開挖方式對破碎圍巖的卸載破壞研究

謝錦華

（中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528400）

引言

隧道圍巖的變形與穩定性與開挖方式有關,施工過程中如果處理不當可能會引起隧道的坍塌失穩[1]。特別是在裂隙巖體中開挖隧道,更易出現冒落、坍塌等安全事故,選取合適的開挖方式對保證裂隙圍巖的穩定安全非常重要[2-4]。

G3W 德上高速池州至祁門段重陽2 號隧道位于安徽省池州市石臺縣境內。隧道右線起點樁號K31+414,終點樁號K36+278,長度4 864 m,最大埋深約646 m;隧道左線起點樁號ZK31+397,終點樁號ZK36+252,長度4 855 m,最大埋深約650 m,地應力極高。隧道地層巖性主要為黏土、碎石土、強～中風化灰巖、全～強～中風化砂巖、全～強～中風化花崗巖等,隧道洞身發育多條斷層破碎帶。區段1-8（K31+414～K34+250,ZK31+397～ZK34+230）巖性主要為花崗巖,但風化程度隨著掘進深度變弱,區段9-11巖性主要為沉積巖石灰巖、泥巖及砂巖,區段12 巖性主要為中風化灰巖、泥巖和少量黏土,三段之間有多處斷層存在。隧道掘進區間內圍巖巖性變化頻繁,圍巖的完整性跨度也非常大,因此準確把握巖性及其完整性并據此采用合理的爆破參數是實現隧道掘進快速化施工的關鍵。大部分隧道區段的詳勘資料表明圍巖的破碎程度較高,其Kv 值介于0.3～0.55 之間。為減少、避免施工過程中的災害,有必要通過數值計算確定不同開挖方法對圍巖的擾動破壞。據了解離散元數值方法可以十分近似地模擬非連續介質的力學行為[5]。因此本文根據該隧道的巖性特征采用PFC2D（基于離散元法的顆粒流軟件）從細觀角度分析開挖方式的影響。

1 裂隙巖體隧道開挖模型

量化隧道開挖方式對裂隙巖體穩定性的影響對選擇開挖方式非常重要,因此通過離散元軟件PFC 對隧道開挖卸載導致的圍巖損傷進行了模擬。

采用PFC2D軟件建立數值模型需要以下幾個必要的步驟：①生成并彈開顆粒→②伺服使顆粒體系均勻→③消除懸浮顆粒→④賦予細觀參數→⑤清零速度位移力鏈。根據重陽2 號隧道工程背景,由于隧道圍巖較為破碎,因此必須在計算中必須考慮裂隙對巖爆的影響。根據現場的圍巖的裂隙分布特征模擬中建立了對應的DFN 裂隙網絡。對最大埋深處的隧道開挖進行模擬,豎向地應力為17.29 MPa,水平地應力為16.53 MPa,開挖隧道形狀為馬蹄形。隧道開挖受影響范圍為洞身直徑的3～5 倍,圍巖應力在大于洞身直徑6 倍的范圍內接近于原始地應力[6],因此計算模型采用75 m×75 m 的尺寸,這樣可以更好地避免模型邊界條件給模擬結果帶來影響。另外,出于保證計算效率和計算精度的角度考慮,模型采用4 組顆粒組成（見圖1）,圖1 為四分之一的最終生成模型,每種顆粒的粒徑均不相同,顆粒粒徑從小到大順序為1～4,由內向外逐漸變大。模型中心顆粒粒徑與第2 組模型一致,為隧道開挖部分,并不影響模型計算結果。模型開挖前共有62 835 個顆粒,模型顆粒分布情況及粒徑大小信息詳見表1。

圖1 顆粒流離散元模型

表1 數值模型顆粒尺寸分布情況表

由于重陽2#隧道圍巖較為破碎,因此在計算中必須考慮裂隙的影響。根據現場的圍巖裂隙分布特征,在顆粒模型中建立了對應的DFN 裂隙網絡。建立模型時主要生成的裂隙見表2,其中傾角、跡長均為高斯分布,但裂隙位置隨機分布。為了提高計算效率,只在模型中間一定區域內生成裂隙,模型見圖2。考慮計算效率與實際情況,只在隧道開挖影響區域內添加三組裂隙。

表2 優勢裂隙面參數

圖2 裂隙巖體模型

2 開挖模擬流程

采用“先加載后開挖”的方式模擬隧道開挖情況,可以更加實際地反應隧道圍巖的受力狀態。首先采用PFC2D軟件建立模型；然后建立邊界條件設置地應力,地應力加載到合適的水平時,將模型的位移場清零；在保持邊界條件不變的情況下,刪除開挖區域的顆粒并計算平衡來模擬開挖過程。其中全斷面開挖直接通過刪除隧道斷面區域內的顆粒即可實現,上下臺階法開挖具體步驟如下：

（1） 首先開挖隧道上半部分,見圖3(a)。

（2） 對上臺階的開挖部分施加初期襯砌,通過加入固定的黏結顆粒環,然后在開挖區域中充滿襯砌材料,并且讓巖石顆粒不受束縛。見圖3(c)。

（3） 開挖隧道下半部分并計算平衡,見圖3(d)。

圖3 二臺階法開挖流程

3 裂隙巖體隧道不同開挖方式結果分析

這里按實際施工采用3 種工況,第一種為裂隙巖體中全斷面開挖,第二種為為完整巖體中全斷面開挖,第三種為裂隙巖體中上下臺階法開挖。各工況下模擬結果分析如下：

3.1 裂紋分布圖

裂隙巖體中全斷面開挖隧道共生成15 738 個裂紋,其中上部圍巖中產生的裂紋有8 835 個,下部圍巖中產生的裂紋有6 903 個,而無裂隙巖體中全斷面開挖隧道生成2 814 個裂紋,二者相差6 倍左右,可見對于完整性較差的巖體采用連續介質模型計算其結果是偏于安全的。因為在裂隙巖體中開挖隧道,裂紋從圍巖中裂隙的尖端萌生,然后在裂隙間擴展形成宏觀破裂面,并與已有裂隙連接貫通,將圍巖切割成塊體,更易導致隧道圍巖的不穩定。

二臺階法施工時先開挖上臺階,支護完成后再開挖下臺階。與全斷面開挖相比,上下臺階法開挖共生成12 802 個裂紋,其中上部圍巖中產生的裂紋有7063 個,下部圍巖中產生的裂紋有5 739 個。兩種開挖方式下產生的裂紋主要分布于隧道開挖輪廓周圍,并且在開挖輪廓往四周擴展開的深處存在節理的地方也產生了不少裂紋。從裂紋數比較可見二臺階法開挖時上部圍巖中裂紋減少近20%,下部圍巖中裂紋減少近17%,說明二臺階法開挖可有效控制施工過程中圍巖的破壞。

3.2 綜合位移云圖

圖4 為裂隙巖體中開挖后圍巖的綜合位移云圖,圖中開挖輪廓四周較為整體連續部分是指圍巖綜合位移超過了2 cm。可見相較于全斷面開挖來說,二臺階法開挖時圍巖綜合位移超過2 cm 的區域明顯變小,說明二臺階法開挖時圍巖變形明顯減小。

圖4 裂隙巖體不同開挖方法位移云圖

4 數值模擬結論

通過以上的數值模擬計算能夠得到如下規律性的認識：

（1） 隧道圍巖中的裂隙對隧道圍巖的破壞具有決定性作用,含裂隙的圍巖由于開挖卸載造成的裂隙數量是不含裂隙圍巖的6 倍左右。

（2） 從裂紋數比較可見二臺階法開挖時上部圍巖中裂紋減少近20%,下部圍巖中裂紋減少近17%,說明二臺階法開挖可有效控制施工過程中圍巖的破壞。由此可見,如果能通過周邊眼聚能裝藥及改變周邊眼起爆次序減少圍巖中新產生的裂隙,達到一定數量即可以用全斷面開挖法取代二臺階法施工。從而減少了二臺階爆破的施工工藝；同時爆破塊度均勻,利于裝碴；控制了超欠挖,減少了支護混凝土用量,降低了成本,具有巨大的經濟效益。