蒯　磊　李仕雄　劉年平　李倩倩

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院)

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基于堆體坍塌機(jī)制的隧道災(zāi)變安全控制分析

蒯磊李仕雄劉年平李倩倩

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院)

摘要通過(guò)一系列堆體實(shí)驗(yàn)，從輸入物質(zhì)能量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界條件三方面分析堆體的坍塌機(jī)制，指出隧道施工系統(tǒng)中災(zāi)變發(fā)生的表現(xiàn)形式，并給出相應(yīng)控制災(zāi)變發(fā)生的安全管理與施工防護(hù)措施建議，為有效預(yù)防和減少隧道災(zāi)害事故提供一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞施工隧道堆體實(shí)驗(yàn)坍塌機(jī)制災(zāi)害防治

隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷的提高，為了促進(jìn)地質(zhì)條件較為復(fù)雜的偏遠(yuǎn)山區(qū)發(fā)展，國(guó)家不斷加大該地區(qū)的交通建設(shè)，尤其是隧道建設(shè)。由于隧道工程施工的地質(zhì)條件的特殊性，使其具有工期長(zhǎng)、技術(shù)要求高、經(jīng)費(fèi)多等特點(diǎn)，同時(shí)隧道工程在施工過(guò)程中常常面臨滑坡、涌水、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害以及人員傷害、設(shè)備損壞等事故的發(fā)生。這一系列的災(zāi)害事故都是在災(zāi)害系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的，有必要去探究復(fù)雜系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)制。李仕雄等人利用沙堆和米堆簡(jiǎn)化模型實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)自組織臨界性、導(dǎo)致災(zāi)害的因素以及災(zāi)害的演化預(yù)測(cè)[1-3]；李潔、黃琳等用系統(tǒng)控制的觀點(diǎn)分別將此研究成果應(yīng)用于電力系統(tǒng)和地下巖土工程[4-5]；然而他們?nèi)狈Ω娴胤治錾扯押兔锥训臑?zāi)變機(jī)制。一個(gè)系統(tǒng)的演化機(jī)制包括增長(zhǎng)機(jī)制和連鎖反應(yīng)機(jī)制，而災(zāi)變機(jī)制屬于連鎖反應(yīng)機(jī)制。系統(tǒng)災(zāi)變的安全控制是要控制這種連鎖反應(yīng)發(fā)生的條件，這是事故預(yù)防的基礎(chǔ)?；蛘咴谶@種連鎖反應(yīng)的過(guò)程中切斷連鎖反應(yīng)的鏈條，就能夠減輕事故導(dǎo)致的損失。李仕雄等人之前提出影響沙堆坍塌的因素是結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和外界擾動(dòng)，由于沙堆狀態(tài)和外界擾動(dòng)因素屬于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)能量輸入的一部分，因此，基于以上普適性因素理論，他又新提出探究堆體的災(zāi)變機(jī)制須從輸入物質(zhì)能量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界條件三大影響因素出發(fā)。故本文通過(guò)堆體實(shí)驗(yàn)從這3個(gè)方面探究系統(tǒng)的坍塌機(jī)制，并將其運(yùn)用在隧道施工系統(tǒng)中，指導(dǎo)和控制系統(tǒng)的安全管理和防護(hù)。

1堆體坍塌機(jī)制實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)堆體顆粒物分別為大米、蕎麥、芝麻(粒徑由大到小)；所用的圓盤(pán)規(guī)格分別為150(φ17 cm),226(φ24 cm),269 g(φ34 cm);2臺(tái)精密電子稱(1#、2#)；高度可調(diào)的斜坡裝置。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

1.2實(shí)驗(yàn)方法

物質(zhì)能量輸入輸出是通過(guò)加入不同質(zhì)量(77，127，427 g)的顆粒物，加入同種質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)次數(shù)均為150次。實(shí)驗(yàn)步驟：①稱量出圓盤(pán)的質(zhì)量，設(shè)定首次坍塌顆粒物的質(zhì)量為0 g；②由另一臺(tái)電子稱每次稱量77 g的顆粒物，通過(guò)斜坡面均勻地加入到圓盤(pán)中間，并讀取圓盤(pán)和顆粒物的總質(zhì)量，用前一個(gè)質(zhì)量加上77 g減去本次讀取的數(shù)值即為顆粒物此次坍塌的質(zhì)量；③重復(fù)②步驟150次，記下每次坍塌顆粒物的質(zhì)量數(shù)據(jù)；④改變添加顆粒物質(zhì)量為127和427 g，按照步驟①～③分別進(jìn)行150組實(shí)驗(yàn)。結(jié)構(gòu)的變化是通過(guò)改變顆粒物的種類(大米、蕎麥、芝麻)實(shí)現(xiàn)的，加入量均為77 g，實(shí)驗(yàn)步驟參照上述①～③。邊界條件的變化是通過(guò)改變顆粒物加入的不同直徑圓盤(pán)實(shí)現(xiàn)的，每次加入顆粒物的量均為77 g。開(kāi)始時(shí)將顆粒物加入到φ17 cm的圓盤(pán)中并按照步驟①～③進(jìn)行150次實(shí)驗(yàn)，然后將φ17 cm圓盤(pán)及顆粒物一并加入到φ24 cm的圓盤(pán)中，同樣進(jìn)行150組實(shí)驗(yàn)，最后再變換到φ34 cm圓盤(pán)中進(jìn)行150組實(shí)驗(yàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1物質(zhì)能量輸入輸出變化對(duì)堆體坍塌的影響

圖2為加入77，127和427 g米粒的崩塌序列圖?？梢钥闯?，上下震蕩的曲線里相鄰點(diǎn)之間有高、有低，表示每次堆體坍塌的規(guī)模。相鄰點(diǎn)之間震蕩曲線越高表示坍塌越多，反之越少。在開(kāi)始加入時(shí)，曲線出現(xiàn)了負(fù)值，表示實(shí)驗(yàn)中的小誤差，隨后輸入量越大，崩塌的規(guī)模就越大。當(dāng)每次加入米粒77 g時(shí)，米堆發(fā)生大規(guī)模坍塌次數(shù)要比加入米粒127和427 g時(shí)要少很多。由此可以得到，堆體系統(tǒng)的坍塌受其物質(zhì)能量輸入輸出的影響，若堆體的物質(zhì)能量輸入越高，堆體發(fā)生坍塌的幾率越高，整個(gè)堆體偏離平衡態(tài)的幾率就越高。

圖2　不同輸入量米粒的崩塌序列

1.3.2結(jié)構(gòu)變化對(duì)堆體坍塌的影響

不同顆粒物輸入量為77g的崩塌序列見(jiàn)圖3。可以得出，與蕎麥、芝麻相比較，米粒的粒徑是最大的，在這種情況下堆體系統(tǒng)發(fā)生坍塌的規(guī)模也是最大的。因此，若堆體中組元結(jié)構(gòu)越大，堆體越容易發(fā)生大的坍塌。芝麻的粒徑最小，但在芝麻組成的堆體中小的坍塌事件極其頻繁。可以驗(yàn)證出堆體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其自身的穩(wěn)定性有著重要的影響，組元的大小與其自身平衡狀態(tài)有著密切的關(guān)系。

圖3　不同顆粒物輸入量為77 g的崩塌序列

1.3.3邊界條件的變化對(duì)坍塌的影響

不同邊界條件輸入量為77 g蕎麥粒的崩塌序列見(jiàn)圖4。可以看出，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)圓盤(pán)中的顆粒物不斷增加，只有極少量的顆粒物蹦出圓盤(pán)之外。隨著實(shí)驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，發(fā)生第一次大的崩塌事件，此后每一次的輸入都會(huì)發(fā)生大小不同的崩塌事件。當(dāng)圓盤(pán)直徑不斷變大，堆體從極少量的坍塌到大規(guī)模的坍塌，崩塌量越來(lái)越大。由此可得，堆體中若邊界發(fā)生大的改變，堆體發(fā)生崩塌的幾率將增加，且對(duì)整個(gè)堆體的破壞也將增大。

圖4　不同邊界條件輸入量為77 g蕎麥的崩塌序列

2隧道系統(tǒng)安全控制

通過(guò)對(duì)輸入物質(zhì)能量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界條件分析堆體的坍塌機(jī)制，探討施工隧道系統(tǒng)中的災(zāi)變表現(xiàn)形式，并提出相應(yīng)的安全控制措施及建議。

2.1物質(zhì)能量輸入輸出方面控制

上述堆體實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)加入77 g顆粒時(shí)堆體的坍塌幾率會(huì)減少，而當(dāng)逐漸增大輸入時(shí)，堆體的坍塌幾率就越高，說(shuō)明大的輸入會(huì)有大的坍塌規(guī)模，小的輸入坍塌規(guī)模就小，因此，在控制災(zāi)變系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量控制小的輸入以減弱物質(zhì)能量的輸入對(duì)災(zāi)變的影響。大部分隧道是以巖石類為主的施工工程，通常采用新奧法進(jìn)行施工，需要鉆孔爆破，炸藥爆炸會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的氣體，體積急劇擴(kuò)大，由此產(chǎn)生能量形成巨大的沖擊波使周圍的巖石被擊碎[6]。這是整個(gè)正在施工的隧道系統(tǒng)主要的物質(zhì)能量輸入。爆破對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的危害：首先，周圍輪廓的圍巖會(huì)受到爆破的直接作用，通過(guò)爆破產(chǎn)生的裂隙進(jìn)入圍巖中，貫穿天然裂隙和節(jié)理，“氣楔效應(yīng)”使裂隙擴(kuò)張；其次，在表層的圍巖會(huì)受到表層波和反射拉伸波的作用導(dǎo)致形成的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至影響周圍的塊體，更有可能影響到控制關(guān)鍵穩(wěn)定的塊體導(dǎo)致坍塌事件的發(fā)生；最后，爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波、氣體沖擊波及飛石對(duì)于未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度混凝土初噴層及錨桿產(chǎn)生一定的破壞作用導(dǎo)致初噴層粘結(jié)性變差，錨固體、錨桿及孔壁之間產(chǎn)生裂隙。因此，針對(duì)隧道爆破災(zāi)變從物質(zhì)能量輸入輸出方面來(lái)控制，減弱爆破對(duì)圍巖震動(dòng)帶來(lái)的影響，可以控制炸藥爆破速度，比如鉆孔內(nèi)采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)；還可以采用控制單響起爆藥量、多分段起爆、光面爆破和預(yù)裂爆破的方法[7]，通過(guò)控制小的輸入量以削弱爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的影響。

2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面控制

結(jié)構(gòu)變化對(duì)坍塌影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不改變邊界和輸入量，對(duì)于粒徑相對(duì)較大米粒堆體，發(fā)現(xiàn)其坍塌的規(guī)模大，但是坍塌的頻率會(huì)相應(yīng)地減少；反之，對(duì)于粒徑最小的芝麻粒堆體，其坍塌的規(guī)模最小，但是其坍塌的頻率會(huì)相應(yīng)地增多。在施工隧道中，詳細(xì)分析開(kāi)挖隧道段的圍巖分級(jí)及對(duì)較軟弱圍巖及時(shí)支護(hù)就很重要。圍巖級(jí)別分類基本是以穩(wěn)定性為基礎(chǔ)和按彈性縱波的方法進(jìn)行組合分級(jí)[8]。把不同的圍巖級(jí)別當(dāng)作是整個(gè)施工隧道系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，而影響該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要因素有巖石材料的質(zhì)量、巖體的完整性、地質(zhì)構(gòu)造的特征、地下水的活動(dòng)以及地應(yīng)力等。如何對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行有效控制，保持其穩(wěn)定性是減少災(zāi)變發(fā)生的關(guān)鍵。在隧道的施工過(guò)程中，需要做到以下幾個(gè)方面：①針對(duì)隧道地質(zhì)圍巖比較差的地方可以使用超前錨桿支護(hù)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到先前穩(wěn)固的作用；②針對(duì)地質(zhì)條件較差的軟弱圍巖洞口，先使用管棚法穩(wěn)固開(kāi)挖隧道圍巖，再采用中隔壁法進(jìn)行開(kāi)挖；③針對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變的，需要對(duì)使用的鋼拱架、鋼筋網(wǎng)以及鋼纖維做出相應(yīng)的改變以滿足隧道內(nèi)圍巖穩(wěn)定的需求；④針對(duì)不同的隧道系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變其噴漿厚度和二襯施工中混凝土強(qiáng)度及厚度，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步穩(wěn)固。以上措施只是圍巖穩(wěn)固的幾種常見(jiàn)方式，可以有效地控制施工隧道系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到減少災(zāi)害事故的目的。

2.3邊界條件方面控制

邊界條件變化對(duì)坍塌影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在不改變輸入量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，當(dāng)圓盤(pán)直徑變大，其堆體坍塌的規(guī)模越大，直徑很小時(shí)，堆體坍塌規(guī)模就減小，在實(shí)際情況中還應(yīng)該研究邊界條件變小的情況，本實(shí)驗(yàn)只探究了施工中不同開(kāi)挖斷面對(duì)整個(gè)施工隧道系統(tǒng)的影響，所以沒(méi)有必要再考慮邊界條件變小的情況。在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)盡量控制一個(gè)合理的邊界條件，即針對(duì)不同的圍巖等級(jí)選擇合理的開(kāi)挖方法。例如：在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)洞口段易采用管棚法進(jìn)洞，后續(xù)可實(shí)行中隔壁法開(kāi)挖；在Ⅳ級(jí)圍巖或Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域可使用臺(tái)階法施工，而在Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域則可使用全斷面法施工。之所以針對(duì)不同的圍巖級(jí)別實(shí)行不同的開(kāi)挖方法，主要是考慮到在隧道系統(tǒng)中若比較差的內(nèi)部結(jié)構(gòu)再有大的邊界改變可能會(huì)導(dǎo)致大的災(zāi)變發(fā)生。所以隧道開(kāi)挖方法的選擇其實(shí)質(zhì)上是為了控制整個(gè)施工隧道系統(tǒng)的邊界條件來(lái)防止災(zāi)害事故的發(fā)生。

2.4在時(shí)間和空間上組合控制

以上是從隧道系統(tǒng)的3個(gè)因素單獨(dú)進(jìn)行分析和控制，然而施工隧道這一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)往往需要將這三者在時(shí)間和空間上進(jìn)行組合才能對(duì)其實(shí)現(xiàn)更加有效的安全控制。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)，在隧道開(kāi)挖前，可先進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，以此探知即將開(kāi)挖隧道系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并據(jù)此選擇合理的開(kāi)挖方式和預(yù)防災(zāi)變的措施；在對(duì)隧道進(jìn)行爆破時(shí)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以便及時(shí)反應(yīng)圍巖爆破面的情況，而在爆破完成后，需立即清除石渣、石塊以便及時(shí)對(duì)圍巖噴錨支護(hù)，維持圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)；在隧道進(jìn)行初襯和二襯時(shí)，需相隔一定時(shí)間使其強(qiáng)度達(dá)到要求并及時(shí)監(jiān)測(cè)其強(qiáng)度變化。從空間上來(lái)說(shuō)，在爆破過(guò)程中，應(yīng)控制每一排炮的進(jìn)尺；在支護(hù)過(guò)程中，須控制工字鋼之間及錨桿之間的距離；在開(kāi)挖過(guò)程中，須控制施工的安全距離，若實(shí)行上下臺(tái)階法施工，須使臺(tái)階與掌子面之間保持在一定的范圍內(nèi)。這種從時(shí)間和空間上進(jìn)行組合并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法才會(huì)使整個(gè)隧道施工系統(tǒng)處于更安全、更穩(wěn)定狀態(tài)。因此，必須遵循“弱爆破、少擾動(dòng)、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、緊襯砌”的原則。

3結(jié)論

通過(guò)堆體實(shí)驗(yàn)，從輸入物質(zhì)能量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界條件3個(gè)因素探究堆體的坍塌機(jī)制，得到堆體的物質(zhì)能量輸入量越高，堆體發(fā)生坍塌的幾率越高，整個(gè)堆體偏離平衡態(tài)的幾率也就越高；堆體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組元越大，越容易發(fā)生大的坍塌事件，組元越小，發(fā)生小的坍塌事件越頻繁；堆體的邊界發(fā)生大的改變時(shí)，發(fā)生崩塌的幾率將增加，且對(duì)整個(gè)堆體的破壞也將增大。將堆體坍塌機(jī)制運(yùn)用在隧道施工災(zāi)變系統(tǒng)中，指出控制爆破是隧道施工系統(tǒng)中控制能量輸入的最主要方式，詳細(xì)的圍巖級(jí)別鑒定和及時(shí)性支護(hù)方式是控制其內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變的主要方法,在邊界條件方面選擇合適的開(kāi)挖方法是控制隧道發(fā)生災(zāi)變的有效方式。控制災(zāi)變發(fā)生的相應(yīng)安全管理與施工防護(hù)措施建議為有效預(yù)防和減少隧道災(zāi)害事故提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

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(收稿日期2015-12-11)

蒯磊(1988—)，男，碩士研究生，621010 四川省綿陽(yáng)市。