岩土特征及隧道围岩级别划分：高楼山隧道风险评估与控制技术

2.3.3.1　岩土体工程地质特征

（1）土体的工程地质特征

隧址区洞身段穿越土体主要为洞口段表层覆盖的全新统崩坡积碎石土体工程地质特征如表2-3所示。

表2-3　土体工程地质特征一览表

注：表中力学参数为经验值。

（2）岩体的工程地质特征

隧址区出露有中泥盆系（D2）第四岩性段（D21s4）灰褐色砂质板岩、黑色炭质板岩、夹硅质砾岩层及硅质岩；K46+850至出口端岩性以碧口群—下亚群（Pz1bk）下部碎屑岩组片岩、灰岩、变质砂岩为主，夹少数含砾片岩。

各岩层岩石试验成果统计如表2-4所示：

表2-4　各岩层的单轴饱和极限抗压强度统计表

2.3.3.2　围岩初始应力状态与高地温分析

（1）地应力状态分析

受青藏高原隆起和挤压作用，昆仑—秦岭地块向近东西、北东东向移动。石坊—范家坝—尖山—临江断裂位于昆仑—秦岭地块东南边缘地带，为左旋走滑断裂，走向近东西向。根据甘肃省文县地应力观测站数据，如表2-5所示：

表2-5　文县地应力观测站最大主应力方向

注：数据来源泉于张国英，杨国栋著：《甘肃省地应力资料分析及近期地震趋势判断》，《西北地震学报》，1998年02期。

最大水平主应力方向与走滑断裂方向一致，故将EW向作为隧址区的最大水平主应力作用优势方向。由于洞轴方向为212°～221°，主应力方向与隧道轴向交角为54°～65°左右；对隧道围岩稳定性影响很大。

但当埋深大于1000 m，随着深度的增加，初始应力场逐渐趋向与静水压力分布，大于1500 m以后，一般可按静水压力场考虑。在经历多次构造运动的岩体中，地表岩体剥蚀显著区，水平向应力仍按原覆盖层厚度计算。隧址区最高海波2874 m，剥蚀厚度在500 m以上，故本隧道埋深大于1000 m段落的初始应力场按静水压力场考虑。YK49+370（ZK49+370）～YK53+300（ZK53+320）段隧道埋深大于1000 m，占隧道总长32.2%（右线）、32.1%（左线），岩体的重力密度取26.85 kN/m3，埋深大于1000 m段落洞身最大主应力值σmax=（26.85～51.23）MPa，岩石单轴饱和抗压强度Rc=（32～60）MPa，围岩强度应力比Rc/σmax≤2.2小于4，属极高应力区。

本次地应力分析计算数据参考附近公路隧道（武罐高速公路及渭武高速公路）“水压力致裂法地应力测试与分析报告”数据，进行综合分析，采用经验值进行估算，如式2-1～2-3所示：

经计算YK47+200（ZK47+250）～YK56+160（ZK56+440）、YK57+420（ZK57+100）～YK57+860（ZK58+030）段隧道埋深在0.35～1.7 km，强度应力比Rc/σmax=0.4～3.2＜4，为极高应力区，占隧道总长80%；其余洞段隧道埋深在0.1～0.2 km，强度应力比Rc/σmax=4＜5.8～6.0＜7，为高应力区，约占隧道总长10%；因此隧道洞身段大部分位于极高应力区和高应力区。

（2）岩爆及围岩稳定性分析

岩爆的发生是一种复杂的非线性动力学现象，其控制和影响因素较多，成因机制复杂。岩体的力学性质、原地应力状态、岩体渗透特性、地下洞室的截面形状以及开挖方式等因素都在一定程度上构成了某一地区岩爆的形成要素。但归纳起来，主要有两大因素：一是岩石的性质；二是围岩的应力。而在这两个因素中，一般认为岩性是第一位的，是发生岩爆的内因。围岩应力是第二位的，是必要的条件，是岩爆的外因。

根据隧道轴线部位的岩石力学性质，采用经验值进行估算，利用切向应力准则对隧道工程中可能的岩爆问题进行初步分析。切向应力准则将围岩的切向应力（σθ）与岩石的抗压强度（Rc）之比作为判断有无岩爆及发生岩爆的等级划分原则。

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围岩的切向应力σθ计算如式2-4所示：

根据弹性力学公式，作用在隧道侧帮上的正应力计算如式2-5所示：

其中a为最大主应力方向与隧道轴线的夹角。

隧道通过岩性主要为板岩、变质砂砾岩、变质砂岩、片岩，通过计算YK47+200（ZK47+250）～YK56+160（ZK56+440）、YK57+420（ZK57+100）～YK57+860（ZK58+030）段隧道埋深在0.35～1.7 km之间，σθ/Rc介于0.74～2.05之间，属强岩爆；YK56+160～YK57+420（ZK56+440～ZK57+100）段隧道埋深0.25～0.35 km，σθ/Rc介于0.54～0.64之间，属中等岩爆；隧道进出口段以及断层破碎带属于轻微或无岩爆地段。

隧道通过岩性为板岩、变质砂岩及变质砂砾岩，其中板岩为软质岩、变质砂岩及变质砂砾岩，为较硬质岩。从地应力角度考虑，对隧道埋深超过0.35 km，洞身岩性为较硬且完整性较好的变质砂岩、变质砂砾岩段可能发生强岩爆；对隧道埋深在0.15～0.35 km，洞身岩性为较硬且完整性较好的变质砂岩、变质砂砾岩段可能发生轻微至中等岩爆。其余判断为强岩爆的较软岩性段，围岩往往表现为片帮、脱落严重及严重的收敛变形。

上述对岩爆危险性以及岩爆等级的划分基本上是以地应力为依据而得出的判断。高地应力是构成岩爆的必要条件，但不是充分条件。除了地应力条件外，岩爆的发生还与其他诸多条件有关。大量岩爆记录资料显示，岩爆几乎都发生在新鲜完整、质地坚硬、强度高、干燥无水的弹脆性块状岩体中，而结构面发育、变形大、强度低、富水的岩体不易发生岩爆。因此对于较软弱的板岩段即使存在较高的地应力，发生岩爆的可能性也较小，更不会发生弹射性强烈岩爆，往往表现为断面收敛变形严重，易发生洞壁岩体的剥落和掉块等现象。

（3）高地温分析

高楼山隧道右线长12204 m，左线长12334 m，隧道最大埋深约1680 m，隧址区埋深大，地质构造复杂，因随着埋深的增加，岩石与地下水共同作用下，地温值也明显增高，洞内十分闷热。在深埋长隧道工程中，若发生高地温问题，一方面将恶化作业环境，降低劳动生产效率，并严重威胁到施工人员的生命安全；另一方面将影响到施工材料的选取和混凝土的耐久性，而且由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂，严重影响隧道的稳定性。《公路隧道施工技术规范》有关规定，隧道内气温不宜高于30℃。根据相关研究西秦岭褶皱带地温梯度3.8℃/100 m，高楼山隧道最大埋深1680 m，隧址区温度极有可能高于30℃，特别是地下水对地温的影响以及放射性元素的裂变热源是否存在等问题需进一步进行研究。施工阶段可采取通风降温、喷雾洒水降温、隔绝高温围岩等措施使得工作面区域温度降到30℃以下，以保证人员及工程的安全。

2.3.3.3　隧道围岩分级分段说明

围岩级别的划分分级，如表2-6～2-8所示。

表2-6　高楼山隧道围岩分级表（右线）

续表

表2-7　高楼山隧道围岩分级表（左线）

续表

注：部分参数参考附近工程经验值。

表2-8　高楼山隧道围岩分级划分统计表

注：由于隧址区褶皱构造发育，不同部位岩石完整性、岩性、富水性以及埋深等条件不一，参考《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）附录E对岩体基本质量进行修正得到围岩基本质量指标修正值，根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）附录F对公路隧道围岩进行分级。