以高速度冲进洞内,造成人员及设备伤害,严重影响施工安全。岩爆的形成机理十分复杂,与始应力场、岩石性质、洞室布置、剖面形状、开挖方法等多种因素有关。一般认为,当洞轴线处初始最大主应力σmax大于岩石0.30倍单轴抗压强度时,就有发生岩爆的可能。防治时宜采用短进尺、锚杆及时跟进的办法,可以提前约束岩爆,以减轻其烈度。必要时在掌子面及洞周边快速铺设钢筋网,以防止落石伤人。 1.2 覆岩导水裂缝的表面形态 在深部岩体中,由于地下水水压极高,岩体有可能发生水力劈裂。雅砻江锦屏二级水电站深埋勘探洞施工开挖时,在涌水点附近可观察到隧洞开挖之前导水裂缝的缝壁上常呈黄褐色,而PD1平洞2 848.5 m和3 580 m大型突水点附近还能观察到导水裂缝末端没有锈染痕迹,显然这是隧洞开挖之后地下水水力劈裂作用使原来的导水裂缝扩展的结果。这种裂缝集中于突水点附近,显张性,网状交织,受构造裂隙影响而具有一定方向性。这些事实表明,水力劈裂作用实际上是在高水头压力作用下,岩体断续裂隙(或空隙)发生扩展,裂隙(或空隙)相互贯通后再进一步张开所致。 1.3 深埋隧道的地温 据大量实测资料,对浅表地层,地面以下每加深100 m,地层温度平均提高约3 ℃(对孤立山体因边界条件不同,且受地下水活动的影响,不能按此估算深层地温)。因机械作业,特别是TBM掘进将产生大量热,更增大了隧洞施工的环境温度。因此,深埋隧洞常可能遇到高地温问题。地温超过30 ℃称为高地温,隧洞工程中若发生高地温:1)将恶化作业环境、降低劳动生产率,并严重威胁到施工人员的生命安全;2)影响到施工材料的选取(如耐高温炸药)和混凝土的耐久性,而且由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂,严重影响到隧洞围岩的稳定性。 1.4 围岩挤压特性 当围岩的单轴抗压强度较低且隧洞埋深相对较大时,因隧洞开挖后围岩应力重分布,洞周可能形成较大的塑性区。这时围岩向洞内变形的趋势很大,受到支护的约束后将对支护产生很大的挤压力,造成支护破坏。令围岩单轴抗压强度为R,隧洞埋深为h0,则重度为γ的上覆岩体在隧洞处形成的压力为γh0,地层的挤压特性常用围岩强度比λ=R/γh0来表示,经统计分析,当λ≤0.5时,就是所谓的挤压地层;当λ≤0.25时,围岩开挖就会形成较大的挤压变形。 1.5 深埋结构工程的灾害 在浅埋隧洞中易发生其他形式的地质灾害问题,如塌方、岩溶塌陷、泥屑流、瓦斯爆炸及有害气体、地震等,在深埋隧洞中同样可能发生。 深埋隧洞工程中的地质灾害问题不是孤立存在的,有些问题是相互关联相互影响的。对深埋隧洞来说,高地应力和高外水压力是两项最主要的荷载,以下将详细论述。 2 该区域高肥力特征及设计区分布规律的研究 2.1 结构面为微破坏的岩块 1)饼状岩芯、岩爆、塑性挤出、错动台阶一般都与高地应力有关; 2)在显微镜下可看到岩块中发育密集的微裂隙,这说明在高地应力作用下,结构面隐蔽而紧密,相互嵌固,有的已处于隐屈服(微破坏)状态,在开挖解压时,岩石就会松散裂开; 3)表现出明显的脆性和韧性的矛盾的统一,岩块在破坏时没有明显的破坏面,而是碎散为块度大小均匀的一堆碎块; 4)岩体总是表现出弹塑性性质,在高低压作用下,完整性提高; 5)地下开挖中表现出特有的“膨胀性”,压力大,来压快,变形量大且有强烈方向性,对有流变特性的岩体变形持续时间长。 2.2 工程区地应力分析 锦屏工程区长期以来地壳急剧抬升,雅砻江急剧下切,山高谷深。地貌上属于地形急剧变化地带,因此,原储存于深处的大量能量,在地壳迅速抬升后,虽经剥蚀作用使部分能量释放,但残余部分很难释放殆尽,因而本区是地应力相对集中地区,有较充沛的弹性能储备。 从测试方法的机理和长探洞所处工程地质条件及测试成果的系统分析考虑,在应力解除法、AE法、水压致裂法3种方法的测试成果中,水压致裂法测试成果能较确切的反映雅砻江岸坡地带及埋深1 843 m以下的地应力场分布,在洞深3 005 m(埋深1 843 m)处地应力值是42.11