某引水隧洞深埋段花崗巖巖爆演化規律研究

伍達富，王琴

（黔南民族職業技術學院建筑工程與設計系，貴州 都勻 558022 ）

巖爆是高地應力條件下掌子面或洞壁出現巖塊爆裂、剝落、彈射、氣浪、震動、發聲甚至產生的震動現象。巖爆是隧洞開挖后，圍巖應力強烈釋放的一種現象，在高地應力情況下（包括自重應力和構造應力），洞室開挖后巖體釋放儲藏的能量。巖爆的發生具有一定的條件，通常是隧洞處于構造強烈地層，埋深超過一定深度，且巖體強度高、整體性好的情況。巖爆對于隧洞工程的破壞按照其釋放能量的等級，可以分為輕微巖爆、中等巖爆、強烈巖爆和劇烈巖爆。其中以劇烈巖爆破壞最強，劇烈巖爆對于正在施工的隧洞存在極大的安全隱患，如錦屏二級電站引水隧洞在修建過程中發生劇烈巖爆，造成已施作襯砌段發生嚴重塌方施工[1]。巖爆對于隧洞工程的影響除了初始應力場這一客觀因素外，還與隧道的開挖手段有關[2]。采用TBM（全斷面隧道硬巖掘進機Tunnel Boring Machine）施工時，由于隧洞斷面是一次性開挖成型且對圍巖幾乎沒有擾動，因此巖體的能力釋放并未得到“削弱”，使得巖爆對TBM 施工隧洞影響要相應地比鉆爆法大得多[3]。

有許多學者對TBM 施工的隧道巖爆問題進行了研究，劉健[4]分別對灰巖、花崗巖和紅砂巖三種圍巖進行了不同孔隙結構巖石巖爆傾向機理與破裂特征的研究，指出致密性和硬脆性越強的巖石儲能特性越好，巖爆傾向性越強。張曉君等[5]通過模型試驗研究應力松弛巖爆試驗，從巖爆的發生機理出發得到應力松弛巖爆的演化規律。嚴孝海等[6]依托四川康定某深埋隧道，利用真三軸巖爆實驗系統，開展不同深度下的花崗巖巖爆物理模擬實驗，得到了花崗巖巖爆的三種不同破壞形式。周亞萍等[7]針對深埋高地應力水工隧洞巖爆脆性破壞深度進行了數值模擬，得出了巖爆破壞深度相關結論。

上述學者采用試驗或數值模擬手段對巖爆的發生機理及破壞形式等做了大量研究工作，得到了較多具有參考價值的結論?；诖?，本文針對TBM 方法施工的圓形斷面引水隧洞，運用ANSYS 有限元分析軟件，考慮在不同水平構造應力作用下，隨著隧洞埋深的增加，隧洞巖爆的區域演化、巖爆破壞深度以及巖爆等級的發展規律。

1 工程概況

某引水隧洞全長17.223km，樁號0+000～17+223，采用TBM 開挖，隧洞直徑10m，隧洞最大埋深1000m。隧洞橫穿博羅科努復背斜，地層走向近東西或北西，傾角中等～較陡。巖層擠壓褶皺強烈，次級褶皺和斷層發育，背向斜構造形跡不完整。隧洞位于復雜東西向構造帶中，斷層發育。輸水隧洞地區地應力高，沿線分布多種硬脆性巖石，具備發生巖爆的地質條件。綜合判定，大部分相對完整圍巖洞段具備輕微巖爆條件，部分巖體完整洞段具備中等巖爆條件，局部洞段具備強烈巖爆的地質條件。

隧洞TBM 掘進樁號1+311～1+424 段巖性為花崗巖，塊狀構造，巖石堅硬、性脆，洞室段干燥無水，埋深500m 左右，發生輕微～中等巖爆，巖爆的發生，先是聽到巖體深部有炮聲，近處巖體表面有撕裂聲，大約3分鐘后一塊厚20～28 cm，長寬30×60cm 的巖石從母巖中彈出，并伴隨一聲巨響。由于拱架支撐，此巖石坐落在拱架上。巖石彈出后，仍聽到巖體深處有轟鳴聲傳出。如下圖1 所示。

圖1 某引水隧洞巖爆破壞圖

2 巖爆分級理論

地下洞室的開挖，其本質是將具有一定應力履歷的巖體，通過一定的手段形成巖體的臨空面，而巖體的應力重新發生應力改變并達到再次平衡的過程。巖體的受力過程可以用下圖來表示，其中水平向為構造應力，豎向上的為巖體自重應力如圖2 所示。

圖2 巖體受力示意圖

圖3 某引水隧洞幾何模型尺寸圖

本文以應力判據理論中公路隧洞設計規范（JTG 3370.1-2018）巖爆的分級公式：

σθmax/Rc ＜0.3，無巖爆；

0.3≤σθmax/Rc＜0.5，輕微巖爆；

0.7≤σθmax/Rc＜0.9，強烈巖爆；

0.9≤σθmax/Rc劇烈巖爆。

上式中，σθmax——圍巖最大切向應力；Rc——巖石單軸抗壓強度值。根據（4）式確定某引水隧洞采用TBM 施工，遇花崗巖圍巖段，洞室的巖爆等級。在本文中，為了方便敘述，引入巖爆分級計算值k，巖爆分級公式如下：

上式中，k——巖爆分級計算值。

3 某引水隧洞巖爆模擬過程

3.1 巖爆分析模型相關參數

某引水隧洞采用TBM 施工（一次性開挖成型），隧洞直徑為10m。發生巖爆段，圍巖級別：Ⅱ～Ⅲ，微風化花崗巖，巖體完整，脆性，無地下水。以某平面尺寸為50m×50m 表示地層范圍，埋深轉化為豎向荷載?；◢弾r巖體力學參數如下：重度γ=24KN/m3、彈性模量E=50Gpa、泊松比μ=0.2、單軸飽和抗壓強度Rc=80Mpa、粘聚力c=10Mpa、內摩擦角φ=55°。引水隧洞幾何模型尺寸如下圖所示。

采用二維平面應變分析模型，將上覆巖體重量考慮為均布荷載施加在模型上，同時對數值模型施加二維平面上的側向水平應力來模擬地層受到的構造應力，并用字符“λ”表示側向壓力系數，且令：

在進行ANSYS 模型計算時，選擇隧洞埋深h 從300 米到700 米按公差100 米進行遞增變化，同時側向壓力系數從0 到2.0 按公差為0.2 遞增變化。

3.2 計算結果分析

本文中某引水隧洞圍巖巖性為花崗巖，單軸抗壓強度Rc=80Mpa。按照巖爆等級計算公式，可得到不同工況開挖后，洞室的巖爆等級。

對于埋深300m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為無巖爆-輕微巖爆，其中無巖爆工況占比72.3%，輕微巖爆工況占比為27.7%，且只有當側向壓力系數λ大于1.6 時才會發生輕微巖爆，輕微巖爆在實際工程中表現為少量片幫，對工程威脅較小。

對于埋深400m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為無巖爆-輕微巖爆-中等巖爆，其中無巖爆工況占比18.2%，輕微巖爆工況占比63.6%，中等巖爆工況占比18.2%。發生中等巖爆時，側壓力系數λ 大于1.8。

對于埋深500m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強烈巖爆，其中輕微巖爆工況占比72.7%，中等巖爆工況占比18.2%，強烈巖爆占比9.6%。

對于埋深600m，花崗巖洞室巖爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強烈巖爆，其中輕微巖爆工況占比54.5%，中等巖爆工況占比27.3%，強烈巖爆占比18.2%。

對于埋深700m，花崗巖洞室巖爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強烈巖爆-劇烈巖爆。其中輕微巖爆工況占比18.2%，中等巖爆工況占比54.5%，強烈巖爆占比9.1%，劇烈巖爆占比18.2%。

4 結論

根據應力判據理論，以TBM 方法開挖的花崗巖隧洞，考慮在不同埋深條件及不同水平構造應力作用下，采用ANSYS 有限元分析軟件分析隧洞開挖后圍巖最大主應力的分布形態，分析不同工況下隧洞的巖爆等級，結論如下：

（1）當水平構造應力等于自重應力時，圍巖的最大主應力值，達到最小值，此時水平構造應力對于圍巖受力有改善的作用。

（2）花崗巖洞室開挖時，當隧洞埋深不超過300m，不存在巖爆，只有當地層構造特別強烈時會發生輕微巖爆。埋深在400～500m 時的花崗巖洞室開挖，巖爆等級以輕微巖爆為主，當地層構造強烈時，會發生中等-強烈巖爆。埋深超過600m 時的花崗巖洞室開挖，發生輕微巖爆與中等-強烈巖爆的情況均有可能發生。當埋深超過700m 時的花崗巖洞室開挖，巖爆等級以中等巖爆為主，當地層構造強烈時發生強烈巖爆或劇烈巖爆，對工程危害很大。因此在埋深超過700m，且巖性為花崗巖等強度很高的洞室開挖時，在設計階段做好巖爆的防治措施。