深埋隧道岩爆-坍塌复合灾害识别区确定方法

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Identifying zones of rockburst-collapse compound hazards in deep tunnels

　　

在地质条件显著变化、地质构造复杂及高应力环境下，地下开挖过程中常发生岩爆-坍塌复合灾害。此类灾害的出现已成为深部地下工程实施的挑战，其强度较单一灾害（如岩爆或坍塌）更为复杂。本研究提出了一种识别分段潜在复合灾害区的指标以解决该问题。该系统采用通过隧道地震预测（TSP）方法获取的地震P波速度（C_p）确定工作面处岩体质量指标（BQ）和地质强度指数（GSI）。通过将岩体质量指标与岩体强度-应力比相结合，评估浅部岩体坍塌和深部岩体破裂的可能性，从而实现对隧道前方潜在复合灾害区的精确识别。本研究从理论上修正了完整岩体内部的应力状态，解决了破碎岩体与完整岩体界面处局部应力集中问题，这是岩爆-坍塌复合灾害的基础。所提出的指标随后通过施工期间发生的两起岩爆-坍塌复合灾害实例进行了验证。误差传播分析和参数敏感性分析表明，当C_p < 6.0 km/s时，由P波速度推导的GSI具有可控的不确定性，证明该指标在实际应用中是稳定可靠的。研究结果 presents an applicable analytical framework for identifying potential compound hazard areas in deep tunnels.

深埋地下工程建设中，岩爆-坍塌复合灾害是一项常见且复杂的工程难题。随着地下工程向深部发展，此类灾害的发生频率和强度显著上升，已成为制约深部开挖工程安全高效实施的重要瓶颈。现有研究多聚焦于岩爆或坍塌等单一灾害类型的预测，而复合灾害因其"主动-被动"耦合机制、前兆信号短暂及系统响应迅速等特点，传统预测方法难以准确识别潜在高风险区域。在此背景下，研究人员开展了一项针对深埋隧道岩爆-坍塌复合灾害识别方法的研究，相关成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

该研究基于岩体与其材料性质之间的经验关系，以地震P波速度为关键因素，提出了一种识别潜在岩爆-坍塌复合灾害区的方法。研究选取中国西南地区某钻爆法施工的深埋铁路隧道为工程背景，该隧道位于喜马拉雅造山带东构造结北段，处于欧亚板块与印度板块汇聚前沿，最大埋深达1506 m，地质条件复杂，岩性变化大，构造活动强烈，地应力水平高。 researchers validated the effectiveness and accuracy of the proposed method by analyzing two cases of rockburst-collapse compound hazards that occurred during construction.

研究采用的关键技术方法主要包括：（1）隧道地震预测（TSP）方法获取岩体纵波速度数据；（2）基于BQ（岩体基本质量）指标的浅部坍塌倾向性评价；（3）基于Hoek-Brown强度准则和地质强度指数（GSI）的深部岩体破裂（岩爆）倾向性评价；（4）采用Yang等人（2018）提出的层间模型进行完整岩体与破碎岩体界面处的地应力调整；（5）误差传播分析与参数敏感性分析验证指标可靠性；（6）3DEC离散元数值模拟验证应力调整方程；（7）微震（MS）监测数据辅助验证评价结果。样本来源于中国西南某深埋铁路隧道DyK1112+733至DyK1112+781区段。

研究背景与基本概念部分阐述了岩爆-坍塌复合灾害的演化机制。在高地应力、脆性岩体及复杂地质构造共同作用下，复合灾害呈现特定的"主动-被动"序贯破坏过程：完整深部岩体因长期应力集中和开挖扰动发生高能破裂（岩爆），导致围岩劣化和工作面失稳，进而引发大规模坍塌。图1展示了复合灾害的完整演化过程，包括工作面初始状态、高应力条件下工作面应力致塌过程以及应力重分布引发的岩爆三个阶段。

评价浅部坍塌倾向性（被动源）方法部分引入了岩体基本质量指标（BQ）作为评价浅部岩体破坏倾向性的度量。BQ分类系统包括两个阶段：初始阶段基于岩体单轴抗压强度（UCS_w）和岩石质量指标（RQD）评估岩体自然质量等级；修正阶段则综合考虑地下水、主要软弱结构面方位和初始应力状态等外部环境因素修正BQ值，得到工程岩体质量等级[BQ]。其中岩体完整性系数K_V通过地震波速与声波速度的关系由TSP获取的P波速度计算得到，解决了深部岩体声波测试困难的问题。当围岩等级为IV或V级时，表明岩体强度低、结构面发育、完整性差，在深部工程复杂条件下易发生工作面失稳和坍塌。

评价深部岩体破裂倾向性（主动源）方法部分采用Hoek-Brown强度准则估算岩体力学参数。研究针对TSP获取的动态弹性模量，采用Davarpanah等人（2020）提出的动静态弹性模量转换关系进行参数转换。将岩石质量指标与Hoek-Brown准则中的材料参数结合，推导出由P波速度计算岩体强度的经验公式，再通过岩体强度-应力比评估深部岩体岩爆倾向性。

完整岩体地应力调整部分解决了关键科学问题：在岩体完整性差异显著的地质环境中，工程开挖引起的应力重分布呈现显著非对称性和复杂性。研究利用Yang等人（2018）提出的层间模型，通过破碎岩体中的应力分量确定了完整岩体层中的应力分量，给出了应力集中程度的定量计算方程。数值模拟验证表明，该方程能够准确量化完整岩体内的应力集中现象。

潜在岩爆-坍塌复合灾害区识别部分建立了四阶段识别流程：（1）利用岩体基本质量指标评价被动源倾向；（2）基于岩体强度-应力比评价主动源倾向；（3）评估评价区域地质条件，识别是否存在破碎-完整岩体过渡带，必要时进行地应力修正；（4）识别潜在岩爆-坍塌复合灾害区及其他单一灾害区。具体判据为：[BQ]<250为潜在坍塌危险区；250≤[BQ]≤350且主动源倾向评价为中等及以上岩爆时，为复合灾害区；250≤[BQ]≤350且主动源倾向评价为轻微或无岩爆时，为坍塌区；[BQ]>350为岩爆危险区。

工程应用部分详细分析了中国西南某深埋铁路隧道两个典型案例。"2·15"复合灾害发生在DyK1112+743附近，坍塌方量约350 m3；"3·05"复合灾害发生在DyK1112+765附近，坍塌方量约150 m3。TSP测试数据表明，DyK1112+733至DyK1112+747及DyK1112+759至DyK1112+768段纵波速度、泊松比和动态弹性模量相对较低，为相对破碎岩体段。基于上述方法计算得到的[BQ]值和岩体强度-应力比，识别出DyK1112+740至DyK1112+751和DyK1112+764至DyK1112+768为潜在岩爆-坍塌复合灾害危险区，与工程实际高度吻合。

讨论部分包含三个重点内容。误差量化分析表明，由P波速度估算GSI的经验关系在C_p < 6.0 km/s范围内具有可控的不确定性；现场工作面编录照片与图表法GSI估算值对比验证了经验公式的准确性。参数敏感性分析采用局部敏感性分析方法，结果表明：被动源中K_V敏感性最高（E≈0.68），R_c次之（E≈0.46），K为负敏感因子（E≈-0.42）；主动源中C_p表观敏感性较高（E≈3.96）源于其较大的基准值，实际测量误差远小于测试扰动，C_p在实际应用中保持稳定可靠。局限性与未来研究指出，该方法主要适用于岩体结构呈块状或厚层状、力学响应主要由材料应力-强度特性控制的条件，对于结构面复杂控制型岩体适用性受限；未来研究将侧重于结构面参数定量化及其与主动源倾向性的关系，发展联合应力-强度指标与结构稳定性指标的双重评价框架。

研究结论部分指出：（1）岩爆-坍塌复合灾害的发生主要源于工作面附近围岩临近或达到临界失稳状态，同时深部岩体因局部应力集中达到极限强度后发生高能破裂，震源区的非弹性形变和振动波传播至工作面导致岩体完整性劣化，最终形成岩块弹射和工作面坍塌的复合破坏；（2）利用TSP测试获取的地震P波速度数据计算工作面处BQ和GSI，建立了一套以工作面前方10 m段为研究对象的复合灾害倾向性评价指标体系，实现了对前方隧道段灾害类型的分类和针对性预警策略的制定；（3）误差传播分析和现场验证表明，由地震P波速度C_p估算GSI的经验方程在C_p < 6.0 km/s时保持可控的不确定性，且GSI估算值与图表法结果吻合良好；敏感性分析表明浅部坍塌倾向对岩体完整性系数K_V高度敏感，而深部岩爆倾向中C_p虽表观敏感性显著，但实际测量误差远小于测试扰动，应用稳定可靠。