郭新強, 張 宇, 張 偉, 肖逸飛, 陳 誠

(1. 新疆水利發(fā)展投資(集團)有限公司,烏魯木齊 830000;2. 東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室,沈陽 110819;3. 東北大學遼寧省深部工程與智能技術(shù)重點實驗室,沈陽 110819)

0 前 言

巖爆是在開挖或其他外界擾動下,地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放,導致圍巖爆裂、彈射的動力現(xiàn)象,具有很強的突發(fā)性、隨機性和危害性[1-4]。隨著中國“一帶一路”、“南水北調(diào)”以及“西水東引”等項目的實施,越來越多的地下工程開始向深部進軍。隨著埋深和地應(yīng)力水平的增加,開挖引起的巖爆災害頻次更高、造成的經(jīng)濟損失更加嚴重,給相關(guān)的深埋地下工程施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。開展巖爆防控與設(shè)計研究,對于保障深埋隧洞安全、經(jīng)濟施工具有重要意義。

近年來,隨著越來越多的深部工程的實施,巖爆防控已成為重要的研究熱點。許多學者針對深埋硬巖工程巖爆防控方法提出了相應(yīng)的解決辦法。錦屏二級水電站引水隧洞掘進期間巖爆頻發(fā),嚴重威脅現(xiàn)場施工人員的安全,馮夏庭等[5]基于現(xiàn)場微震監(jiān)測信息和現(xiàn)場原位綜合測試提出了“三步走”策略,即“減能、釋能和吸能”,該方法已在錦屏二級引水隧洞取得顯著成效;謝文清等[6]基于巖爆預警及超前防控思想,建議采用超前應(yīng)力解除、鉆孔應(yīng)力釋放以及噴灑水等措施降低巖爆風險,對于巖爆區(qū)域建議采用預應(yīng)力錨桿等被動防護措施。李桂林等[7]通過統(tǒng)計巖爆的宏觀滯后破壞特征、形成方位與擴展情況,結(jié)合微震監(jiān)測與圍巖松弛程度,探討了滯后型巖爆的孕育特征與機制。 錨桿作為巖爆防控不可缺失的環(huán)節(jié),相關(guān)研究已取得較為豐碩的成果,如屈服錨桿理念[8]、NPR吸能錨桿[9]、柔剛性可伸縮錨桿[10]等。此外,基于圍巖損傷區(qū)測試的錨桿設(shè)計方法對現(xiàn)場巖爆防控支護設(shè)計起到重要作用。1970年開始,董方庭[11]等開展開挖損傷區(qū)(Excavation Damage Zone, EDZ)測試工作,并將松動圈用于表征圍巖中發(fā)展的破裂區(qū),提出了以松動圈深度為依據(jù)的隧洞圍巖支護方法;隨后越來越多的學者進行了大量的理論和現(xiàn)場監(jiān)測研究,陳炳瑞等[12]在錦屏二級水電站深埋引水隧洞開展TBM施工過程中聲發(fā)射監(jiān)測試驗,研究了開挖過程中圍巖損傷的演化規(guī)律,為建立現(xiàn)場支護方案提供了數(shù)據(jù)支持,Cai[13]等基于微震監(jiān)測的裂紋分布和密度等參數(shù),研究了圍巖開挖損傷程度,研究成果能夠有效指導現(xiàn)場施工及支護;李奧[14]、劉寧[15]、Martin[16]等人采用微震監(jiān)測、聲發(fā)射、地質(zhì)雷達、聲波探測、鉆孔攝像等技術(shù)手段分別對地下洞室、隧道和巷道圍巖EDZ進行了監(jiān)測測試,評估其范圍和損傷程度,并提出了相應(yīng)的圍巖支護意見。上述分析表明,雖然當前已建立了區(qū)分巖爆等級的圍巖防控設(shè)計方法,但是即使巖爆等級相同,不同圍巖等級條件下巖爆區(qū)破壞特征有顯著差別,因此有必要開展不同類別圍巖條件下巖爆區(qū)域防控方案研究。

本文分析某深埋TBM引水隧洞不同圍巖條件中等巖爆區(qū)破壞特征,采用數(shù)值模擬及聲波測試分析不同圍巖類別中等巖爆區(qū)的應(yīng)力及損傷特征,建立區(qū)分圍巖條件的中等巖爆區(qū)防控支護方案,并進行了驗證,為類似工程的支護設(shè)計提供參考。

1 工程背景

某深埋TBM引水隧洞下游洞段巖性以華力西期黑云母花崗巖為主,隧洞最大埋深約720 m,隧洞洞徑7 m。地應(yīng)力測試表明,地應(yīng)力以最大水平主應(yīng)力為主,圍巖完整性較好,以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主,斷層帶及影響帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖長16.373 km,占該段總長的89.17%;Ⅳ類圍巖長1.941 km,占該段總長的10.57%;Ⅴ類圍巖長0.048 km,占該段總長0.26%?？辈煸O(shè)計資料顯示,該引水隧洞下游巖爆段占比約90%,以輕微～中等巖爆為主?，F(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果表明,隧洞自地表150～720 m深度內(nèi),最大水平主應(yīng)力6.6～36.0 MPa,最小水平主應(yīng)力5.7～22.8 MPa,隧洞圍巖應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力方向N23°E,與隧洞洞軸線夾角約34°～65°,隧洞地應(yīng)力環(huán)境可整體近似為σH>σV>σh。

迄今為止,該隧洞下游掘進期間巖爆頻發(fā),已開挖洞段以中等巖爆為主,中等巖爆洞段長度占總巖爆段長度62.4%。針對中等巖爆洞段,預設(shè)計支護方案為拱架+錨桿+鋼筋排,過度的支護措施造成工期延誤和嚴重的經(jīng)濟損失,因此,有必要開展中等巖爆段防控設(shè)計方案研究。

2 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)破壞特征

2.1 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)破壞特征

某深埋TBM隧洞開挖期間圍巖完整性整體較好,巖爆發(fā)生區(qū)域主要為Ⅱ、Ⅲ類圍巖,掘進期間,不同圍巖類別區(qū)域巖爆破壞特征呈現(xiàn)顯著區(qū)別,巖爆等級根據(jù)GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》進行劃分:輕微巖爆爆坑深度為0.1～0.3 m,中等巖爆爆坑深度為0.3～1.0 m;強烈?guī)r爆爆坑深度為1～3 m。

Ⅱ類圍巖中等巖爆及其地質(zhì)特征如圖1所示。K228.00+565.00 m～K228.00+566.00 m洞段10點鐘方位發(fā)生中等巖爆,呈深“V”型爆坑,爆坑尺寸為3.00 m×2.00 m×0.36 m(長×寬×深),爆落巖石呈片狀、板狀,爆坑內(nèi)壁粗糙,無結(jié)構(gòu)面揭露,隧洞圍巖巖性為花崗巖,巖體完整性較好,干燥無滲水,無風化銹蝕痕跡,為Ⅱ類圍巖,現(xiàn)場采用鋼拱架支護。

圖1 Ⅱ類圍巖中等巖爆及其地質(zhì)特征

Ⅲa類圍巖中等巖爆及其地質(zhì)特征如圖2所示。K230.00+377.00 m～K230.00+380.00 m洞段11點～1點附近發(fā)生中等巖爆,爆坑深度0.5 m,規(guī)模為3.5 m×2.5 m×0.5 m(長×寬×深),爆坑附近發(fā)育2條結(jié)構(gòu)面,其一產(chǎn)狀為340°∠65°,含白色鈣質(zhì)薄膜充填,充填厚度為1～3 mm,其二產(chǎn)狀為 340°∠50°,含白色鈣質(zhì)薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,爆坑內(nèi)部呈片狀、薄板狀,圍巖巖性為含紅色、黃色的黑云母花崗巖,干燥無滲水,圍巖等級為Ⅲa?，F(xiàn)場采用鋼拱架支護。

圖2 Ⅲa類圍巖中等巖爆及其地質(zhì)特征

Ⅲb類圍巖中等巖爆及其地質(zhì)特征如圖3所示。K229.00+929.00 m～K229.00+931.00 m洞段10點半～1點半鐘附近發(fā)生中等巖爆,爆坑尺寸為2.0 m×5.0 m×0.7 m(長×寬×深),爆坑附近發(fā)育3條結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面1產(chǎn)狀為170°∠80°,含白色鈣質(zhì)薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,結(jié)構(gòu)面2產(chǎn)狀為N150°E∠90°,含白色鈣質(zhì)薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,結(jié)構(gòu)面3產(chǎn)狀為N150°E∠90°,銹蝕充填,充填厚度為1～2 mm,爆坑內(nèi)部呈片狀、薄板狀破壞,圍巖巖性為含紅色、黃色的黑云母花崗巖,干燥,圍巖等級為Ⅲb。現(xiàn)場采用鋼拱架支護。

統(tǒng)計分析了不同圍巖類別下中等巖爆區(qū)爆坑深度(見圖4)。由圖4可知,Ⅲb類圍巖巖爆區(qū)域破壞深度最深,破壞范圍最廣,多為隧洞上半洞的大面積巖爆,現(xiàn)場中等巖爆爆坑平均深度為0.58 m,爆坑平均體積為2.38 m3;Ⅲa類圍巖中等巖爆爆坑平均深度為0.45 m,爆坑平均體積為1.18 m3;Ⅱ類圍巖破壞深度最淺,破壞范圍最小,僅局部發(fā)生巖爆,中等巖爆爆坑平均深度為0.32 m,爆坑平均體積為0.13 m3。結(jié)合上述分析與更多巖爆案例,無結(jié)構(gòu)面時,爆坑多為“V”型或淺窩狀,爆坑深度相對較低。當存在結(jié)構(gòu)面時,由于巖體強度有所降低,爆坑深度增加,爆坑多為“V”型或不規(guī)則形狀。基于上述認識,不同圍巖類別與結(jié)構(gòu)面條件下中等巖爆區(qū)域破壞特征有顯著區(qū)別,因此有必要針對不同圍巖類別下中等巖爆區(qū)開展支護方案研究。

圖4 不同圍巖類別下中等巖爆區(qū)爆坑深度

2.2 數(shù)值計算

為分析深埋隧洞TBM開挖情況下不同圍巖類別中等巖爆區(qū)的應(yīng)力及損傷特征,利用馮夏庭等[17-18]研發(fā)的工程巖體破裂過程細胞自動機分析軟件CASRock,對上述案例中等巖爆區(qū)域開展數(shù)值計算,分析了不同圍巖類別應(yīng)力分布特征及損傷區(qū)范圍。由于巖爆主要發(fā)生在Ⅱ類、Ⅲa類以及Ⅲb類,因此本文不對Ⅳ類和Ⅴ類圍巖開展數(shù)值計算研究。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件,采用笛卡爾坐標系,建立數(shù)值計算模型。如圖5所示,其中x軸為隧道開挖方向,y軸垂直于隧道開挖方向,z軸為豎直方向。通過室內(nèi)真三軸巖石力學試驗獲取了硬巖三維破壞準則相關(guān)參數(shù)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、材料參數(shù)s和t),不同圍巖類別基本力學參數(shù)如表1所示。通過坐標轉(zhuǎn)換計算得新坐標系下地應(yīng)力分量值(見表2),數(shù)值計算采用深部工程硬巖三維非線性破壞準則[19]和應(yīng)力誘導各向異性脆延破壞力學模型[20]。

表2 數(shù)值模型初始地應(yīng)力狀態(tài)

(1) 損傷區(qū)分析

分別計算了Ⅱ類、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖開挖后隧洞圍巖塑性區(qū)分布,用以分析不同類別圍巖損傷區(qū)分布特征,如圖6所示。塑性區(qū)主要分布于9～12點半和3～6點半方位,由圖可知,Ⅱ類圍巖3、9點及11點塑性區(qū)深度分別為0.3、0.3 m及 0.6 m,Ⅲa類圍巖3、9點及11點塑性區(qū)深度分別為0.4、0.4 m及 1.0 m,Ⅲb類圍巖3、9點及11點塑性區(qū)深度分別為0.6、0.6 m及 1.5 m?；谏鲜鰯?shù)值模擬結(jié)果,不同圍巖類別不同斷面位置的塑性區(qū)深度如表3所示。

表3 不同位置圍巖塑性區(qū)

圖6 不同圍巖類別塑性區(qū)計算結(jié)果

由圖6、表3可知,TBM隧洞下游開挖后,圍巖破壞區(qū)主要分布于9點半～12點鐘和3點半～6點鐘方位。此外,Ⅱ類圍巖最大塑性區(qū)深度0.6 m,Ⅲa類圍巖最大塑性區(qū)深度為1.0 m,Ⅲb類圍巖最大塑性區(qū)深度為1.5 m。塑性區(qū)深度一般大于損傷區(qū)深度,二者成正比關(guān)系。由此不同圍巖等級開挖條件下,損傷區(qū)范圍及深度均有明顯不同,損傷區(qū)范圍整體表現(xiàn)為Ⅲb類>Ⅲa類>Ⅱ類。

(2) 應(yīng)力場計算結(jié)果

圖7為隧洞不同圍巖類別開挖后最大主應(yīng)力分布云圖。圖8為現(xiàn)場破壞在斷面上的分布。圖9為隧洞11點方位,距離隧洞表面不同距離的最大主應(yīng)力。

圖7 不同圍巖類別最大主應(yīng)力分布

圖8 現(xiàn)場破壞分布

圖9 11點位置與隧道表面不同距離的最大主應(yīng)力

由圖6～9可知,隧洞開挖后最大主應(yīng)力主要集中在9點半～12點鐘和3點半～6點鐘方位,與塑性區(qū)及現(xiàn)場破壞位置相對應(yīng);Ⅱ類圍巖、Ⅲa類圍巖和Ⅲb類圍巖最大主應(yīng)力分別為63.9、60.9 MPa和56.7 MPa,即隨著圍巖質(zhì)量逐漸降低,應(yīng)力集中程度降低;此外,Ⅱ類圍巖、Ⅲa類圍巖和Ⅲb圍巖最大主應(yīng)力分別分布于與隧道表面距離0.49、0.83 m和1.25 m的位置,即隨著圍巖質(zhì)量降低,最大主應(yīng)力分布位置逐漸遠離隧洞圍巖表面,應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移;從最大主應(yīng)力分布范圍來看,Ⅲb圍巖最大主應(yīng)力最小,但集中范圍最大,表明Ⅲb圍巖中破壞分布范圍更大。

2.3 損傷區(qū)測試及結(jié)果分析

圍巖損傷的存在會影響巖體的力學特性,進而影響圍巖整體穩(wěn)定性,開挖損傷區(qū)也是確定圍巖支護參數(shù)尤其是錨桿支護參數(shù)的重要依據(jù)。為進一步驗證數(shù)值模擬結(jié)果,明確該隧洞開挖損傷深度特征,在上述不同圍巖類別的巖爆案例附近圍巖開展損傷區(qū)測試。單孔聲波測試原理圖及設(shè)備如圖10所示。通過發(fā)射換能器發(fā)出彈性波,利用2個接收換能器接收到信號的時間差計算波速在圍巖中的速度,分析鉆孔不同深度的波形變化,從而評估巖體的損傷程度[11]。

圖10 聲波測試原理及設(shè)備

聲波鉆孔布置于9點與3點位置,鉆孔深度2 m,由于TBM設(shè)備構(gòu)造原因,采用上傾孔,鉆孔垂直與洞軸線,傾角約30°。

在Ⅱ類圍巖段開展了2個斷面的聲波測試實驗,聲波測試位置為K228+659.00 m斷面3點鐘方位。K228+659.00 m附近發(fā)生了一次中等巖爆(Ⅱ),爆坑深度0.35 m。圖11(a)為K228+659.00 m聲波測試布置,該洞段附近分布有零星結(jié)構(gòu)面。需要注意該洞段發(fā)生了中等巖爆,聲波鉆孔布置于爆坑邊緣,破壞深度0.35 m。圖11(b)為Ⅲa類圍巖條件下聲波測試實驗,聲波測試位置為K228+753.00 m斷面。該聲波測試洞段圍巖局部結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,鉆孔布置于結(jié)構(gòu)面旁的3點位置,測控附近發(fā)生一次中等巖爆,爆坑深度約0.58 m。圖11(c)為在Ⅲb類圍巖段開展的一次聲波測試實驗,聲波測試位置為K228+812.00 m。該洞段結(jié)構(gòu)面發(fā)育,鉆孔布置于結(jié)構(gòu)面旁的3點與9點位置。

圖11 不同圍巖類別斷面鉆孔分布

表4為深埋TBM隧洞下游損傷區(qū)測試結(jié)果匯總。由表4可知,隨著圍巖類別的下降,圍巖損傷深度增加,在完整性好的Ⅱ類圍巖洞段,3點與9點位置損傷區(qū)深度為0.3 m,在巖爆深度和范圍較大區(qū)域,Ⅲa類圍巖洞損傷區(qū)為0.5 m,Ⅲb類圍巖洞段3點與9點位置損傷區(qū)深度為0.6 m。

表4 損傷區(qū)測試結(jié)果匯總

3 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)錨桿支護方案及其驗證

3.1 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)支護方案

前文詳細分析了損傷區(qū)和最大主應(yīng)力集中區(qū)域深度,并通過現(xiàn)場聲波測試進行了驗證。已有研究表明,不同圍巖類別巖爆區(qū)進行支護時,錨桿長度應(yīng)超過應(yīng)力集中區(qū)深度和松弛區(qū)深度,達到彈性區(qū),因此基于上述分析結(jié)果和已有認識建立了不同圍巖類別中等巖爆區(qū)支護方案(見表5),并對錨桿長度進行了優(yōu)化。需要說明Ⅲb圍巖類別下,其應(yīng)力集中范圍和破壞深度更大,采用錨桿支護時應(yīng)考慮相應(yīng)的錨桿排列方式,同時增加錨桿布置密度,以達到圍巖錨固效果。

表5 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)具體錨桿支護方案

3.2 不同圍巖類別中等巖爆區(qū)支護方案驗證

為進一步驗證上述不同圍巖類別中等巖爆區(qū)支護方案的可靠性,在某深埋TBM隧洞不同圍巖類別中等巖爆區(qū)域開展支護試驗驗證。圖12分別為在Ⅱ、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖中發(fā)生的巖爆,爆坑如圖所示。上述圍巖類別對應(yīng)爆坑尺寸(長×寬×深)分別為0.68 m×1.54×0.35 m、1.50 m×2.30 m×0.43 m和2.20 m×2.90 m×0.55 m,現(xiàn)場以薄片狀和厚板狀破壞為主。

圖12 不同圍巖類別中等巖爆支護措施

依據(jù)上述支護方案對上述巖爆區(qū)域進行支護,工程安全通過巖爆區(qū)。圖13為不同圍巖類別中等巖爆區(qū)域優(yōu)化前后平均日進尺。由圖13可知,Ⅱ、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖支護方案優(yōu)化后較優(yōu)化前平均日進尺分別提高19.8%、18.8%和30.6%,這表明該錨桿支護方案完全滿足現(xiàn)場支護要求,并有效提高現(xiàn)場施工效率。

圖13 不同圍巖類別中等巖爆段優(yōu)化前后平均日進尺

4 結(jié) 論

本文對深埋TBM隧洞不同圍巖類別中等巖爆區(qū)域破壞特征開展了分析,基于數(shù)值計算和聲波測試結(jié)果建立了不同圍巖類別下中等巖爆區(qū)支護方案,分析方案優(yōu)化后中等巖爆區(qū)平均日進尺,驗證了該支護方案的可靠性,得到以下結(jié)論:

(1) 不同圍巖類別下中等巖爆破壞深度和范圍有顯著區(qū)別,Ⅲb類圍巖中等巖爆平均深度為0.58 m,Ⅲa類圍巖中等巖爆平均深度為0.45 m,Ⅱ類圍巖中等巖爆深度為0.32 m,需建立區(qū)分圍巖等級的中等巖爆區(qū)防控支護方案。

(2) 隨著圍巖類別的降低,中等巖爆區(qū)域損傷區(qū)深度逐漸加深,其中Ⅲb類圍巖損傷區(qū)深度及破壞范圍相較于Ⅱ類和Ⅲa類圍巖更大,同時,數(shù)值計算計算結(jié)果與現(xiàn)場聲波測試損傷深度具有較好的一致性。

(3) 錨桿應(yīng)力計測試結(jié)果以及優(yōu)化前后平均日進尺表明,Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb類圍巖中等巖爆區(qū)掘進效率分別提高了19.8%、18.8%和30.6%。研究成果可為相同或相近TBM隧洞工程不同圍巖類別中等巖爆段支護提供參考依據(jù)。