康躍明

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

高埋深隧道具有高地應(yīng)力、高溫、高滲流性等顯著性特點(diǎn)，開挖施工會(huì)對(duì)其安全性產(chǎn)生較大影響。如果圍巖應(yīng)力規(guī)律掌握不準(zhǔn)確，造成應(yīng)力積累和突然釋放，造成巖爆發(fā)生，不僅容易造成經(jīng)濟(jì)的損失，而且會(huì)使整個(gè)隧道陷入困境，甚至造成人員傷亡。因此，開展對(duì)高地應(yīng)力隧道開挖圍巖應(yīng)力研究，不僅可以對(duì)圍巖應(yīng)力變化規(guī)律有更清晰的認(rèn)識(shí)，而且能為隧道開挖圍巖應(yīng)力理論和支護(hù)技術(shù)方面提供更可靠、更全面的資料。當(dāng)前，對(duì)于圍巖應(yīng)力研究方法較多，主要包括理論研究、數(shù)值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析等研究。楊友彬等[1]基于位移釋放率和應(yīng)力釋放率相近原理，得出體積損失率和應(yīng)力釋放率間轉(zhuǎn)換方法。周飛等[2-5]基于大量現(xiàn)場(chǎng)圍巖壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了作用于初襯支護(hù)上的圍巖壓力，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析圍巖穩(wěn)定狀態(tài)；趙勇等[6-8]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)開挖過(guò)程中的圍巖荷載釋放過(guò)程進(jìn)行研究，揭示了不同施工階段的圍巖壓力釋放率。房倩等[9-12]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了圍巖變形和圍巖壓力間關(guān)系，并得出圍巖級(jí)別越高，圍巖變形值越大。任洋等[13]基于水壓致裂法地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)地應(yīng)力特征和分布規(guī)律以及圍巖變形進(jìn)行分析。王飛陽(yáng)等[14-15]通過(guò)模擬研究手段，分析了圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，得出在應(yīng)力集中區(qū)域易發(fā)生巖爆[16-20]。因此，基于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究隧道開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖豎向和水平應(yīng)力的影響規(guī)律，根據(jù)影響程度來(lái)劃分影響等級(jí)。該研究成果可以較好地用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和巖爆預(yù)防工作。

1 工程概況

安石隧道位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村—勐佑鎮(zhèn)中河村，隧址區(qū)僅有狹窄山路通過(guò)，通行條件較差。該隧道區(qū)屬中山地貌，地形起伏較大，最大埋深約453.11 m。該隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，雙向長(zhǎng)度分別為5 338 m和5 263 m。隧址區(qū)下伏基巖前半段為燕山期侵入花崗巖，后半段為石英片巖等，殘積土及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化層厚度大，未見中風(fēng)化基巖露頭。隧址區(qū)未見影響隧道穩(wěn)定的區(qū)域性斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定隧道圍巖中殘存的構(gòu)造應(yīng)力在隧道開挖中易使堅(jiān)硬巖石產(chǎn)生巖爆。

2 圍巖應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型建立

三維有限差分元計(jì)算模型如圖1所示。其中，Y方向?yàn)榈罔F隧道走向，X方向?yàn)榇怪彼淼雷呦蚍较?，Z方向?yàn)槁裆罘较?。為消除尺寸效?yīng)的影響，模型采用1∶1比例建設(shè)，模型長(zhǎng)100 m、寬150 m、厚410 m。

為精確計(jì)算圍巖巖層變形，并提高計(jì)算的精度，網(wǎng)格采用“1網(wǎng)格/m”劃分。分別采用實(shí)體單元、襯砌單元和錨桿單元模擬地基巖層、初襯、錨桿支護(hù)。模型四周設(shè)置為X方向或Y方向的雙向約束，Z方向單向約束。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

巖體本構(gòu)采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型，錨桿和初襯采用線彈性本構(gòu)模型。基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 基本物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical parameters

2.3 施工模擬步驟及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

工程施工步驟分為3個(gè)部分：①左右隧道開挖施工；②初襯施工；③錨桿施工。左右隧道開挖縱向間距50 m?？赏ㄟ^(guò)設(shè)定網(wǎng)格單元的鈍化和激活、邊界和荷載條件的施加和消除來(lái)模擬具體的施工操作。具體為：①計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)，并設(shè)置位移清零，消除地應(yīng)力的影響；②模擬隧道開挖施工；③依次模擬襯砌施工和錨桿施工，此次模擬只考慮隧道開挖和初襯錨桿施工的影響。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 拱腰圍巖豎向應(yīng)力分析

初始應(yīng)力平衡后應(yīng)力云圖如圖2所示。通過(guò)分析應(yīng)力隨開挖變化，可得知應(yīng)力變化表現(xiàn)形式主要可分為3種類型：①“逐漸增大最終趨于穩(wěn)定型”，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為1、2、10和11監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此表現(xiàn)型主要分布于到隧道周邊距離大于10 m以外。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著隧道巖體的開挖，打破原有地應(yīng)力平衡，應(yīng)力分散于隧道周邊，從而造成大于10 m以外周邊巖體應(yīng)力增加。②“先增加后快速下降再緩慢增加型”，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為5和6監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中間巖體。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨左隧道巖體的開挖，應(yīng)力分散于隧道周邊和左右隧道中間巖體，從而造成左右隧道中間巖體應(yīng)力增加，接著當(dāng)右隧道開挖后打破原有平衡使其左右隧道中間巖體應(yīng)力快速釋放，出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，當(dāng)中間巖體逐漸平衡后此時(shí)開始承擔(dān)隨左右隧道開挖釋放的應(yīng)力，出現(xiàn)逐漸緩慢增加趨勢(shì)。③“先增加后快速下降至0型”，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為3、4、7和8監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中巖體。由于左右隧道巖體的開挖，工作面越接近于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，承受的累計(jì)應(yīng)力釋放值越大，從而造成應(yīng)力值逐漸增加，當(dāng)工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，此時(shí)隧道中部巖體已開挖，不再承受周圍巖體施加的壓力，此時(shí)應(yīng)力值為0。

圖2 應(yīng)力云圖Fig.2 Stress cloud

2.4.2 拱頂及拱頂上部圍巖豎向應(yīng)力分析

通過(guò)分析整個(gè)施工階段不同開挖進(jìn)尺條件下相對(duì)應(yīng)的拱頂及拱頂上部巖層豎向應(yīng)力。得知，豎向應(yīng)力表現(xiàn)形式主要可分為3大類：①“簡(jiǎn)易型”。對(duì)應(yīng)測(cè)線A和測(cè)線B，2條測(cè)線上測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)相同，都為逐漸增加到穩(wěn)定，此測(cè)線分布于隧道拱頂150 m以上巖層。②“較復(fù)雜型”。對(duì)應(yīng)測(cè)線C、測(cè)線D和測(cè)線E，測(cè)線C測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)形式有2種，逐漸增加后逐漸下降、逐漸下降后逐漸增加。測(cè)線D和測(cè)線E上測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)形式有3種，逐漸增加后逐漸下降、逐漸下降后逐漸增長(zhǎng)、逐漸下降到平穩(wěn)。③“復(fù)雜型”。對(duì)應(yīng)測(cè)線F，測(cè)線F上測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)形式有3種，逐漸增加后逐漸穩(wěn)定、逐漸增加后突然下降到基本穩(wěn)定和逐漸增加到較快速下降再逐漸增加到穩(wěn)定。此測(cè)線位于拱頂上方位置，應(yīng)力釋放對(duì)其影響程度最大，造成巖層豎直應(yīng)力快速釋放再到平衡。

通過(guò)以上分析可知，拱頂上方0～50 m巖層屬于應(yīng)力釋放“高影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度較大，應(yīng)力釋放值較為突出，此部巖層的穩(wěn)定程度決定其隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。拱頂上方50～150 m巖層屬于應(yīng)力釋放“次影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度無(wú)高影響區(qū)大，應(yīng)力釋放值也變形較緩。拱頂上方150 m以上巖層屬于應(yīng)力釋放“緩影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度可忽略不計(jì)，對(duì)其巖層的穩(wěn)定性和隧道的穩(wěn)定幾乎無(wú)影響。

3 圍巖應(yīng)力相似模擬結(jié)果分析

3.1 相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)建立

試驗(yàn)采用地下工程綜合模擬二維試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)長(zhǎng)1 200 mm、寬800 mm、高1 000 mm。相似模擬平臺(tái)如圖3所示，此模擬平臺(tái)包含應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和降雨模擬系統(tǒng)。

圖3 相似模擬平臺(tái)Fig.3 Similar simulation platform

3.2 相似材料配比

設(shè)計(jì)模型高度為60 cm(實(shí)際巖層總厚度為400 m)，其中強(qiáng)風(fēng)化碎屑花崗巖巖層高度為40 cm，相似模擬強(qiáng)風(fēng)化碎屑花崗巖高度為6 cm，花崗巖巖層高度為360 m，相似模擬強(qiáng)風(fēng)化碎屑花崗巖高度為54 cm。相似模擬骨料為砂子，膠結(jié)物采用水泥。強(qiáng)風(fēng)化碎屑花崗巖采用細(xì)砂∶石灰∶水配比為12∶1∶1；花崗巖采用細(xì)砂∶石灰∶水配比為10∶5∶1。

3.3 施工模擬步驟和傳感器布設(shè)方案

工程施工步驟分為3個(gè)部分：①先開挖右隧道20 cm；②開挖左隧道10 cm、右隧道10 cm；③以此開挖逐漸完成，開挖采用鉆頭模擬開挖，現(xiàn)場(chǎng)開挖如圖4所示。此次總共布設(shè)3條縱斷面監(jiān)測(cè)線，每條縱斷面監(jiān)測(cè)測(cè)線公布設(shè)8個(gè)土壓力傳感器，其中拱

圖4 現(xiàn)場(chǎng)開挖示意Fig.4 Site excavation diagram

腰位置傳感器監(jiān)測(cè)水平應(yīng)力，拱頂和拱頂上方監(jiān)測(cè)豎向應(yīng)力，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示，監(jiān)測(cè)線橫向布設(shè)如圖6所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.5 Layout of monitoring points

圖6 監(jiān)測(cè)線橫向布設(shè)示意Fig.6 Schematic diagram of horizontal layout of monitoring line

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 拱腰和拱頂圍巖應(yīng)力分析

整個(gè)施工階段不同開挖進(jìn)尺條件下相對(duì)應(yīng)的拱頂巖層豎向及拱腰水平應(yīng)力分布曲線如圖7所示，總共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。可見，位于開挖工作面?zhèn)惹胺焦绊斬Q向應(yīng)力隨工作面開挖表現(xiàn)為增大趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為502、511和520，且對(duì)離開挖面較近的側(cè)方圍巖拱頂應(yīng)力影響最大，越遠(yuǎn)影響程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；位于工作面前方拱頂豎向應(yīng)力隨工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為505、514和523，且對(duì)離開挖面較近的前方圍巖拱頂應(yīng)力影響最大，越遠(yuǎn)影響程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。位于開挖工作面?zhèn)惹胺焦把綉?yīng)力隨工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為501、503、510、512、519和521，且對(duì)離開挖面較近的側(cè)方圍巖拱腰水平應(yīng)力下降速率較大；位于工作面前方拱腰水平應(yīng)力隨工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為504、506、513、515、522和524，越遠(yuǎn)影響程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且拱腰水平應(yīng)力由于受開挖的影響，多表現(xiàn)為波浪型波動(dòng)，總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

3.4.2 拱頂上部圍巖豎向應(yīng)力分析

整個(gè)施工階段不同開挖進(jìn)尺條件下相對(duì)應(yīng)的拱頂上方巖層豎向應(yīng)力分布曲線如圖8所示，總共8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖8 拱頂上方應(yīng)力曲線Fig.8 Stress curve of above vault

由圖8可知，位于開挖左右隧道拱頂上方中間部位的巖體隨左右隧道的開挖，豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為508傳感器和517傳感器；位于開挖左右隧道拱頂上方部位的巖體隨左右隧道的開挖，豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)，右隧道開挖會(huì)造成左隧道上方巖層豎向應(yīng)力出現(xiàn)增大趨勢(shì)，左隧道開挖會(huì)造成右隧道上方巖層豎向應(yīng)力出現(xiàn)增大趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)拱頂上方0～50 m巖層屬于應(yīng)力釋放“高影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度較大。拱頂上方50～150 m巖層屬于應(yīng)力釋放“次影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度無(wú)高影響區(qū)大，應(yīng)力釋放值也變形較緩。拱頂上方150 m以上巖層屬于應(yīng)力釋放“緩影響區(qū)”。

(2)整個(gè)施工階段不同開挖進(jìn)尺條件下相對(duì)應(yīng)的拱腰豎向應(yīng)力分布曲線，主要可分為3種類型：“逐漸增大最終趨于穩(wěn)定型”，此表現(xiàn)型主要分布于到隧道周邊距離大于10 m以外、“先增加后快速下降再緩慢增加型”，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中間巖體和“先增加后快速下降至0型”，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中巖體。

(3)位于開挖左右隧道拱頂上方中間部位巖體隨左右隧道的開挖，豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。