謝錦華

（中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400）

引言

在隧道掘進(jìn)的開(kāi)挖卸荷作用下，圍巖內(nèi)儲(chǔ)存的能量急劇釋放，致使巖體出現(xiàn)突然脫離圍巖，并有聲音和彈射等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為巖爆[1]。巖爆特征主要表現(xiàn)為突然性、猛烈性。一旦發(fā)生巖爆，大量塊石會(huì)以極高的速度從開(kāi)挖巖面向四周圍彈射而出或者爆裂成散狀碎石后再放射性地飛出，具有非常嚴(yán)重的安全隱患；巖爆特點(diǎn)是危害大、突發(fā)性等，直接表現(xiàn)為對(duì)施工人員與機(jī)械設(shè)備構(gòu)成較大的安全威脅，間接表現(xiàn)為耽誤工期及造成較大經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。對(duì)于應(yīng)對(duì)巖爆，就目前的技術(shù)水平一般出于安全考慮采用常規(guī)的臺(tái)階法開(kāi)挖，逐步釋放應(yīng)力，并加強(qiáng)錨桿和鋼筋網(wǎng)的防護(hù)強(qiáng)度。雖然在很大程度上減少應(yīng)力集中爆發(fā)的可能，提高了隧道施工的安全性，但大都是出現(xiàn)巖爆后再根據(jù)巖爆的強(qiáng)烈程度來(lái)分類處治。因此，山嶺重丘處深埋高地應(yīng)力隧道開(kāi)挖圍巖的巖爆災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究成為亟待解決的重大課題。

總體而言，巖爆解決方式應(yīng)以“以防為主，防控結(jié)合”為主要的指導(dǎo)思想。從目前國(guó)內(nèi)外發(fā)生的巖爆實(shí)例分析看，若能精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的位置和烈度，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平以及防護(hù)手段確實(shí)可以有效的降低巖爆產(chǎn)生的危害。但是一旦預(yù)測(cè)的巖爆位置和烈度發(fā)生了較大的偏差，極有可能導(dǎo)致出現(xiàn)更嚴(yán)重的機(jī)械損毀和人員傷亡情況，嚴(yán)重時(shí)對(duì)施工進(jìn)度的影響和施工成本的增加更加無(wú)法估量。一言蔽之，巖爆的準(zhǔn)確程度很大程度決定了巖爆的防治效果。

為此，開(kāi)展系統(tǒng)性的巖爆研究，探索更精確的巖爆預(yù)測(cè)方法和理論模型，對(duì)提高巖爆防控技術(shù)水平具有重要理論價(jià)值和實(shí)際意義[4-5]。

重陽(yáng)2 號(hào)隧道位于安徽省池州市石臺(tái)縣境內(nèi)。隧道右線起點(diǎn)樁號(hào)K31+414，終點(diǎn)樁號(hào)K36+278，長(zhǎng)度4 864 m，最大埋深約646 m; 隧道左線起點(diǎn)樁號(hào)ZK31+397，終點(diǎn)樁號(hào)ZK36+252，長(zhǎng)度4 855 m，最大埋深約650 m，地應(yīng)力極高。隧道地層巖性主要為少量黏土和碎石土、大部分為強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r、全～強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖和花崗巖等，隧道洞身發(fā)育多條斷層破碎帶分析重陽(yáng)2#隧道地質(zhì)詳細(xì)勘探資料可以發(fā)現(xiàn)該隧道的埋深較大，最大埋深達(dá)到650 m。K33+100～K35+090（ZK33+340～ZK35+070）段長(zhǎng)達(dá)2 km 均位于高應(yīng)力區(qū)和極高應(yīng)力區(qū)，而且隧道圍巖為強(qiáng)度較高的花崗巖，因此隧道開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生巖爆或者大變形。如果無(wú)法較為準(zhǔn)確判斷巖爆發(fā)生的可能性，該段均采用臺(tái)階法施工勢(shì)必造成工程費(fèi)用的大量增加，同時(shí)也會(huì)降低施工速度。因此非常有必要根據(jù)不同斷面的巖性特征及地應(yīng)力水平對(duì)巖爆的發(fā)生及其施工對(duì)策進(jìn)行提前預(yù)測(cè)。

1 數(shù)值模型

重陽(yáng)2 號(hào)隧道斷面形狀為馬蹄形。在FLAC3D 有限元程序內(nèi)建立了尺寸為的50 m×50 m×30 m 的計(jì)算模型，考慮巷道分8 步開(kāi)挖的情況，每步開(kāi)挖進(jìn)尺為3.0 m。模型的底部邊界為固定位移約束，左右側(cè)面、前后側(cè)面和上表面施加一定的面壓力荷載，荷載的大小取決于實(shí)際的地應(yīng)力水平。模型的邊界條件及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖1。巖體的變形破壞嚴(yán)格遵循莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 隧道開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模型

表1 巖體參數(shù)表

計(jì)算中取埋深最大處的最大水平地應(yīng)力為11.45*650/450=16.53 MPa， 最小水平主應(yīng)力為8.85*650/450=12.78 MPa，垂直主應(yīng)力650*2.66=17.29 MPa。從偏于安全角度考慮模型中設(shè)置最大水平應(yīng)力與隧道軸線垂直。

2 結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨開(kāi)挖步驟的變化

選取隧道第3 步開(kāi)挖截面頂部單元A、邊墻單元B、底部單元C、巖體內(nèi)部右側(cè)單元E 和頂部單元D 作為觀測(cè)點(diǎn)，分別提取了三個(gè)方向的應(yīng)力隨開(kāi)挖面推進(jìn)的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。從圖2 中可以看出，無(wú)論是隧道頂部還是隧道側(cè)面，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)挖斷面時(shí)，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)上三個(gè)方向上的應(yīng)力受開(kāi)挖影響較小，基本處于初始地應(yīng)力狀態(tài)。這說(shuō)明圍巖深部基本不受開(kāi)挖的影響。

圖2 遠(yuǎn)離隧道斷面位置的圍巖應(yīng)力隨推進(jìn)的變化曲線

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果可以知道，開(kāi)挖面與觀測(cè)面相對(duì)距離較遠(yuǎn)，觀測(cè)點(diǎn)A、B、C 都處于初始地應(yīng)力狀態(tài)；隨著隧道掌子面開(kāi)挖逐步向前方掘進(jìn)，當(dāng)開(kāi)挖面前方與觀測(cè)面相對(duì)距離約為3m 時(shí)，A、B、C、D、E 觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均出現(xiàn)了不同程度的變化。具體表現(xiàn)為隧道的頂部D觀測(cè)點(diǎn)和底部C 觀測(cè)點(diǎn)處巖體的切向應(yīng)力逐漸增大，徑向應(yīng)力逐漸減小至0，軸向應(yīng)力在開(kāi)挖卸荷作用下出現(xiàn)了一定的波動(dòng)并最終基本保持不變；巷道壁邊墻巖體的三向應(yīng)力均產(chǎn)生不同程度的減小，其中徑向應(yīng)力的減小幅度遠(yuǎn)大于切向應(yīng)力的減小幅度。當(dāng)開(kāi)挖面后方距離超過(guò)觀測(cè)面3～5 m 時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)過(guò)調(diào)整后再次趨于穩(wěn)定。

從圖3 中可以看出，隨著隧道開(kāi)挖面逐步推進(jìn)，開(kāi)挖圍巖頂部巖體單元A、側(cè)幫中部巖體單元B 和底部巖體單元C 的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差呈現(xiàn)線性變化。具體從圖中可以看出，隨著開(kāi)挖面向前推進(jìn)，觀測(cè)面隧道頂部單元和底部單元的應(yīng)力差逐漸顯著增大，而隧道邊墻單元的應(yīng)力差逐漸減小。表明巷道在這種地應(yīng)力狀態(tài)下，開(kāi)挖前后巷道的頂部和底部圍巖的切向應(yīng)力加載至較高水平，徑向應(yīng)力卸載至零，其圍巖的應(yīng)力狀態(tài)從較均勻的三維形狀逐漸分異演化為二維形狀；并且巷道邊墻圍巖在開(kāi)挖后處于應(yīng)力卸載區(qū)，應(yīng)力集中程度較弱。但由于該路段的圍巖完整性較差而且在FLAC3D 數(shù)值計(jì)算中無(wú)法考慮裂隙對(duì)巖爆的影響，因此仍需要利用離散元軟件PFC2D進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，以獲得裂隙巖體中隧道開(kāi)挖的損傷特征。

圖3 主應(yīng)力差隨開(kāi)挖面推進(jìn)的變化情況

2.2 開(kāi)挖完成應(yīng)力分布特征

第8 步開(kāi)挖完成后數(shù)值模型開(kāi)挖起始面的最小、最大主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4、圖5。負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，可見(jiàn)圍巖整體表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。圍巖應(yīng)力云圖分布對(duì)稱，最小主應(yīng)力絕對(duì)值及最大主應(yīng)力絕對(duì)值的最大值均在拱腳位置。

圖4 最小主應(yīng)力分布圖

圖5 最大主應(yīng)力分布圖

3 基于應(yīng)力水平的巖爆等級(jí)判定

在試驗(yàn)中獲得的巖石強(qiáng)度參數(shù)與計(jì)算獲得的洞室開(kāi)挖后的二次應(yīng)力分布情況基礎(chǔ)上，依據(jù)強(qiáng)度理論判據(jù)可以對(duì)巖爆進(jìn)行粗略預(yù)測(cè)，較為常用的Barton 判據(jù)、陶振宇判據(jù)、Turchaninov 判據(jù)、Russesse 判據(jù)、二郎山巖爆判據(jù)[6-7]，見(jiàn)表2。表中采用了5 種常用的理論判據(jù)對(duì)重陽(yáng)2 號(hào)隧道篩選的關(guān)鍵段落進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)試驗(yàn)。

表2 巖爆預(yù)測(cè)的應(yīng)力判據(jù)

根據(jù)巖爆的特征和相關(guān)性質(zhì)將巖爆分為3 個(gè)等級(jí)：弱巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆[8]。①弱巖爆。對(duì)開(kāi)挖施工中的人員和機(jī)械的影響極小，但實(shí)際施工時(shí)保險(xiǎn)起見(jiàn)可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑⑺浕瘒鷰r；②中等巖爆。因其能量釋放的過(guò)程連續(xù)、持久，對(duì)施工機(jī)械、作業(yè)人員帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，并且十分耽誤施工工期，因此需要提前加固圍巖，目前較為常見(jiàn)的防護(hù)方式：超前小導(dǎo)管支護(hù)→初噴鋼纖維混凝土→鋼筋網(wǎng)→鋼支撐和復(fù)噴混凝土，具體的鋼筋網(wǎng)、鋼支撐、混凝土厚度等參數(shù)根據(jù)實(shí)際圍巖預(yù)測(cè)情況再行設(shè)計(jì)，必要時(shí)還采取主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行安全防護(hù)；③強(qiáng)烈?guī)r爆。極具危險(xiǎn)性，支護(hù)方式在中等巖爆的基礎(chǔ)上對(duì)鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和噴射混凝土的厚度進(jìn)一步優(yōu)化加強(qiáng)。不僅灑水軟化圍巖，還需超前打孔釋放應(yīng)力弱化圍巖，降低巖爆發(fā)生的持續(xù)時(shí)間和爆裂程度，從而降低對(duì)施工機(jī)械、人員的威脅。

從數(shù)值計(jì)算結(jié)果看重陽(yáng)2#隧道在埋深最大（650 m）處的斷面僅有陶振宇判據(jù)判定為具有中等巖爆危險(xiǎn)性，其它為弱巖爆危險(xiǎn)或無(wú)巖爆危險(xiǎn)性，見(jiàn)表3。

表3 重陽(yáng)2 號(hào)隧道巖爆預(yù)測(cè)應(yīng)力判據(jù)

4 結(jié)論

（1） 只有隧道周圍一定范圍內(nèi)才會(huì)受到開(kāi)挖的影響。開(kāi)挖面前方距離觀測(cè)面大約3 m 時(shí)，開(kāi)挖面附近圍巖的徑向應(yīng)力開(kāi)始減小、切向應(yīng)力開(kāi)始增大，到開(kāi)挖面后方距離超過(guò)觀測(cè)面3～5 m 時(shí)，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)過(guò)調(diào)整后趨于穩(wěn)定。

（2） 拱頂?shù)讘?yīng)力差隨著開(kāi)挖面向前推進(jìn)逐漸顯著增大，邊墻應(yīng)力差隨著開(kāi)挖面向前推進(jìn)逐漸減小。

（3） 重陽(yáng)2#隧道在埋深最大（650 m）處的斷面巖爆危險(xiǎn)性較小。