基于彈性應(yīng)變能的深埋硬脆圍巖隧道巖爆防治措施探究

馬志國, 張佳瑞

(1. 四川川交路橋有限責(zé)任公司,四川廣漢 618300; 2.四川樂漢高速有限責(zé)任公司, 四川樂山 614000)

0 引言

隨著我國隧道建設(shè)需求日益增長,將面臨許多超大埋深隧道建設(shè)難題,當(dāng)隧道埋深超過千米后圍巖中高地應(yīng)力問題十分顯著。巖體中的高地應(yīng)力引起的巖爆問題將嚴(yán)重影響到正常的隧道施工,因此采取一定的高地應(yīng)力巖爆防治措施研究在隧道建設(shè)中非常有必要。

軒俊杰等[1]通過數(shù)值模擬手段模擬了開挖對隧道圍巖彈性應(yīng)變能的影響效果,對巖爆風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測。田青峰等[2]建立了隧道不同巖層的對比工況,從應(yīng)變能的聚積和卸載以及隧道應(yīng)力的變化趨勢分析巖爆的風(fēng)險。李忠等[3]分析研究了九華山隧道開挖應(yīng)力變化情況,表明在距離開挖面一倍洞徑范圍內(nèi)巖爆問題較為集中。羅春等[4]研究了高地應(yīng)力下合修與分修對隧道巖爆的影響,其中在掌子面合適位置處設(shè)置超前應(yīng)力釋放孔能有效降低巖爆的風(fēng)險。謝和平等[5-7]通過研究能量耗散的演變過程,發(fā)現(xiàn)了彈性應(yīng)變能的劇烈釋放是引起巖爆的重要原因。陳衛(wèi)忠等[8]研究了地下工程開挖卸荷的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)卸載速率越快發(fā)生巖爆可能性越大。于洋等[9]對不同開挖方式下能量演變過程進(jìn)行了研究,揭示了巖爆的孕育過程。

綜上所述,現(xiàn)階段針對巖爆機(jī)制的研究主要基于圍巖能量演變過程和開挖能量變化,對應(yīng)變能卸載和巖爆防治措施的相關(guān)研究較少。本文依托大峽谷高地應(yīng)力隧道,結(jié)合有限元軟件MIDAS和有限差分軟件FLAC3D,模擬了隧道開挖以及超前應(yīng)力釋放的全過程,研究了在有無超前應(yīng)力釋放孔下掌子面開挖前后圍巖彈性應(yīng)變能的分布規(guī)律,證明了施作超前應(yīng)力釋放孔可作為高地應(yīng)力硬脆圍巖隧道巖爆防治的有效手段。

1 工程概況

大峽谷隧道進(jìn)口位于樂山市金口河區(qū)文店村,出口位于烏斯河鎮(zhèn)對面涼山自治州甘洛縣烏史大橋鄉(xiāng)爾苦灘村,隧道穿越大渡河右岸貝母山山體,隧道全長約12.1 km,隧道左線ZK74+940～ZK87+045,右線K74+884～K87+030,隧道最大埋深達(dá)到1 944 m,是目前世界埋深最大的高速公路隧道。隧道周圍區(qū)域的海拔超過了3 km,出口處的大渡河是最低點(diǎn),約657 m,最大高差達(dá)到了2 500 m,整體隧道地貌屬于高山峽谷狀。隧道斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面示意(單位:cm)

根據(jù)巖石的強(qiáng)度、破碎程度等將大峽谷隧道圍巖劃分為Ⅲ～Ⅴ級圍巖,隧道洞身主要為Ⅲ、Ⅳ級圍巖,以巖性單一,巖質(zhì)硬脆的微風(fēng)化白云巖為主,在高地應(yīng)力硬脆圍巖環(huán)境下,隧道發(fā)生巖爆的風(fēng)險性很高,據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,隧道常發(fā)生掌子面巖塊剝離的弱巖爆現(xiàn)象。

2 模型建立

利用MIDAS軟件根據(jù)隧道實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模,采用FLAC3D有限差分軟件,對隧道開挖過程模擬,探究隧道周圍彈性應(yīng)變能的演變過程,為高地應(yīng)力巖爆防治措施提供參考依據(jù)。

2.1 數(shù)值模型

隧道開挖的影響范圍取3～5倍洞徑,建立的模型區(qū)域大小如圖2所示,模型共計232 518個節(jié)點(diǎn),220 600個單元,計算參數(shù)取值見表1。

表1 計算參數(shù)取值

圖2 數(shù)值計算模型

為模擬實(shí)際的開挖效果,應(yīng)考慮超前應(yīng)力釋放孔對圍巖能量的卸載作用產(chǎn)生的圍巖弱化效應(yīng),對應(yīng)減小數(shù)值模擬中的彈性模量取值。隧道的高度h取8.64 m,跨度B為12.24 m,初支采用shell單元模擬,每次開挖循環(huán)取2 m,兩次開挖循環(huán)后進(jìn)行一次支護(hù)。保持其它條件相同,通過比較超前應(yīng)力釋放孔開挖前后隧道彈性應(yīng)變能的變化,進(jìn)而分析應(yīng)變能對巖爆的影響程度。

2.2 超前應(yīng)力釋放孔鉆孔布置

采用合適的巖爆防治措施,將有效降低隧道開挖巖爆的風(fēng)險。超前應(yīng)力釋放孔可對掌子面前方巖體進(jìn)行卸載作用,減少應(yīng)力集中程度,因此采用此措施對大峽谷高地應(yīng)力隧道巖爆防治進(jìn)行研究。根據(jù)測試得到的大峽谷隧道地應(yīng)力在掌子面分布情況,本次模擬采用φ108 mm的超前應(yīng)力釋放孔鉆孔進(jìn)行能量釋放計算,在隧道縱向y=10 m處沿掌子面環(huán)向?qū)ΨQ布置10個應(yīng)力釋放孔,長度設(shè)置30 m,如圖3所示。

圖3 超前應(yīng)力釋放孔布置

2.3 監(jiān)測點(diǎn)布置

為了分析隧道開挖過程對圍巖應(yīng)變能的影響情況,在隧道縱線y=10 m斷面處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),用以記錄開挖過程中圍巖的應(yīng)力變化趨勢,采用對稱方式環(huán)向布置4個關(guān)鍵位置測點(diǎn),測點(diǎn)的位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)布置

3 數(shù)值結(jié)果分析

隧道開挖會造成巖體的應(yīng)力重分布,應(yīng)力的重新分布將影響到圍巖能量的變化,主要過程是應(yīng)變能的聚積和釋放,其中應(yīng)變能的表達(dá)公式見式(1)。

(1)

3.1 無應(yīng)力釋放孔下彈性應(yīng)變能分布規(guī)律

利用FLAC3D進(jìn)行開挖數(shù)值計算,計算結(jié)束后,利用Fish語言將計算結(jié)果顯示為彈性應(yīng)變能云圖,圍巖的能量集中情況如圖5所示。由于隧道和圍巖是對稱建模,因此取模型半跨進(jìn)行研究,已開挖區(qū)域彈性應(yīng)變能主要集中在拱頂和墻角處。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制作用,導(dǎo)致環(huán)向圍巖的應(yīng)變能較小,又由于開挖卸荷作用,導(dǎo)致掌子面處和靠近掌子面的環(huán)向區(qū)域的應(yīng)變能有較大的躍遷。為了研究巖爆防治措施對掌子面開挖過程的影響規(guī)律,采用超前應(yīng)力釋放孔防治措施,對上述位置的應(yīng)變能變化進(jìn)行重點(diǎn)研究。

圖5 掌子面附近彈性應(yīng)變能云圖

從圖5可以看出,已開挖區(qū)域拱頂和墻角的應(yīng)變能積聚較多,容易到達(dá)巖體破壞的極限狀態(tài),巖爆風(fēng)險高。在彈性應(yīng)變能積累的過程中,巖體不斷劣化,從而使得拱頂?shù)膽?yīng)變能更容易釋放。墻角區(qū)域在開挖后應(yīng)變能有一定的增長,但因?yàn)橹ёo(hù)的限制作用和空間的分布位置,墻角的巖爆風(fēng)險遠(yuǎn)小于拱頂區(qū)域。故在開挖巖體中拱頂區(qū)域的巖爆風(fēng)險性最高。

通過監(jiān)測點(diǎn)記錄的應(yīng)變力可計算得到對應(yīng)的彈性應(yīng)變能,繪制出開挖步數(shù)與應(yīng)變能的變化曲線,如圖6所示。距離監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置面一半隧道跨度時,開挖產(chǎn)生的圍巖彈性應(yīng)變能開始大幅增長,且在監(jiān)測點(diǎn)所在斷面開挖的一瞬間能量迅速釋放。隨著開挖卸荷后應(yīng)力重分布,圍巖彈性應(yīng)變能又逐漸增長,應(yīng)變能的變化趨勢主要與開挖對圍巖產(chǎn)生的形變所做的功有關(guān)。

圖6 y=10m處彈性應(yīng)變能變化趨勢

從上述變化情況可以看出,開挖瞬間形變做的負(fù)功占主導(dǎo)作用。從圖6拱頂和拱肩的應(yīng)變能變化可以看出,彈性應(yīng)變能隨開挖不斷增長,超過了開挖之前的應(yīng)變能,且拱頂?shù)膽?yīng)變能得到了大幅增長;而邊墻和拱肩開挖之后應(yīng)變能衰減明顯,無法達(dá)到開挖之前的應(yīng)變能。因此,在開挖之后拱頂應(yīng)變能不斷聚集,同時拱頂和拱肩處的應(yīng)變能相差較大,從圖6可以看出,容易形成一個應(yīng)變能的突變區(qū)域,使得拱頂巖爆的風(fēng)險性更為突出。

3.2 在應(yīng)力釋放孔下彈性應(yīng)變能分布規(guī)律

由圖7(a)可知,掌子面彈性應(yīng)變能主要集中于拱肩與拱腰范圍,最高應(yīng)變能達(dá)到50 kJ。如圖7(b)所示,超前應(yīng)力釋放孔開挖之后,掌子面應(yīng)變能集中程度明顯降低,主要分布于掌子面拱腰、邊墻以及應(yīng)力釋放孔周圍,最大彈性應(yīng)變能為40.26 kJ,相較應(yīng)力釋放前降低了19.48%。因此,隧道開挖前采取超前應(yīng)力釋放孔措施,能有效降低掌子面能量集中情況,減小巖爆風(fēng)險。

圖7 彈性應(yīng)變能分布

4 結(jié)論

本文以大峽谷高地應(yīng)力隧道為工程背景,結(jié)合有限元軟件MIDAS和有限差分軟件FLAC3D,建立了三維數(shù)值計算模型,模擬了隧道開挖全過程,研究了在有無超前應(yīng)力釋放孔下掌子面開挖前后圍巖彈性應(yīng)變能的分布規(guī)律,研究結(jié)果:

(1)隧道開挖后拱頂位置的應(yīng)變能積聚程度高,巖體相較于墻角劣化程度更高,拱頂與拱肩之間形成能量突變區(qū)域,發(fā)生巖爆的風(fēng)險性也更高。

(2)超前應(yīng)力釋放孔鉆孔施工之后,掌子面最大應(yīng)變能降低了19.48%,能有效降低掌子面的能量集中情況,降低巖爆風(fēng)險。

(3)高地應(yīng)力巖爆地層中應(yīng)結(jié)合施工階段的巖爆預(yù)測,采用超前應(yīng)力釋放孔解除、圍巖松動爆破和振動爆破等措施,使巖體應(yīng)力降低,在開挖之前釋放能量,減小巖爆風(fēng)險。