大涼山地區深埋高地應力公路隧道巖爆機理及防治對策

洪富義, 李旭哲, 王子, 陳諾, 梁斌, 李文杰*

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

巖爆作為深埋隧道時常發生的地質災害,從力學角度來看,發生時表現為一定的非線性行為,具有突發性、高危性等特征。鑒于深埋高地應力隧道所處地質環境的復雜性,發生巖爆時易給施工現場機械及作業人員帶來極大安全隱患。因此,如何對巖爆災害進行合理預測,進而采取有效的防治措施仍然是目前一個熱點問題[1]。

針對隧道巖爆問題,國內學者從多方面對其進行了研究和探討。吳偉偉等[2]通過力學分析對巖爆機理進行了研究,揭示了巖爆的形成過程,并對巖爆發生的破壞條件進行了討論。馮夏庭等[3]結合室內試驗、數值模擬及現場監測等多種手段,對不同類型巖爆的演化規律進行了研究,并對巖爆孕育過程的主要研究方向進行了討論。孫曉明等[4]以高樓山隧道為工程背景,通過室內試驗并結合多種判據對施工現場樣巖巖爆傾向性進行了綜合評價。唐澤林等[5]以成蘭鐵路平安特長深埋隧道中高地應力巖爆易發段為依托,通過施工現場實測、數值模擬分析以及室內試驗等手段,探明了隧道巖爆發生的力學機制,運用經典應力巖爆判據指標,對巖爆發生強度及位置進行了預測和判斷。陳賢豐等[6]依托巴玉隧道工程,通過構建三維地質力學模型獲取初始地應力場分布特征,并結合微震監測系統對隧道巖體破裂進行實時監測預警,結果表明隧道軸向三維地應力場總體分布規律表現為最小水平主應力小于豎向主應力。雖然以上學者針對巖爆預測問題做了大量研究,但將工程實際、理論分析與數值模擬手段相結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生的影響,對其預測和控制都極為重要。

鑒于此,現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,對巖爆發生的機理進行闡述,通過數值模擬的手段對高地應力環境下隧道在不同埋深、進深及斷面形狀因素影響下圍巖的應力特征進行分析比較,總結巖爆發生規律,根據其結果對深埋隧道規劃建設和巖爆風險控制提供合理的科學依據,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,設計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,工程區內地勢陡峻,所處地勢西高東低,呈北東向傾斜。2號隧道穿越地層眾多,巖性及地質構造復雜,圍巖等級以Ⅳ級為主,巖石大多為玄武巖,屬于較硬質巖石,因為工程所處高地應力環境,使其巖石內部產生了足夠能量,導致隧道開挖時易發生巖爆災害,為降低巖爆災害發生,施工時提前制定了相應的防治措施方案。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 隧址區地質因素分析

2.1 地質構造條件

大涼山隧道構造綱要圖如圖2所示,隧道地處青藏高原東南緣與上揚子西緣的構造結合部位,主要構造行跡為南北向為主的斷層褶皺組合帶,主體表現為由西向東的構造推覆,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。根據相關施工經驗發現大多數無構造處容易產生巖爆區段,在褶皺、擠壓帶有相對較小可能產生巖爆區段,斷層及影響帶一般發生巖爆的概率很小。

圖2 大涼山隧道構造綱要圖(據四川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 地應力條件

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

2.3 地層巖性

大涼山隧道易發生巖爆段巖石主要以玄武巖為主,此段玄武巖、熔結狀火山角礫巖整體強度較高,以較堅硬～堅硬巖為主,巖石強度較高時,能夠儲存的應變能也就越多,越容易發生巖爆,因此可將巖性條件歸結為巖爆發生的基本誘因之一。當巖體所處外部環境被破壞后,巖體中儲存的彈性能會在極短時間內釋放,這時極易導致巖爆災害發生,對地下工程安全施工造成一定的威脅。

2.4 水文地質條件

大涼山2號隧道地處大涼山地區腹心地帶,通過地質勘探發現此處地下水充沛,并且在施工過程中經常見到隧道洞內地下水以點滴狀或者淋雨狀出現,且碰到降雨入滲后地下水總是呈涌水狀流出。巖爆一般發生在巖體干燥、無滲水地段,若存在地下水時,對圍巖軟化及降低巖體儲能能力有很大作用,地下水的存在從一定程度上降低了巖爆的發生風險。

3 巖爆孕育力學分析及巖爆判據

3.1 彈塑性力學分析

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

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個方向的主應力,MPa;ε1、ε2、ε3分別為模型3個方向的主應變。

隧道開挖時,對原本圍巖的應力平衡狀態造成破壞,導致其應力進行重分布。在隧道開挖形成半徑為R0的硐室后,其圍巖中應力重分布狀態(在極坐標系下)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力、切向應力及剪切應力,MPa;r為徑向半徑,m;λ為應力比值系數;θ為極角,(°)。深部巖體中圍巖的天然應力基本等價于靜水壓力狀態[7],因此當λ=1時,即σh=σv=σ0,圍巖此時的應力重分布狀態可以用式(5)～式(7)表示為

(5)

(6)

τrθ=0

(7)

通過以上分析可知,當隧道圍巖處于單向應力狀態時,此時圍巖的應力集中系數最大。在圖3(c)中,圈Ⅰ表示隧道開挖后所形成的彈性區;小圈Ⅱ表示繼圍巖出現塑性區后,受到其附近圍巖應力二次重分布影響所形成的彈性圈,且彈性圈Ⅰ和Ⅱ的應力分布和能量狀態計算理論相同。當λ=1時,塑性區應力狀態可以用式(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聚力,MPa;內摩擦角,(°);Pi為洞壁支護力,MPa。當洞壁圍巖出現塑性區后,開始出現從母巖分離出來的單獨碎塊。

通過對巖爆孕育過程進行力學分析,發現巖爆發生時應具有以下條件。

(1)開挖在較高的應力環境背景下,圍巖自身具有儲存高應變能的性質。

(2)隧道開挖后在部分洞壁圍巖中出現塑性區。當圍巖處于高應力環境,且儲存足夠能量時,隧道開挖導致圍巖應力發生改變,達到巖爆發生的條件,在此情況下應采取相關巖爆防治措施來降低施工風險。

3.2 巖爆判據

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

(11)

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

當式(11)中4個不等式全部成立時,巖爆災害極易發生。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處鉆孔數據如表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度Rc=70 MPa,σmax為18.3 MPa,根據《工程巖體分級標準》(GB/T 50218—2014)[12]規定,將單軸飽和抗壓強度Rc與最大主應力σmax比值小于4的范圍定義為極高地應力區,此時易發生高等級巖爆。經計算發現此處巖石強度應力比值Rc/σmax=3.8<4,表明大涼山2號隧道屬于極高地應力區,具有發生巖爆災害的風險。

表2 ZK2-5鉆孔實測最大主應力

4 數值模擬分析

4.1 有限元模型

通過巖爆判據發現大涼山隧道項目具有發生巖爆的風險,依托項目ZK108+450～ZK111+450巖爆段,采用MIDAS GTS NX軟件建立三維數值計算模型,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,根據圣維南原理,計算邊界應當取到開挖洞徑的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、左右兩側施加側向壓力,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本構關系,數值模擬材料物理參數如表3所示。

表3 數值模擬計算材料參數

4.2 隧道進深模擬

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。結合工程地質條件、工期要求及施工方法確定隧道循環進尺,當Ⅳ級圍巖采用臺階法施工時,循環進尺不得超過2 m。為研究不同隧道進深對巖爆造成的影響,根據圍巖等級及相關規范,循環進尺取2 m,隧道埋深600 m,設置不同進深對其進行分析,部分進深處圍巖的應力云圖如圖5所示。

圖5 不同隧道進深最大主應力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,結合實際施工,建立不同埋深時隧道模型,對不同埋深圍巖應力大小進行分析對比,部分埋深圍巖應力云圖如圖6所示。

圖6 不同隧道埋深最大主應力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則,從而易導致局部應力集中現象的發生,不同斷面形狀對圍巖應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。為了分析隧道斷面形狀對圍巖應力的影響,設置3種不同的斷面形式:三心圓、矩形和馬蹄形,當斷面形狀不同時,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。此時模型取相同隧道埋深和進深,對隧道在不同斷面形式下的圍巖應力進行分析,其應力云圖如圖7所示。

圖7 不同斷面形式最大主應力Fig.7 Maximum principal stress of different sections

4.5 影響因素結果分析

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

圖8 不同因素下最大主應力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

大涼山隧道項目通過鉆孔取芯參數分析,最終認為深埋巖體較完整的玄武巖段可能會發生輕微-中等巖爆。經施工人員反映,當隧道開挖到巖質堅硬、埋深較深的地方時,出現巖石剝落甚至彈出的現象。隧道開挖時巖爆發生情況如圖9所示,因提前采取了一定的防治措施,雖未造成人員傷亡,但對機械設備造成了一定的損傷。

圖9 大涼山隧道巖爆現場照片Fig.9 Photo of a rock burst in the Daliangshan Tunnel

通過圖9可以看出,在實際隧道開挖過程中,巖爆主要發生在拱頂和邊墻上部,在橫截面的拱頂和拱肩處形成應力集中區。數值計算結果和現場監測數據具有很好的吻合性,驗證了本文方法的正確性。

5.2 大涼山隧道巖爆防治措施

大涼山項目巖爆區施工作業流程圖如圖10所示。為降低施工風險,當埋深、進深增加到一定深度時,應增強巖爆防范意識,開挖過程中應盡可能避免超欠挖現象的發生。大涼山項目針對巖爆處理問題堅持“安全第一、以防為主,加強結構支護與施工措施相結合、綜合治理”的處理原則,盡可能防止巖爆的發生,施工中巖爆防治措施主要從以下幾點出發。

(1)針對大涼山隧道可能出現的巖爆災害,結合工程實際,在初期支護時,優先采用噴錨網柔性支護措施進而防止碎石的彈射,并設置短而密的錨桿降低圍巖應力水平。對于中等及高等巖爆,應設置格柵鋼架從而避免大塊巖體剝落,對施工機械及人員造成威脅。

(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部注水,從而達到軟化巖體,降低強度。高壓注水會導致產生新的裂隙并使原有裂隙繼續擴展,進而降低了巖體本身的儲能能力。

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

6 結論

以四川大涼山隧道巖爆段為研究對象,為降低施工風險,基于彈塑性理論對巖爆進行力學分析,建立了相關數值計算模型,主要結論如下。

(1)隧道開挖后圍巖由彈性轉化為塑性,周圍彈性巖體持續釋放能量,導致圍巖在塑性區發生巖爆。能量是巖爆發生的根本條件,應力是決定巖爆發生的觸發條件。

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

(3)當數值模擬最大主應力σmax為46.54 MPa時,根據巖爆谷-陶判據,σ1依舊大于0.40Rc,說明大涼山2號隧道具有發生巖爆的可能,存在一定的施工風險。

(4)關于隧道埋深、進深及斷面形狀對巖爆的影響有了更加系統直觀地認識,對于今后類似工程預測和控制巖爆具有重要意義。