洪富義, 李旭哲, 王子, 陳諾, 梁斌, 李文杰*

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司, 西安 710018; 2.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 洛陽 471000)

巖爆作為深埋隧道時(shí)常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,從力學(xué)角度來看,發(fā)生時(shí)表現(xiàn)為一定的非線性行為,具有突發(fā)性、高危性等特征。鑒于深埋高地應(yīng)力隧道所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性,發(fā)生巖爆時(shí)易給施工現(xiàn)場機(jī)械及作業(yè)人員帶來極大安全隱患。因此,如何對巖爆災(zāi)害進(jìn)行合理預(yù)測,進(jìn)而采取有效的防治措施仍然是目前一個(gè)熱點(diǎn)問題[1]。

針對隧道巖爆問題,國內(nèi)學(xué)者從多方面對其進(jìn)行了研究和探討。吳偉偉等[2]通過力學(xué)分析對巖爆機(jī)理進(jìn)行了研究,揭示了巖爆的形成過程,并對巖爆發(fā)生的破壞條件進(jìn)行了討論。馮夏庭等[3]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段,對不同類型巖爆的演化規(guī)律進(jìn)行了研究,并對巖爆孕育過程的主要研究方向進(jìn)行了討論。孫曉明等[4]以高樓山隧道為工程背景,通過室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合多種判據(jù)對施工現(xiàn)場樣巖巖爆傾向性進(jìn)行了綜合評價(jià)。唐澤林等[5]以成蘭鐵路平安特長深埋隧道中高地應(yīng)力巖爆易發(fā)段為依托,通過施工現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬分析以及室內(nèi)試驗(yàn)等手段,探明了隧道巖爆發(fā)生的力學(xué)機(jī)制,運(yùn)用經(jīng)典應(yīng)力巖爆判據(jù)指標(biāo),對巖爆發(fā)生強(qiáng)度及位置進(jìn)行了預(yù)測和判斷。陳賢豐等[6]依托巴玉隧道工程,通過構(gòu)建三維地質(zhì)力學(xué)模型獲取初始地應(yīng)力場分布特征,并結(jié)合微震監(jiān)測系統(tǒng)對隧道巖體破裂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警,結(jié)果表明隧道軸向三維地應(yīng)力場總體分布規(guī)律表現(xiàn)為最小水平主應(yīng)力小于豎向主應(yīng)力。雖然以上學(xué)者針對巖爆預(yù)測問題做了大量研究,但將工程實(shí)際、理論分析與數(shù)值模擬手段相結(jié)合起來對巖爆的研究還較少,三者共同作用下更能充分了解外界因素對巖爆發(fā)生的影響,對其預(yù)測和控制都極為重要。

鑒于此,現(xiàn)以樂西高速公路大涼山2號隧道工程為依托,以彈塑性理論為基礎(chǔ),對巖爆發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行闡述,通過數(shù)值模擬的手段對高地應(yīng)力環(huán)境下隧道在不同埋深、進(jìn)深及斷面形狀因素影響下圍巖的應(yīng)力特征進(jìn)行分析比較,總結(jié)巖爆發(fā)生規(guī)律,根據(jù)其結(jié)果對深埋隧道規(guī)劃建設(shè)和巖爆風(fēng)險(xiǎn)控制提供合理的科學(xué)依據(jù),增加施工安全性。

1 工程概況

樂西高速高速公路隧道長12.5 km,設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道,分界樁號K109+920(左線ZK109+920),最大埋深約757 m,洞口海拔高度約1 769 m,該隧道是樂西高速控制性工程之一,工程區(qū)內(nèi)地勢陡峻,所處地勢西高東低,呈北東向傾斜。2號隧道穿越地層眾多,巖性及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,圍巖等級以Ⅳ級為主,巖石大多為玄武巖,屬于較硬質(zhì)巖石,因?yàn)楣こ趟幐叩貞?yīng)力環(huán)境,使其巖石內(nèi)部產(chǎn)生了足夠能量,導(dǎo)致隧道開挖時(shí)易發(fā)生巖爆災(zāi)害,為降低巖爆災(zāi)害發(fā)生,施工時(shí)提前制定了相應(yīng)的防治措施方案。大涼山2號隧道左線縱斷面圖如圖1所示。

圖1 樂西高速大涼山2號隧道左線縱斷面圖Fig.1 Longitudinal section of the left line of Daliangshan

2 隧址區(qū)地質(zhì)因素分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造條件

大涼山隧道構(gòu)造綱要圖如圖2所示,隧道地處青藏高原東南緣與上揚(yáng)子西緣的構(gòu)造結(jié)合部位,主要構(gòu)造行跡為南北向?yàn)橹鞯臄鄬玉薨櫧M合帶,主體表現(xiàn)為由西向東的構(gòu)造推覆,局部兼具左行走滑特征,介于四川盆地和云貴高原之間,地表起伏大,地形崎嶇。根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)無構(gòu)造處容易產(chǎn)生巖爆區(qū)段,在褶皺、擠壓帶有相對較小可能產(chǎn)生巖爆區(qū)段,斷層及影響帶一般發(fā)生巖爆的概率很小。

圖2 大涼山隧道構(gòu)造綱要圖(據(jù)四川1∶25萬四川甘洛略修改)Fig.2 Structural outline of Daliangshan Tunnel(slightly modified according to Sichuan 1∶250 000 Kam)

2.2 地應(yīng)力條件

地應(yīng)力反演結(jié)果表明隧道洞口附近最大主應(yīng)力達(dá)31 MPa。高地應(yīng)力作為隧道巖爆發(fā)生的重要能量來源,在其他外界因素相同條件下,通常地應(yīng)力值越大,圍巖彈性應(yīng)變能的儲(chǔ)存能力越強(qiáng),進(jìn)而巖爆發(fā)生的可能性與危害性就越大。因此,高地應(yīng)力通常是影響巖爆發(fā)生的一個(gè)重要因素。

2.3 地層巖性

大涼山隧道易發(fā)生巖爆段巖石主要以玄武巖為主,此段玄武巖、熔結(jié)狀火山角礫巖整體強(qiáng)度較高,以較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖為主,巖石強(qiáng)度較高時(shí),能夠儲(chǔ)存的應(yīng)變能也就越多,越容易發(fā)生巖爆,因此可將巖性條件歸結(jié)為巖爆發(fā)生的基本誘因之一。當(dāng)巖體所處外部環(huán)境被破壞后,巖體中儲(chǔ)存的彈性能會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)釋放,這時(shí)極易導(dǎo)致巖爆災(zāi)害發(fā)生,對地下工程安全施工造成一定的威脅。

2.4 水文地質(zhì)條件

大涼山2號隧道地處大涼山地區(qū)腹心地帶,通過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)此處地下水充沛,并且在施工過程中經(jīng)常見到隧道洞內(nèi)地下水以點(diǎn)滴狀或者淋雨?duì)畛霈F(xiàn),且碰到降雨入滲后地下水總是呈涌水狀流出。巖爆一般發(fā)生在巖體干燥、無滲水地段,若存在地下水時(shí),對圍巖軟化及降低巖體儲(chǔ)能能力有很大作用,地下水的存在從一定程度上降低了巖爆的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3 巖爆孕育力學(xué)分析及巖爆判據(jù)

3.1 彈塑性力學(xué)分析

巖爆作為一種自然物理現(xiàn)象,其形成過程是巖體內(nèi)部從儲(chǔ)存到釋放能量,并最終使巖體發(fā)生破壞進(jìn)而脫離母巖的過程,其孕育過程是一系列力學(xué)作用相互合成與轉(zhuǎn)化[7]。隧道開挖過程中巖體的受力變形如圖3所示[2]。巖石處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)如圖3(a)所示,此時(shí)巖體內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能為

圖3 隧道開挖模型Fig.3 Tunnel excavation model

圖4 隧道三維有限元模型Fig.4 Three-dimensional finite element model of tunnel

(1)

式(1)中:σ1、σ2、σ3分別為圍巖模型3個(gè)方向的主應(yīng)力,MPa;ε1、ε2、ε3分別為模型3個(gè)方向的主應(yīng)變。

隧道開挖時(shí),對原本圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)造成破壞,導(dǎo)致其應(yīng)力進(jìn)行重分布。在隧道開挖形成半徑為R0的硐室后,其圍巖中應(yīng)力重分布狀態(tài)(在極坐標(biāo)系下)可用式(2)～式(4)表示為

(2)

(3)

(4)

式中:σr、σθ、τrθ分別為圍巖的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力及剪切應(yīng)力,MPa;r為徑向半徑,m;λ為應(yīng)力比值系數(shù);θ為極角,(°)。深部巖體中圍巖的天然應(yīng)力基本等價(jià)于靜水壓力狀態(tài)[7],因此當(dāng)λ=1時(shí),即σh=σv=σ0,圍巖此時(shí)的應(yīng)力重分布狀態(tài)可以用式(5)～式(7)表示為

(5)

(6)

τrθ=0

(7)

通過以上分析可知,當(dāng)隧道圍巖處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí),此時(shí)圍巖的應(yīng)力集中系數(shù)最大。在圖3(c)中,圈Ⅰ表示隧道開挖后所形成的彈性區(qū);小圈Ⅱ表示繼圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)后,受到其附近圍巖應(yīng)力二次重分布影響所形成的彈性圈,且彈性圈Ⅰ和Ⅱ的應(yīng)力分布和能量狀態(tài)計(jì)算理論相同。當(dāng)λ=1時(shí),塑性區(qū)應(yīng)力狀態(tài)可以用式(8)～式(10)表示為

(8)

(9)

τrθ=0

(10)

式中:Cm、Φm分別為塑性圍巖體的內(nèi)聚力,MPa;內(nèi)摩擦角,(°);Pi為洞壁支護(hù)力,MPa。當(dāng)洞壁圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)后,開始出現(xiàn)從母巖分離出來的單獨(dú)碎塊。

通過對巖爆孕育過程進(jìn)行力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)巖爆發(fā)生時(shí)應(yīng)具有以下條件。

(1)開挖在較高的應(yīng)力環(huán)境背景下,圍巖自身具有儲(chǔ)存高應(yīng)變能的性質(zhì)。

(2)隧道開挖后在部分洞壁圍巖中出現(xiàn)塑性區(qū)。當(dāng)圍巖處于高應(yīng)力環(huán)境,且儲(chǔ)存足夠能量時(shí),隧道開挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生改變,達(dá)到巖爆發(fā)生的條件,在此情況下應(yīng)采取相關(guān)巖爆防治措施來降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 巖爆判據(jù)

巖爆判據(jù)是巖爆研究方向的一個(gè)重要問題,一般可以根據(jù)其機(jī)理[8]、所處環(huán)境[9]及其現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)[10]大致分為三類。根據(jù)大量工程實(shí)例研究發(fā)現(xiàn),陶振宇和谷明成的巖爆判據(jù)都存在相對誤差,為了消除這一不足,對兩種判據(jù)做了一定的修改,最終形成了既符合中國工程實(shí)際情況,又可以滿足有限元快速電算的谷一陶巖爆判據(jù)[11],具體如式(11)所示。

(11)

式(11)中:Rt巖石單軸抗拉強(qiáng)度;Kv為巖石完整性系數(shù);Wet為巖石彈性應(yīng)變能指數(shù)。

當(dāng)式(11)中4個(gè)不等式全部成立時(shí),巖爆災(zāi)害極易發(fā)生。修改后巖爆分級如表1所示。

表1 巖爆分級表

大涼山2號隧道ZK2-5處鉆孔數(shù)據(jù)如表2所示,此處巖性為玄武巖,隧道埋深約665 m,隧道圍巖巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=70 MPa,σmax為18.3 MPa,根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[12]規(guī)定,將單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc與最大主應(yīng)力σmax比值小于4的范圍定義為極高地應(yīng)力區(qū),此時(shí)易發(fā)生高等級巖爆。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)此處巖石強(qiáng)度應(yīng)力比值Rc/σmax=3.8<4,表明大涼山2號隧道屬于極高地應(yīng)力區(qū),具有發(fā)生巖爆災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 ZK2-5鉆孔實(shí)測最大主應(yīng)力

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元模型

通過巖爆判據(jù)發(fā)現(xiàn)大涼山隧道項(xiàng)目具有發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn),依托項(xiàng)目ZK108+450～ZK111+450巖爆段,采用MIDAS GTS NX軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型,此段隧道埋深約在600 m,圍巖以Ⅳ級為主,92%～97%均為以玄武巖為主的硬性巖石。為消除模型邊界效應(yīng),根據(jù)圣維南原理,計(jì)算邊界應(yīng)當(dāng)取到開挖洞徑的3～5倍,本模型各方向均取50 m。為了模擬圍巖上覆巖層自重和隧洞周圍圍巖壓力,對模型上邊界施加垂直壓力、左右兩側(cè)施加側(cè)向壓力,為了固定模型位移,將模型四周及下表面作為位移約束邊界。模型采用單一巖性圍巖,選用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系,數(shù)值模擬材料物理參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算材料參數(shù)

4.2 隧道進(jìn)深模擬

大涼山2號隧道巖爆段圍巖等級以Ⅳ級圍巖居多,斷面尺寸為12.68 m×7.2 m。結(jié)合工程地質(zhì)條件、工期要求及施工方法確定隧道循環(huán)進(jìn)尺,當(dāng)Ⅳ級圍巖采用臺(tái)階法施工時(shí),循環(huán)進(jìn)尺不得超過2 m。為研究不同隧道進(jìn)深對巖爆造成的影響,根據(jù)圍巖等級及相關(guān)規(guī)范,循環(huán)進(jìn)尺取2 m,隧道埋深600 m,設(shè)置不同進(jìn)深對其進(jìn)行分析,部分進(jìn)深處圍巖的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 不同隧道進(jìn)深最大主應(yīng)力Fig.5 Maximum principal stress of different tunnel depth

4.3 隧道埋深模擬

大涼山隧道巖爆段埋深范圍在550～750 m,為研究埋深因素對巖爆的影響,結(jié)合實(shí)際施工,建立不同埋深時(shí)隧道模型,對不同埋深圍巖應(yīng)力大小進(jìn)行分析對比,部分埋深圍巖應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 不同隧道埋深最大主應(yīng)力Fig.6 Maximum principal stress at different buried depths

4.4 隧道斷面形狀、斷面大小模擬

在隧道施工過程中,由于一些因素影響易造成開挖斷面形狀不規(guī)則,從而易導(dǎo)致局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生,不同斷面形狀對圍巖應(yīng)力造成的影響程度也各不相同。目前斷面形狀選取主要考慮隧道所處位置及穿過的圍巖性質(zhì)。為了分析隧道斷面形狀對圍巖應(yīng)力的影響,設(shè)置3種不同的斷面形式:三心圓、矩形和馬蹄形,當(dāng)斷面形狀不同時(shí),其斷面大小也有所差異,三者面積大小依次為三心圓>馬蹄形>矩形。此時(shí)模型取相同隧道埋深和進(jìn)深,對隧道在不同斷面形式下的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析,其應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 不同斷面形式最大主應(yīng)力Fig.7 Maximum principal stress of different sections

4.5 影響因素結(jié)果分析

通過對3種因素下圍巖應(yīng)力分析可以發(fā)現(xiàn),隨隧道開挖進(jìn)深、埋深及斷面大小的增加,最大主應(yīng)力與其呈正相關(guān)關(guān)系。不同因素下最大主應(yīng)力對比圖如圖8所示,可以發(fā)現(xiàn)埋深因素對圍巖應(yīng)力即巖爆造成的影響最大。對于隧道不同斷面形式,巖爆時(shí)常發(fā)生的位置也不同,如三心圓隧洞巖爆多發(fā)生在隧道拱頂及上半拱位置,而馬蹄形隧洞多發(fā)生拱腳上下位置。從斷面大小來看,斷面面積越大,初次應(yīng)力重分布圈就越大,易對圍巖穩(wěn)定性造成不利影響。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果,取其最不利情況,當(dāng)埋深在700 m時(shí),圍巖最大主應(yīng)力達(dá)到53.70 MPa,此時(shí)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度取Rc=70 MPa,將其代入谷-陶巖爆判據(jù),發(fā)現(xiàn)σ1>0.40Rc,并結(jié)合工程鉆孔取芯ZK2-5處參數(shù),最終結(jié)果表明此段隧道具有發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 不同因素下最大主應(yīng)力Fig.8 Maximum principal stress under different factors

5 巖爆案例及防治對策

5.1 大涼山隧道巖爆案例分析

大涼山隧道項(xiàng)目通過鉆孔取芯參數(shù)分析,最終認(rèn)為深埋巖體較完整的玄武巖段可能會(huì)發(fā)生輕微-中等巖爆。經(jīng)施工人員反映,當(dāng)隧道開挖到巖質(zhì)堅(jiān)硬、埋深較深的地方時(shí),出現(xiàn)巖石剝落甚至彈出的現(xiàn)象。隧道開挖時(shí)巖爆發(fā)生情況如圖9所示,因提前采取了一定的防治措施,雖未造成人員傷亡,但對機(jī)械設(shè)備造成了一定的損傷。

圖9 大涼山隧道巖爆現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.9 Photo of a rock burst in the Daliangshan Tunnel

通過圖9可以看出,在實(shí)際隧道開挖過程中,巖爆主要發(fā)生在拱頂和邊墻上部,在橫截面的拱頂和拱肩處形成應(yīng)力集中區(qū)。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很好的吻合性,驗(yàn)證了本文方法的正確性。

5.2 大涼山隧道巖爆防治措施

大涼山項(xiàng)目巖爆區(qū)施工作業(yè)流程圖如圖10所示。為降低施工風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)埋深、進(jìn)深增加到一定深度時(shí),應(yīng)增強(qiáng)巖爆防范意識(shí),開挖過程中應(yīng)盡可能避免超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。大涼山項(xiàng)目針對巖爆處理問題堅(jiān)持“安全第一、以防為主,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)與施工措施相結(jié)合、綜合治理”的處理原則,盡可能防止巖爆的發(fā)生,施工中巖爆防治措施主要從以下幾點(diǎn)出發(fā)。

(1)針對大涼山隧道可能出現(xiàn)的巖爆災(zāi)害,結(jié)合工程實(shí)際,在初期支護(hù)時(shí),優(yōu)先采用噴錨網(wǎng)柔性支護(hù)措施進(jìn)而防止碎石的彈射,并設(shè)置短而密的錨桿降低圍巖應(yīng)力水平。對于中等及高等巖爆,應(yīng)設(shè)置格柵鋼架從而避免大塊巖體剝落,對施工機(jī)械及人員造成威脅。

(2)在掌子面未開挖前,對其噴灑高壓水,并利用巖體上的炮眼或者錨桿鉆孔向內(nèi)部注水,從而達(dá)到軟化巖體,降低強(qiáng)度。高壓注水會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂隙并使原有裂隙繼續(xù)擴(kuò)展,進(jìn)而降低了巖體本身的儲(chǔ)能能力。

(3)在項(xiàng)目具體施工過程中,對于不同地質(zhì)環(huán)境,在保證安全前提下,選擇與其相適應(yīng)的施工方案,使其施工能夠快速、高效的順利展開。

6 結(jié)論

以四川大涼山隧道巖爆段為研究對象,為降低施工風(fēng)險(xiǎn),基于彈塑性理論對巖爆進(jìn)行力學(xué)分析,建立了相關(guān)數(shù)值計(jì)算模型,主要結(jié)論如下。

(1)隧道開挖后圍巖由彈性轉(zhuǎn)化為塑性,周圍彈性巖體持續(xù)釋放能量,導(dǎo)致圍巖在塑性區(qū)發(fā)生巖爆。能量是巖爆發(fā)生的根本條件,應(yīng)力是決定巖爆發(fā)生的觸發(fā)條件。

(2)巖爆發(fā)生的概率和隧道埋深、進(jìn)深及斷面大小呈線性正相關(guān),在550～750 m埋深范圍內(nèi),隨著隧道埋深的增加,圍巖應(yīng)力也不斷增大,深度每增加50 m,最大主應(yīng)力增加約5 MPa。

(3)當(dāng)數(shù)值模擬最大主應(yīng)力σmax為46.54 MPa時(shí),根據(jù)巖爆谷-陶判據(jù),σ1依舊大于0.40Rc,說明大涼山2號隧道具有發(fā)生巖爆的可能,存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)。

(4)關(guān)于隧道埋深、進(jìn)深及斷面形狀對巖爆的影響有了更加系統(tǒng)直觀地認(rèn)識(shí),對于今后類似工程預(yù)測和控制巖爆具有重要意義。