深部隧道巖爆傾向性預測與開挖優化數值模擬

張書國 戴 嶺 賀永勝 袁小虎 王啟睿

（1.中建鐵路投資建設集團有限公司；2.中國人民解放軍軍事科學院國防工程研究院）

隨著我國社會經濟的飛速發展，隧道工程也不斷向深部進發。施工過程中圍巖的應力環境越來越復雜，從而導致施工過程中發生突發性地質災害，如突水突泥、巖爆、圍巖大變形等災害，嚴重影響了隧道的正常施工進度。而在高地應力條件下，巖爆災害發生更為頻繁且嚴重［1-2］。因此，對深部隧道開挖過程中巖爆風險預測及防治技術研究具有重要的工程意義。

巖爆是高地應力條件下，隧道開挖后圍巖局部產生應力集中，巖體內儲存的應變能突然釋放使圍巖表面發生爆裂彈射的一種動力失穩地質災害［3-4］。目前，國內外專家學者對巖爆發生機理進行了深入研究，進而基于巖爆發生機理提出了多種預測巖爆的方法，其中較為經典的預測方法主要為巖爆經驗判據，不同學者基于強度理論、脆性理論等建立的巖爆經驗判據已經相對成熟，如Russense 判據、Hoek 判據、陶振宇判據、二郎山判據等［5-8］，可以粗略預測某一地段巖爆發生等級。而上述經驗判據多數是基于特定的巖爆工程實例而建立的，其判據界限值會因各工程的地應力狀態以及巖體結構的差異相應不同，單一的經驗判據并不適用于其他工程。為更進一步提高巖爆預測的準確性，充分考慮圍巖特性，從能量的角度預測巖爆發生問題更為有效，國內外學者基于能量原理總結出一些能量判據，如巖爆傾向性指數（Wet）、沖擊能量指數（Wef）等［9-10］。

本文基于能量準則，運用fish 語言將彈性應變能編入三維離散元數值平臺內，對米倉山公路隧道巖爆段進行巖爆傾向性預測，并分析開挖進尺對掌子面附近圍巖巖爆傾向性的影響，選擇能夠有效削弱圍巖能量聚集的最佳開挖進尺，為高地應力特長深埋隧道施工安全提供參考。

1 工程概況

米倉山隧道位于四川秦巴高山峽谷地區，橫跨陜西與四川兩省，隧洞總長13.9 km，隧道最大埋深為1 060 m，是桃巴高速公路主要控制性工程之一，屬于典型的深埋特長隧道。隧道處于秦嶺構造帶與華夏系構造交叉位置，其地質條件與應力環境較為復雜。根據現場勘探調查，沿隧道軸線縱向依次穿越的主要巖石為砂巖、泥巖、灰巖以及石英閃長巖，在隧道施工過程中面臨著高地應力巖爆等不良地質災害問題，嚴重影響了施工進度以及施工人員的生命安全，米倉山隧道縱向剖面如圖1所示［11］。

2 基于彈性應變能的巖爆傾向性預測分析

2.1 數值模型的建立

以米倉山隧道巖爆段為依托，隧道開挖截面模型按實際工程截面尺寸建立，如圖2所示。依據圣維南原理，計算范圍按左右邊界距隧道軸心距離不小于5 倍洞徑考慮，建立邊界尺寸為100 m×100 m×60 m 的計算模型（圖3），對模型上部施加垂直荷載模擬上部土層壓力，對左右邊界以及下邊界施加位移約束條件。為契合實際工程特性以及更真實地模擬圍巖的應力狀態，本構模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，且根據相關巖石力學試驗結果，模擬計算選取的圍巖物力參數如表1所示［12］。

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2.2 彈性應變能理論

能量是驅動巖爆發生的根本因素，在深埋隧道施工過程中，隧道掘進導致圍巖單元由三向受壓狀態轉化為單面臨空狀態，進而導致巖體內部損傷加劇且能量不斷聚積，當巖體內儲存的能量超過巖體破壞臨界能量值，巖體會發生破壞，導致發生巖爆現象。隧道掘進時產生的復雜應力狀態下圍巖單元的能量關系式如下［13］：

式中，U為外力做功所產生的總能量，kJ；Ue為單元可釋放彈性應變能，kJ；Ud為單元耗散能，kJ；σ1、σ2、σ3分別為最大主應力、中間主應力以及最小主應力，MPa；E0為初始彈性模量，GPa；v為泊松比。

圖4為圍巖單元中彈性應變能Ue與耗散能Ud之間的量化關系，σi與εi分別為軸向應力-應變曲線上各點對應的應力、應變值。由圖4 可知，當圍巖單元彈性應變能Ue達到單元破壞時所需要的臨界能量U0時，圍巖單元將發生破壞，當可釋放彈性應變能大于臨界能量時，圍巖單元開始發生破壞，且多余能量ΔU=Ue-U0轉化為動能引發圍巖單元瞬間發生整體破壞。

2.3 數值模擬結果與分析

結合式（2）并通過fish 語言將彈性應變能密度Ue編入二次開發的計算平臺中，可以得到開挖卸荷過程中圍巖截面不同部位的應力及能量分布演化規律，進而可以評估圍巖風險等級。圖5 為全斷面開挖下圍巖最大主應力分布云圖，可以看出，開挖后掌子面圍巖附近均呈現受壓狀態，其最大主應力峰值約為30 MPa，在隧道拱頂及拱肩位置出現明顯的應力集中現象；圖6為全斷面開挖下米倉山隧道圍巖彈性應變能分布云圖，分析可知開挖后掌子面附近圍巖截面均有不同程度的能量集中，圍巖周圍的彈性應變能分布特征近似呈現軸對稱趨勢，彈性應變能峰值主要集中在隧道拱頂、拱肩以及拱腳附近，最大值約為65 kJ/m3。依據張勇等［14］結合室內試驗結果得出的巖爆彈性應變能指標界限值可得，開挖后圍巖兩側拱肩位置具有較高風險，易發生強烈等級巖爆，與現場巖爆典型特征對比，實際情況與數值模擬的巖爆預測結果較為吻合，具有良好的準確性與可行性。

3 開挖循環進尺優化

開挖循環進尺的選擇是深地下工程建設的難題之一，在隧道圍巖風險區域進行施工時，應縮短單循環開挖進尺，減少圍巖局部產生應力集中，控制隧道圍巖整體變形，避免因單循環進尺過長產生的開挖擾動效應。為研究優化開挖進尺對圍巖穩定性的影響規律，基于三維離散元數值平臺對隧道全斷面開挖下開挖循環進尺長度進行分析，選取將掌子面向前推進一個開挖進尺為例，開挖進尺L分別取1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 5種工況，開挖進尺如圖7所示。

采用已建好的數值模型，依據不同工況進行模擬計算，圖8、圖9為不同開挖進尺下隧道拱腰及拱頂位移分布曲線。由圖8可知，伴隨著隧道開挖完成的整個過程，當開挖進尺為1.0 m 時，拱腰橫向位移最小；開挖進尺為3.0 m時，隧道圍巖拱腰位置的橫向位移最大，為6.6 mm。由圖9 可得，隨著開挖進尺的增加，拱頂沉降也隨之增大。不同開挖進尺下的拱頂沉降及拱腰水平收斂最大值如圖10所示，可以看出，不同工況下圍巖變形關系基本一致。隨著開挖進尺逐漸增大，拱頂及拱腰的變形位移呈單調遞增的趨勢，拱頂變形以縱向位移為主，當開挖進尺為1.0 m時，最大位移主要集中在10.7～11.1 mm；當開挖進尺為3.0 m 時，最大位移主要集中在11.6～12.1 mm；拱腰變形以橫向位移為主，隨著開挖進尺的增加，水平收斂從5.5 mm增至6.6 mm。

由于篇幅有限，本文僅選取開挖進尺長度分別為1.0 m和3.0 m時的應力及能量分布云圖進行比較，圖11 為開挖進尺分別取1.0 m 和3.0 m 時的主應力差（最大主應力與最小主應力之差，主應力差值可以較好地反映圍巖的應力集中程度）分布云圖，可以看出，隨著開挖進尺的增加，隧道圍巖周圍主應力差逐漸增大，開挖進尺取1.0 m 時拱頂附近最大主應力差值為30 MPa；當開挖進尺取3.0 m 時，拱頂附近最大值達到35 MPa。遠離圍巖時主應力差逐漸減小，且在遠離洞室處有較大范圍的主應力差保持定值約25.0 MPa。圖12 為開挖進尺分別取1.0 m 和3.0 m 時的彈性應變能密度分布云圖，可以看出，能量較大值主要集中在拱頂中部、拱腳兩側。開挖進尺為1.0 m時，圍巖附近能量最大值為62.5 kJ/m3，當開挖進尺增加到3.0 m 時，能量最大值約為75.5 kJ/m3，相比之下洞室周邊各部位能量均有較大程度的增加，且能量在遠離圍巖區域同樣有小幅增加。

綜上所述，隨著開挖進尺長度的增加，圍巖能量聚集程度逐漸增加，導致圍巖能量數值以及峰值范圍均有增加，主應力差值同樣受到開挖進尺長度取值的影響，不同進尺主要影響主應力差值的范圍，進尺越大，主應力差峰值影響范圍越大。因此，采用小進尺開挖能有效地降低圍巖積累的彈性應變能，同時減小主應力差和圍巖位移，對圍巖應力接種及能量聚積影響范圍具有較好的控制效果。當圍巖體內部儲存的能量達到一定程度發生巖爆現象時控制開挖進尺的方法也可以主動且有效地預防巖爆發生或削弱巖爆發生等級。

4 結 論

以米倉山隧道巖爆段為工程依托，采取全斷面開挖法，采用數值模擬手段分析開挖后掌子面周圍圍巖二次應力場、能量場分布規律，分析圍巖截面巖爆發生具體位置，進一步對該標段采取改變開挖進尺的方法，研究不同開挖進尺對圍巖穩定性及巖爆傾向性的影響，驗證了隧道優化開挖進尺作為巖爆防治措施的有效性。

（1）編寫fish 語言將彈性應變能密度編入三維離散元仿真平臺進行模擬開挖，隧道圍巖的最大主應力以及彈性應變能密度峰值均分布在隧道拱頂及拱肩位置，具有較強的巖爆傾向性。

（2）隨著開挖進尺長度的增加，隧道圍巖拱頂沉降及拱腰收斂均逐漸增加，改變開挖進尺可以有效阻止圍巖發生位移，控制圍巖發生變形，對施工階段圍巖穩定性具有良好的控制效果。

（3）伴隨開挖進尺長度的增加，隧道圍巖周圍的主應力差值明顯減小，控制開挖進尺的方法可以有效避免開挖擾動產生的圍巖局部應力集中現象；隧道圍巖彈性應變能峰值明顯減小，高應變能分布范圍有所縮減，改變開挖進尺可以有效分散并轉移巖體內儲存的彈性應變能，能夠有效削弱巖爆等級。