激振法對軟巖高地應力超前釋放數值模擬研究

朱 英, 李新宇, 尤衛星, 唐小微

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司,鄭州 450016;2. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024)

二十一世紀已經步入了發展隧道與城市地下空間工程的時代[1],隧道在交通網絡建設當中已經具有了舉足輕重的地位,但隨著隧道的開挖深度與長度在不斷的增加,所面臨的施工地址條件也隨之變得越來越復雜,給實際建設會造成一系列的問題,高地應力軟巖大變形就是其中之一[2]。軟巖大變形問題一般出現在變質巖、破碎斷層、煤系地層等低強度圍巖中[3],變形速率達到0.1～5 m/min,圍巖快速收斂過程中將導致混凝土管片的變形和破損,阻礙隧道掘進機(tunnel boring machine,TBM)的正常掘進,嚴重時甚至發生卡機現象,增加了設備的故障機率[4]。從破壞形式和形成機理方面來劃分,大變形的形成機制主要分為兩種[5-7]:一是塑性擠壓大變形,主要是由于開挖后圍巖應力在高地應力的基礎上重分布后使強度高于軟巖的自身強度;二是巖體體積膨脹大變形,主要是由于礦物與水發生反應后膨脹造成。綜合上述兩種變形機理,在隧道施工圍巖變形問題中,擠出和膨脹共存,但單純的膨脹引起的大變形比較少見,而塑性擠壓大變形是引發隧道圍巖大變形的主要機制[8],因此在實際工程當中,會采用各種手段避免由于高地應力所產生的危害。

國內外學者針對高地應力進行了大量的研究并且以及取得了豐碩的成果,目前應對高地應力的手段主要分為兩個方向:一個方向是在開挖過程當中進行預處理,從而完成對應力的卸載,包括鉆孔卸壓、爆破卸壓、水壓至裂等;另一個方向則是通過改進開挖方式和后續支護結構,來完成對高應力的抵抗。

陳榮華等[9]針對高地應力地質條件復雜的礦場頂板塌落問題,通過預先注水軟化的方式對關鍵巖層進行預處理,并且通過RFPA2D軟件驗證了軟化系數和軟化厚度不同對于預防效果的影響。王偉[10]分析了在造穴作用下,煤體圍巖的應力以及塑性區分布機理,結合水流的沖擊特性與聚能效應,通過高壓水流射入沖孔的方式完成卸壓。閆鑫[11]將煤炭領域的超前導洞應力釋放技術引入到鐵路隧道當中,完成了超前導洞應力釋放技術在鐵路隧道當中應用的可行性。Zang等[12]分析了煤礦巷道圍巖分別在靜荷載以及不同擾動強度下的動荷載作用下的變形結果、應力場變化以及塑性區分布,并進行了噴錨與鋼筋錨索聯合支護方案的優化改良。Duan等[13]采用數值模擬與現場觀測結合的方式,分析了爆破前后襯砌、圍巖、錨桿以及圍巖的穩定性,對爆破擾動后的圍巖安全性進行了系統的評估。楊英明[14]研究了開拓巷道前煤層應力場分布規律,并模擬了巖層在進行超前鉆孔卸壓情況,證明了超前鉆孔增強了卸壓區的范圍同時降低了瓦斯突出風險。Aliev等[15]研究了開拓巷道前煤層應力場分布規律,并對巖層在進行鉆孔卸壓情況下的應力應變狀態進行了數值模擬,增強了卸壓區的范圍同時降低了瓦斯突出風險。魏明堯等[16]運用FLAC3D軟件進行數值模擬,分析了不同條件下鉆孔卸壓爆破前后的圍巖應力分布和轉移規律,探究了裝藥量、煤層厚度對爆破卸壓效果的影響。

但以上方法都存在一定程度的問題,改進開挖方式以及支護等方法存在滯后性,但在實際工程當中有相當多的變形問題集中發生在開挖之后的較短時間,這段時間內發生的變形會拖延正常的施工進度。因此針對實際工程,提出一種利用激振器進行沖擊振動的方式,引發共振效果來提前釋放隧道高地應力,采用機械激振的方式相比于爆破方式有效提高了施工的安全性以及效率,相比于水壓致裂等超前方式降低了整體設備的體積以及施工的便捷性。下文將針對TBM掘進后通過打入小導洞進行超前激振的方式,來驗證激振法卸除高地應力的可行性。

1 激振器具結構及作用原理

目前激振器主要分為金屬振動時效激振器,試驗臺用激振器。激振器是附加在某些機械或者上背上用于產生激振力的設備,其原理是將電能轉換為機械能,依據激振起動方式的區別主要分為機械式激振器、液壓式激振器、電磁式激振器、電動式激振器四種。除此之外還有液壓夯實機和可控震源系統可以提供激振力。但液壓夯實機與可控震源系統雖然可輸出的力較大,但頻率較低且體積過于巨大、設備過于沉重,因此針對實際小導洞激振方式,采用金屬振動時效激振器和試驗臺用激振器作為實際激振源,并綜合TBM系統,將激震系統與TBM系統集成為一體,研制出新型設備,完成掘進與激振設備的一體化。使得TBM在遇到軟巖地區時,可以進行激振預處理,對掌子面前方一定范圍內的應力進行釋放,從而有效降低了變形量,減小TBM機在圍巖變形后卡機的風險。

本設備如圖1所示包括TBM系統與激振系統兩部分組成,TBM系統以中心處設有孔洞的刀盤為主,激震系統則包括:推進梁、推進油缸、鉆桿、激振設備。整體過程為刀盤在掘進過程當中遇到軟巖地區,停止掘進,從中心孔洞處啟動推進油桿進行導洞的鉆進,在鉆進到合適的深度之后,再采用激振器進行振動,從而在一定范圍內完成對應力的釋放,振動預定的時間之后,再次啟動推進油缸將鉆桿與激振器收回并拆卸,之后重新啟動TBM進行掘進,掘進一定進深之后再次進行以上的操作,重復數次完成對軟巖地段的開挖,從而達到對于高地應力的超前釋放,降低管片后續變形以及卡機事故出現的幾率。

圖1 適配TBM小導洞激振設備圖Fig.1 TBM small hole vibration equipment

圖2 隧道模型Fig.2 Tunnel model

2 數值模擬

2.1 建立模型

針對上述TBM小導洞模型進行建模,本文采用FLAC3D有限差分軟件進行模擬,對TBM小導洞掘進模型進行計算,模型整體為立方體,長寬高均為90 m,掌子面直徑為10 m,在掘進掌子面中心處開挖直徑0.1 m小導洞,深度為10 m,模型上部壓力為10 MPa,圍壓為5 MPa,荷載加載方式為在導洞的左右兩側進行施加相差半個周期的正弦變化式荷載,模型底部采用固定位移邊界,施加三向位移約束,四周采用黏性邊界對振動能量進行吸收,模擬無限大邊界條件,頂部采用自由邊界。巖土體本構選擇摩爾庫倫本構進行模擬并為巖體賦予參數,如表1所示。

表1 巖土體參數Tab.1 Parameter of rock

2.2 尋找共振頻率并研究頻率對于整體結果影響

針對巖石體,選擇開爾文體作為巖石的振動模型,該模型是一種典型的、具有一定代表性的巖石力學組合模型,也是巖石動力學的基本模型。開爾文體的組合模型如圖3所示。

圖3 開爾文本構模型Fig.3 Kelvin model

加載的諧振激勵符合正弦變化規律,振動方程為

(1)

式中:m為質量,kg;C為阻尼系數,Ns/m;X為振動位移,m;t為時間,s;k為剛度,N/m;F為諧振沖擊力;ω為諧振沖擊力頻率, Hz;A為諧振沖擊力振幅,m。

(2)

式中,a為位移響應振幅。

(3)

(4)

式中,ω0為巖石的固有頻率。

由公式可知,當沖擊力頻率接近共振頻率時,位移響應振幅最大,響應最強,同時響應的范圍最廣。

激振頻率從1～2 000 Hz取若干工況進行激振模擬,通過與初始應力狀態對比,可以得到如圖4所示的在激振完畢后有效的應力釋放范圍隨頻率變化曲線,通過曲線我們明顯可以發現一個十分突出的波峰,因此我們認為在此頻率下,產生了共振現象。當頻率小于共振頻率時,應力釋放范圍隨頻率升高而增大,在達到共振頻率100 Hz左右,應力釋放范圍達到峰值,后續當頻率繼續的增大,遠離共振頻率之后,激振所影響的范圍明顯減小。

圖4 應力釋放深度范圍Fig.4 Stress relief range

在激振后,進行隧道的開挖并對隧道襯砌頂部選擇若干測點進行沉降量數據進行檢測,得到如圖5所示沉降曲線。橫軸對標為隧道的進尺,縱軸坐標為隧道沉降量。

圖5 后續開挖隧道沉降曲線Fig.5 Tunnel excavation settlement curve

由圖5可知,我們可以確定激震法可以完成應力超前的釋放和降低后續隧道開挖的沉降變形且在100 Hz頻率工況下隧道沉降最小,在隧道進尺5 m處,對比未振動工況沉降量有效降低了28%。因此針對本工況,在100 Hz共振頻率下對于隧道的超前應力釋放效果最優。在實際施工過程當中我們認為相較于其余振動頻率,共振頻率對于改善隧道沉降效果更好,共振能夠有效地促進應力的釋放,故應當在施工過程當中將激振頻率盡量貼近實際共振頻率,以達到最優應力釋放效果。

2.3 振幅對于整體卸荷效果的影響

在得到最優頻率即共振頻率之后,繼續針對振動幅值進行了多工況模擬以期望得到激振法的最優激振幅值。

圖6為應力釋放范圍隨振動幅值變化曲線,我們在0.1～5 GPa合理選擇若干工況來進行了激振分析。可以發現在激振幅值達到2 GPa之前,應力釋放范圍是隨著幅值增大而不斷增大,應力釋放范圍在2 GPa時達到峰值,后續略有降低,但整體降低幅度較小。為了進一步探究最優激振幅值,在激振完畢之后進行隧道的開挖模擬,開挖方式與2.2節相同相同,對后續隧道開挖以及襯砌施作采用一次開挖成型的方式。

圖6 應力釋放深度范圍Fig.6 Stress relief range

圖7為不同激振幅值下隧道沉降量監測曲線。可以明顯觀察到當振動幅值達到在2 GPa后,隧道沉降量最小,在隧道進尺7 m處,沉降量相比未振動工況降低了45%。繼續增大振動幅值后,對隧道沉降的改善效果在10 m之前略低于2 GPa,在10 m之后又小幅度的提升,超過2 GPa這一振幅閾值之后,后續加大振幅所得到的效果不明顯,相對于能量的額外增加,所得收益不成比例。對于實際施工當中,應選擇性價比更高的激振施加方式,同時考慮到預期的激振施工方式為在軟巖段不斷重復激振—開挖—再激振的模式,因此我們認為2 GPa這一激振幅值為針對本工況的最優振幅。

圖7 后續開挖隧道沉降曲線Fig.7 Tunnel excavation settlement curve

2.4 激振深度對整體協和效果的影響

在分別對于激振頻率以及激振幅值進行一定程度研究后,針對探究深度進行研究。多次改變激振點的深度,從深6 m開始,每加深2 m進行一次激振模擬直到深度達到16 m為止,得到如圖8所示各工況下豎向應力分布云圖并將各工況有效應力釋放范圍數據進行匯總,如表2所示。

表2 不同激振點深度工況下應力釋放范圍Tab.2 Stress relief range in different vibrate position 單位:m

圖8 不同激振點深度工況下豎向應力云圖Fig.8 Vertical stress in different vibrate position

圖8為不同激振深度下的豎向應力云圖,展示了不同深度工況下的應力釋放效果,維持激振頻率為100 Hz,激振幅值為2 GPa,可以明顯觀察到當激振點深度為8 m時,應力釋放范圍最大,當激振點距離掌子面超過10 m之后,應力釋放范圍逐漸減小,同時激振點附近位置產生比較明顯應力集中現象。綜合分析原因為當激振點距離掌子面過近時,由于靠近掌子面部分已經由于開挖所導致部分應力釋放,所以激振效果不明顯;當激振點距掌子面過遠,受擾動巖體無法依靠自由凌空面的空間進行應變,從而無法完成整個應力釋放過程,在激振點處產生應力集中的現象。

圖9為距離掌子面6～16 m不同工況下的激振后隧道開挖沉降曲線,進一步證明上述的總結:8～10 m的激振深度下,應力釋放的效果最優秀,過大以及過小的激振深度,都不利于掌子面處的應力釋放,過小的激振深度會導致激振影響區與開挖所導致的應力釋放區重疊,使得激振應力釋放效果不明顯;過大的激振深度會使得激振影響區與掌子凌空面距離過遠,無法充分的釋放影響區的應力,從而減少后續的開挖變形。

圖9 后續開挖隧道沉降曲線Fig.9 Tunnel excavation settlement curve

2.5 最優激振結果組合

綜合上述結果,選擇8 m的激振深度、2 GPa的激振幅值以及100 Hz的振動頻率做為最優激振方式,并以此方式來對TBM小導洞模型進行激振處理,從而得到如圖10所示的隧道沉降曲線,通過對比未經過激振處理以及激振后的隧道沉降曲線,發現隧道沉降情況有了明顯的改善,證明機械激振法可以完成應力的超前釋放,對于隧道后續的開挖是有益的,可以顯著的降低隧道的變形,防止TBM卡機等事故的發生。同時可以發現機械激振的處理效果范圍有限,不能做到一勞永逸,所以在實際施工過程當中,應考慮采取激振處理開挖一段距離再進行激振的循環施工操作,采取此種操作通過軟巖區之后再恢復為正常TBM掘進施工進度。

圖10 最優組合隧道沉降曲線Fig.10 Tunnel settlement curves of optimum combination

3 結 論

本文采用FLAC3D軟件,根據目前應力釋放現狀針提出一種新的超前應力釋放方法,并基于一種依托TBM的綜合激振設備,進行數值模擬研究,研究了頻率、振幅以及激振深度三方面因素對于應力釋放效果的影響,并依據數值模擬結果總結了合理的激振頻率、幅值,其結果為:

(1) 首先針對模型在不同頻率下的響應,確定其共振頻率,將不同頻率下激振后的應力釋放深度范圍以及后續隧道開挖沉降的結果繪制成圖,發現在共振頻率下相對于未振動工況隧道沉降量降低了28%,同時共振頻率下的隧道變形也明顯小于其他頻率,證明在共振頻率的優越性,初步證明方法可行性,并且針對實際施工當中應將激振頻率盡可能的貼近實際集鎮頻率,以此達到應力釋放的最優效果。

(2) 在共振頻率的基礎上改變激振幅值,通過數值模擬結果發現增大幅值一定程度上有利于應力釋放效果的提升,但幅值存在提升的閾值。在本模型當中,當超過2 GPa這一閾值之后,后續繼續加大振幅所得到的釋放效果提升不明顯,相比于能量的額外增加,所得到的收益不成比例,因此針對本方法確定了2 GPa為本次模擬合理的激振幅值。

(3) 針對激振深度進行大范圍的改變并觀察不同深度對于激振效果的影響,可以發現當采用8 m激振深度時,應力釋放范圍最大可以提升30%。因此針對此模型選取8 m作為合適的深度,過大或者過小都不利于應力的釋放,導致應力釋放范圍的降低。當激振位置過淺會使得激振應力釋放區與由于開挖導致的應力釋放區重疊,造成能量的浪費;當采取過深的激振位置時,激振點與掌子面中間的未擾動巖體會使得深處受到擾動的部位無有效的凌空面釋放應力。故激振點位置需選擇較合適位置,針對實際工程當中需要結合現場情況進行合理選擇。