劉永福,周子寒,蔣長偉

(1.中鐵十二局集團(tuán)有限公司,山西 太原 030024; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

0 引言

對(duì)于深埋、長大山嶺隧道,硬脆性圍巖在高地應(yīng)力環(huán)境下,隨著開挖卸荷,賦存在巖體內(nèi)的應(yīng)變能瞬間釋放并伴隨巖塊射出。巖爆現(xiàn)象具有突發(fā)性和隨機(jī)性特征,難以掌握其發(fā)生時(shí)機(jī),且一旦發(fā)生巖爆將會(huì)對(duì)施工安全造成極大的危害[1-2]。

前人對(duì)巖爆問題已開展了大量研究,張鏡劍等[3]對(duì)國內(nèi)外巖爆現(xiàn)象的大量工程實(shí)例進(jìn)行了報(bào)道,介紹了一些較為常用的巖爆判據(jù),并對(duì)巖爆防治提出了建議。馬春馳等[4]提出與圍巖直接接觸的初支結(jié)構(gòu)類型和剛度影響著破裂及微震活動(dòng)的特征、機(jī)制,基于巴陜高速米倉山隧道巖爆現(xiàn)象及微震監(jiān)測(cè)成果,建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)影響下巖爆前兆預(yù)警判據(jù)。與此同時(shí),基于現(xiàn)場原位地應(yīng)力鉆孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行隧址區(qū)初始地應(yīng)力場反演分析,結(jié)合反演結(jié)果對(duì)隧道開挖發(fā)生巖爆進(jìn)行預(yù)判,成為指導(dǎo)現(xiàn)場防治巖爆的切實(shí)可行辦法。汪波等[5-8]基于蒼嶺隧道隧址區(qū)初始地應(yīng)力場反分析結(jié)果,從隧道掘進(jìn)方式、掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力重分布實(shí)際情況出發(fā),對(duì)巖爆進(jìn)行了預(yù)測(cè),但其地應(yīng)力反演結(jié)果為區(qū)間值,反演精度仍需提高。嚴(yán)健等[9]以川藏鐵路桑珠嶺和巴玉隧道為依托,通過地應(yīng)力三維反演分析,對(duì)隧道高地溫、高地應(yīng)力條件下巖爆孕育特征進(jìn)行了研究。隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心向西部轉(zhuǎn)移,在西部復(fù)雜的地質(zhì)條件下,初始地應(yīng)力場呈現(xiàn)出不規(guī)律分布的特征。李科等[10]探討了斷裂擾動(dòng)區(qū)地應(yīng)力場分布情況,提出該區(qū)域地應(yīng)力表現(xiàn)出不均勻特性,地應(yīng)力的量值及方向均會(huì)發(fā)生較大變化。張敏等[11]總結(jié)出川藏鐵路復(fù)雜地質(zhì)條件下斷層破碎帶區(qū)域內(nèi)豎向主應(yīng)力驟減的規(guī)律。

我國西部區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁,復(fù)雜地質(zhì)條件如斷層、褶皺等分布密集,地應(yīng)力分布差異性較大,容易造成某一區(qū)域地應(yīng)力較為集中,巖爆的不確定性更為突出,其中尤以侵入巖地層最為顯著。侵入體經(jīng)過地殼張力作用擠入圍巖層間空隙中,在侵入體前沿區(qū)域形成軟硬巖交界面,交界面處硬巖區(qū)域地應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,巖爆風(fēng)險(xiǎn)突出[12]。對(duì)于軟硬巖交接段施工力學(xué)特性成為近年來的研究熱點(diǎn),張照太等[13]對(duì)高埋深軟硬巖互層TBM巖爆段施工方法進(jìn)行了研究。王道遠(yuǎn)等[14]探討了硬巖、軟巖、軟硬巖交界不同地質(zhì)條件下,減震縫設(shè)置減震技術(shù)的差異性。申玉生等[15]提出軟硬巖交界面傾角的改變會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性產(chǎn)生影響。

由此可見,對(duì)于巖爆問題,以往主要對(duì)巖爆發(fā)生前兆及特征、巖石儲(chǔ)能規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)對(duì)巖爆傾向性的判據(jù)進(jìn)行研究。而對(duì)于侵入巖地層復(fù)雜地質(zhì)條件下,軟硬巖交界區(qū)段不同掘進(jìn)方向的施工力學(xué)行為對(duì)巖爆傾向性影響的研究還鮮見報(bào)道。結(jié)合文獻(xiàn)關(guān)于花崗質(zhì)侵入巖初始地應(yīng)力分布規(guī)律的結(jié)論,本文以花崗質(zhì)侵入巖隧道為依托,基于水壓致裂法實(shí)測(cè)地應(yīng)力為依據(jù)反演隧址區(qū)初始地應(yīng)力場結(jié)果,對(duì)侵入體前沿軟硬巖交界區(qū)域不同掘進(jìn)方向?qū)r爆傾向性的影響進(jìn)行了研究,研究結(jié)果對(duì)本工程及類似工程設(shè)計(jì)、施工提供了理論支持。

1 工程概況

1.1 地形地貌及地層巖性

某花崗質(zhì)侵入巖隧道縱向長約7 200 m,埋深最大處約為467 m。其中ZK397+900—ZK394+500段圍巖以花崗閃長巖(硬巖)為主,而ZK394+500—ZK390+755段穿越地層巖性主要為泥巖、砂巖(軟巖),隧道縱向在臨近花崗巖侵入體區(qū)域,地層巖性發(fā)生劇烈改變,為硬、軟巖交界帶(見圖1)。對(duì)于硬巖一側(cè)圍巖強(qiáng)度比值較低,存在發(fā)生巖爆的危害,因此基于地應(yīng)力反演結(jié)果進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)非常必要。

圖1 隧址區(qū)地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of tunnel site area

1.2 原位地應(yīng)力測(cè)量

通過調(diào)研原位地應(yīng)力測(cè)量報(bào)告,在ZK395+320位置處(即SK-02鉆孔,圖2中標(biāo)出了鉆孔位置)利用水壓致裂法進(jìn)行了原位地應(yīng)力測(cè)試,該測(cè)點(diǎn)靠近重點(diǎn)討論的軟硬巖交界帶區(qū)域。原位地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水壓致裂法測(cè)試初始地應(yīng)力Table 1 Hydraulic fracturing method to measure initial in-situ stress

圖2 有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model

2 地應(yīng)力反演分析

2.1 多元線性回歸反演地應(yīng)力原理

(1)

2.2 三維數(shù)值模型

模型建立在水平面內(nèi)8 000 m×1 000 m范圍,z方向取至隧道軸線下方300 m,通過等高線平面圖采用克里金插值法求出高精度地形坐標(biāo)值建立頂面地表,并導(dǎo)入ANSYS軟件中,再通過拉伸頂面并切割完成模型的建立,如圖2所示。巖體材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示,對(duì)以砂巖、泥巖分布的區(qū)域巖性參數(shù)做了一定的簡化,依據(jù)2種巖體所占權(quán)重,將該區(qū)段巖體物理力學(xué)參數(shù)均設(shè)為表3中的砂-泥巖。

表2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 2 Physical-mechanical parameters of rock masses

表3 實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與回歸反演值對(duì)比Table 3 Comparison of measured in-situ stress and regression stress

(2)

式中:σ回歸為地應(yīng)力回歸反演值;σ自重為在自重應(yīng)力場下有限元計(jì)算值;σx向構(gòu)造為水平x向均布擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場有限元計(jì)算值;σy向構(gòu)造為水平y(tǒng)向均布擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場有限元計(jì)算值;σ剪切構(gòu)造表示水平面純剪切構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)力場有限元計(jì)算值。

2.3 隧道軸線地應(yīng)力反演結(jié)果

基于地應(yīng)力鉆孔的坐標(biāo)信息查詢計(jì)算值,再根據(jù)式(2)得到鉆孔處的回歸反演值。表3列出了SK-02鉆孔實(shí)測(cè)值與反演值的對(duì)比結(jié)果。由表3可知,σH的絕對(duì)誤差范圍為0.5～1.0 MPa,最小相對(duì)誤差約6.7%,最大相對(duì)誤差約12.2%。σh的絕對(duì)誤差范圍為0.2～0.6 MPa,最小相對(duì)誤差約4.0%,最大相對(duì)誤差約14.6%。σV的絕對(duì)誤差范圍為0.1～0.4 MPa,最小相對(duì)誤差約2.4%,最大相對(duì)誤差約6.0%。由此可知,實(shí)測(cè)值與反演值之間的誤差水平較小,反演結(jié)果可靠。

基于隧道初始地應(yīng)力場反演結(jié)果,考慮邊界效應(yīng)的誤差影響,對(duì)隧道軸線初始地應(yīng)力提取時(shí),除去模型兩側(cè)各800 m范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果,其分布如圖3所示。

圖3 隧道沿線原位地應(yīng)力分布Fig.3 In-situ stress distribution map along the tunnel

由圖3可知,豎向應(yīng)力的分布與山體輪廓線的起伏規(guī)律近乎一致,其與埋深正相關(guān);水平主應(yīng)力的分布與埋深的關(guān)聯(lián)性減弱,僅在巖性單一的條件下與埋深相關(guān),而在軟硬巖交界帶硬巖一側(cè)應(yīng)力急劇升高,這與花崗質(zhì)閃長巖在該區(qū)域分布形態(tài)有關(guān)。3種應(yīng)力均在軟硬巖交界處(ZK394+500)即侵入體前沿區(qū)域達(dá)到極大值,其中最大水平主應(yīng)力達(dá)11.6 MPa,豎向應(yīng)力達(dá)10.7 MPa。在軟硬巖交界處,由硬巖到軟巖方向3種應(yīng)力均出現(xiàn)先增大而后驟減的情況。結(jié)合圖1,花崗閃長巖在軟硬巖交界帶橫截面積逐漸收窄,較窄區(qū)域內(nèi)侵入體受擠壓構(gòu)造作用更大,應(yīng)力集中現(xiàn)象突出,而到了軟巖一側(cè)隨著彈性模量的降低,應(yīng)力水平下降明顯。由此可見,在軟硬巖兩側(cè),初始地應(yīng)力呈現(xiàn)出極大差異,對(duì)于長大隧道增設(shè)斜井以增加開挖工作面的位置選擇時(shí),需要考慮軟巖到硬巖開挖和硬巖到軟巖開挖方向不同所帶來的地應(yīng)力重分布差異性,因此該區(qū)域內(nèi)不同掘進(jìn)方向施工力學(xué)行為對(duì)巖爆傾向性的影響研究十分必要。

3 不同開挖方向巖爆傾向性研究

3.1 隧道開挖三維數(shù)值模型

對(duì)隧道軸線ZK394+565—ZK394+435軟硬巖交界區(qū)域建立三維數(shù)值模型,如圖4所示,模型尺寸沿隧道縱向取130 m,隧道橫截面平面尺寸考慮邊界效應(yīng)的影響取至約5倍洞徑,為150 m×150 m。為模擬真實(shí)開挖條件下巖爆發(fā)生情況,按照上下臺(tái)階法分布開挖,每一開挖循環(huán)掘進(jìn)2 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25混凝土,厚度為20 cm,圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體C3D4單元,圍巖材料設(shè)為莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)定為彈性本構(gòu)。材料參數(shù)如表2所示,其中模型上部按照表2中砂-泥巖材料進(jìn)行簡化。

圖4 隧道開挖模擬三維數(shù)值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model for simulation tunnel excavation

以模型邊界初始地應(yīng)力作為應(yīng)力邊界條件,通過查詢對(duì)應(yīng)邊界位置的地應(yīng)力反演結(jié)果,施加到模型上。位移邊界條件除頂部為自由邊界外,其余設(shè)為法向約束。模型建立完成后,分為由軟巖朝硬巖方向開挖和硬巖朝軟巖方向開挖2個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)對(duì)不同開挖方向的名稱進(jìn)行約定,由軟巖向硬巖方向開挖簡化表示為“軟-硬巖”方向開挖,由硬巖向軟巖方向開挖簡化表示為“硬-軟巖”方向開挖。

限于文章篇幅,僅列出了里程ZK394+510花崗閃長巖計(jì)算結(jié)果中的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖如圖5所示,其中圖5a,5b為軟-硬巖開挖的最大、最小主應(yīng)力云圖,圖5c,5d為硬-軟巖開挖的最大、最小應(yīng)力云圖。

3.2 不同開挖方向施工力學(xué)行為對(duì)比分析

隧道掘進(jìn)施工過程實(shí)質(zhì)是對(duì)圍巖初始地應(yīng)力擾動(dòng)并重新分布達(dá)到新平衡的過程,在開挖爆破未施作支護(hù)體系階段,圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)向兩向應(yīng)力狀態(tài)甚至一向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變,在高地應(yīng)力環(huán)境下,硬脆巖體容易使儲(chǔ)存在內(nèi)部的高水平能量短時(shí)間大量釋放。而隧道特殊的侵入巖地層在隧道掘進(jìn)過程中穿越軟硬巖,不同的掘進(jìn)方向顯然會(huì)對(duì)圍巖的地應(yīng)力重分布造成差異,也就對(duì)危害施工安全十分嚴(yán)重的巖爆程度產(chǎn)生影響。

分別選取花崗閃長巖區(qū)域內(nèi)臨近軟硬巖交界面里程ZK394+510和里程ZK394+520斷面作為重點(diǎn)研究的目標(biāo)斷面。提取不同開挖方向下,距斷面30 m范圍內(nèi)開挖過程中兩個(gè)斷面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,如圖6,7所示。

圖6 不同開挖方向30 m范圍內(nèi)ZK394+510斷面主應(yīng)力值Fig.6 Principal stress value of ZK394+510 section within 30 meters in different excavation directions

圖7 不同開挖方向30 m范圍內(nèi)ZK394+520斷面主應(yīng)力值Fig.7 Principal stress value of ZK394+520 section within 30 meters in different excavation directions

由圖6a可知,距ZK394+510斷面30～0 m開挖,目標(biāo)斷面的最大主應(yīng)力量值在前20 m分布穩(wěn)定,增幅較小。10～0 m范圍內(nèi)的開挖,目標(biāo)斷面的最大主應(yīng)力值變化加快,拱腳呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì),其中軟-硬巖開挖方向由5.39 MPa增至5.94 MPa,增長幅度為10.2%;硬-軟巖開挖方向由5.38 MPa增加到6.84 MPa,增長幅度為27.1%,是軟-硬巖開挖方向的2倍左右。不同開挖方向,ZK394+510斷面拱頂處隨開挖掘進(jìn)過程的最大主應(yīng)力差異更加明顯,軟-硬巖開挖10～0 m范圍時(shí),目標(biāo)斷面拱頂由5.61 MPa急劇減小到1.63 MPa;硬-軟巖開挖,該值由5.19 MPa增大至5.97 MPa后又減小到5.51 MPa,在最后2個(gè)開挖步出現(xiàn)了小幅度減小的跡象。因此可以看出對(duì)于拱頂,不論開挖方向如何,最大主應(yīng)力量值均有先增大后減小的趨勢(shì),只不過軟-硬巖方向在最大主應(yīng)力增長到10 m時(shí)開始減小,而硬-軟巖方向在最大主應(yīng)力增大到2 m時(shí)開始減小,方向的改變使這個(gè)過程推遲了4個(gè)開挖循環(huán)。

圖6b為ZK394+510斷面最小主應(yīng)力的變化情況,從圖中可知,2個(gè)開挖方向下,拱頂、拱腳的最小主應(yīng)力均隨開挖掘進(jìn)而增大。表4,5列出了距目標(biāo)面10 m開挖至0 m,目標(biāo)斷面的主應(yīng)力量值大小和變化幅度,可以看出,拱腳位置硬-軟巖開挖方向增長幅度是軟-硬巖開挖方向的1.74倍;拱頂位置硬-軟巖開挖方向增長幅度是軟-硬巖開挖方向的2.16倍。ZK394+520斷面較前面ZK394+510斷面更加遠(yuǎn)離軟硬巖交界帶,其主應(yīng)力變化情況較為類似。其中,最大主應(yīng)力在15 m位置處開始變化加快,較ZK394+510斷面更早。在10 m范圍內(nèi),硬-軟巖拱腳最大主應(yīng)力增長幅度為24.3%,軟-硬巖增長幅度為6.1%,這2個(gè)值均小于ZK394+510斷面。同時(shí),拱頂位置硬-軟巖減小幅度更加明顯,在前5個(gè)開挖循環(huán)就開始變小。最小主應(yīng)力的變化情況同樣說明硬-軟巖開挖方向?qū)?yīng)力狀態(tài)影響更大。

表4 ZK394+510斷面拱腳最小主應(yīng)力量值Table 4 The minimum principal stress value of ZK394 + 510 section’s arch foot

表5 ZK394+510斷面拱頂最小主應(yīng)力量值Table 5 The minimum principal stress value of ZK394 + 510 section’s vault

綜上可知,硬-軟巖開挖方向造成圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化更加劇烈,對(duì)圍巖的擾動(dòng)更大,這一現(xiàn)象在開挖越靠近軟硬巖分界帶,變化越劇烈。同時(shí)對(duì)于拱頂、拱腳兩處主應(yīng)力量值的極大值,硬-軟巖方向開挖均大于軟-硬巖方向開挖,ZK394+510斷面硬-軟巖為18.4 MPa,軟-硬巖為14.7 MPa;ZK394+520斷面硬-軟巖為17.9 MPa,軟-硬巖為14.2 MPa;越靠近軟硬巖交界帶該值越大。

圖8為位移的變化情況,可以看出,在拱頂、拱底、拱腰處選擇軟-硬巖開挖的位移量比硬-軟巖開挖更大,拱頂位移增加了1.5～1.8倍,拱腰位移增加了1.3～2.1倍,拱底位移增加了1.1～1.4倍;其中開挖方向的改變對(duì)拱頂沉降的影響最為明顯,其次是拱腰收斂,對(duì)拱底隆起的影響最小;而同樣可以發(fā)現(xiàn),越接近軟硬巖交界帶位移量越大。

圖8 不同開挖方向位移變化Fig.8 Displacement changes in different excavation directions

3.3 不同開挖方向巖爆傾向性分析

2個(gè)目標(biāo)斷面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均表明,掘進(jìn)方向的選擇對(duì)隧道開挖應(yīng)力重分布的影響重大,由此可以推斷,選擇合理的開挖掘進(jìn)方向?qū)?huì)對(duì)巖爆嚴(yán)重程度產(chǎn)生影響。

采用陶振宇判據(jù)[17]及盧森判據(jù)[8](見表6)分別對(duì)ZK394+520—ZK394+500段共計(jì)11個(gè)斷面在不同開挖方向下的巖爆發(fā)生可能性及程度進(jìn)行分析。該區(qū)域內(nèi)巖體主要為花崗閃長巖,根據(jù)地勘資料,巖體單軸抗壓強(qiáng)度為84.9 MPa。

表6 巖爆判據(jù)Table 6 The criterion of the rockburst

陶震宇巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9a所示,從圖中可知,接近軟硬巖交界帶硬巖一側(cè),在高地應(yīng)力作用下花崗閃長巖會(huì)發(fā)生中等以上巖爆,其中硬-軟巖開挖主應(yīng)力極值比軟-硬巖開挖大2.8～9.8 MPa。硬-軟巖開挖發(fā)生中等巖爆的斷面有5個(gè),發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的斷面有6個(gè);軟-硬巖開挖發(fā)生中等巖爆的斷面有8個(gè),發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的斷面有3個(gè),由此可知選擇硬-軟巖開挖大大提高了巖爆發(fā)生的嚴(yán)重程度。統(tǒng)計(jì)11個(gè)斷面的陶振宇系數(shù)發(fā)現(xiàn),硬-軟巖開挖的陶振宇系數(shù)平均比軟-硬巖開挖減小了0.4。

圖9 不同開挖方向巖爆預(yù)測(cè)Fig.9 Rockburst prediction in different excavation directions

圖9b展示了盧森巖爆判據(jù)的結(jié)果。由圖可知,盧森判據(jù)預(yù)測(cè)的巖爆程度小于陶震宇判據(jù)。不論是硬-軟巖掘進(jìn)還是軟-硬巖掘進(jìn)均未有強(qiáng)烈?guī)r爆出現(xiàn)。但是,盧森判據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果仍然表明,硬-軟巖掘進(jìn)的巖爆程度較軟-硬巖掘進(jìn)更加強(qiáng)烈。硬-軟巖掘進(jìn)所有11個(gè)斷面的預(yù)測(cè)結(jié)果均為中等巖爆,然而,軟-硬巖掘進(jìn)僅5個(gè)斷面發(fā)生中等巖爆,另外6個(gè)斷面僅發(fā)生低巖爆。

4 結(jié)語

1)地應(yīng)力反演結(jié)果表明,花崗質(zhì)侵入巖地層在軟硬巖交界帶硬巖一側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,應(yīng)力水平在該區(qū)域急劇上升,而軟巖一側(cè)發(fā)生驟減,埋深和巖性的改變是影響地應(yīng)力分布的主要因素。

2)硬-軟巖開挖較軟-硬巖開挖對(duì)圍巖應(yīng)力場的擾動(dòng)更大,且越靠近軟硬巖交界帶,變化幅度越大。

3)硬-軟巖開挖比軟-硬巖開挖引發(fā)的巖爆更強(qiáng)烈,11個(gè)斷面主應(yīng)力極值增大了2.8～9.8 MPa。陶振宇系數(shù)平均減小了0.4,發(fā)生嚴(yán)重巖爆的斷面數(shù)增加了3個(gè)。盧森判據(jù)發(fā)生中等巖爆的斷面數(shù)增加了6個(gè)。

4)軟-硬巖開挖的位移比硬-軟巖開挖更大,開挖方向的改變對(duì)拱頂沉降的影響最為明顯,其次是拱腰收斂,對(duì)拱底隆起的影響最小;但不論開挖方向如何,產(chǎn)生的位移量總體較小,均控制在工程允許范圍之內(nèi)。

5)選擇軟-硬巖開挖對(duì)巖爆的防護(hù)最為有利,研究結(jié)論對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場施工及類似工程提供了理論支持。