某深埋TBM引水隧洞不同圍巖條件下巖爆破壞特征及支護方案研究

郭新強, 張 宇, 張 偉, 肖逸飛, 陳 誠

(1. 新疆水利發展投資(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、彈射的動力現象,具有很強的突發性、隨機性和危害性[1-4]。隨著中國“一帶一路”、“南水北調”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。隨著埋深和地應力水平的增加,開挖引起的巖爆災害頻次更高、造成的經濟損失更加嚴重,給相關的深埋地下工程施工帶來了前所未有的挑戰。開展巖爆防控與設計研究,對于保障深埋隧洞安全、經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的解決辦法。錦屏二級水電站引水隧洞掘進期間巖爆頻發,嚴重威脅現場施工人員的安全,馮夏庭等[5]基于現場微震監測信息和現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,建議采用超前應力解除、鉆孔應力釋放以及噴灑水等措施降低巖爆風險,對于巖爆區域建議采用預應力錨桿等被動防護措施。李桂林等[7]通過統計巖爆的宏觀滯后破壞特征、形成方位與擴展情況,結合微震監測與圍巖松弛程度,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節,相關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,基于圍巖損傷區測試的錨桿設計方法對現場巖爆防控支護設計起到重要作用。1970年開始,董方庭[11]等開展開挖損傷區(Excavation Damage Zone, EDZ)測試工作,并將松動圈用于表征圍巖中發展的破裂區,提出了以松動圈深度為依據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場監測研究,陳炳瑞等[12]在錦屏二級水電站深埋引水隧洞開展TBM施工過程中聲發射監測試驗,研究了開挖過程中圍巖損傷的演化規律,為建立現場支護方案提供了數據支持,Cai[13]等基于微震監測的裂紋分布和密度等參數,研究了圍巖開挖損傷程度,研究成果能夠有效指導現場施工及支護;李奧[14]、劉寧[15]、Martin[16]等人采用微震監測、聲發射、地質雷達、聲波探測、鉆孔攝像等技術手段分別對地下洞室、隧道和巷道圍巖EDZ進行了監測測試,評估其范圍和損傷程度,并提出了相應的圍巖支護意見。上述分析表明,雖然當前已建立了區分巖爆等級的圍巖防控設計方法,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破壞特征,采用數值模擬及聲波測試分析不同圍巖類別中等巖爆區的應力及損傷特征,建立區分圍巖條件的中等巖爆區防控支護方案,并進行了驗證,為類似工程的支護設計提供參考。

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。地應力測試表明,地應力以最大水平主應力為主,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場地應力測試結果表明,隧洞自地表150～720 m深度內,最大水平主應力6.6～36.0 MPa,最小水平主應力5.7～22.8 MPa,隧洞圍巖應力以水平應力為主,最大主應力方向N23°E,與隧洞洞軸線夾角約34°～65°,隧洞地應力環境可整體近似為σH>σV>σh。

迄今為止,該隧洞下游掘進期間巖爆頻發,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濟損失,因此,有必要開展中等巖爆段防控設計方案研究。

2 不同圍巖類別中等巖爆區破壞特征

2.1 不同圍巖類別中等巖爆區破壞特征

某深埋TBM隧洞開挖期間圍巖完整性整體較好,巖爆發生區域主要為Ⅱ、Ⅲ類圍巖,掘進期間,不同圍巖類別區域巖爆破壞特征呈現顯著區別,巖爆等級根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》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;強烈巖爆爆坑深度為1～3 m。

Ⅱ類圍巖中等巖爆及其地質特征如圖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,爆坑內壁粗糙,無結構面揭露,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,現場采用鋼拱架支護。

圖1 Ⅱ類圍巖中等巖爆及其地質特征

Ⅲa類圍巖中等巖爆及其地質特征如圖2所示。K230.00+377.00 m～K230.00+380.00 m洞段11點～1點附近發生中等巖爆,爆坑深度0.5 m,規模為3.5 m×2.5 m×0.5 m(長×寬×深),爆坑附近發育2條結構面,其一產狀為340°∠65°,含白色鈣質薄膜充填,充填厚度為1～3 mm,其二產狀為 340°∠50°,含白色鈣質薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,爆坑內部呈片狀、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場采用鋼拱架支護。

圖2 Ⅲa類圍巖中等巖爆及其地質特征

Ⅲb類圍巖中等巖爆及其地質特征如圖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),爆坑附近發育3條結構面,結構面1產狀為170°∠80°,含白色鈣質薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,結構面2產狀為N150°E∠90°,含白色鈣質薄膜充填,充填厚度為1～2 mm,結構面3產狀為N150°E∠90°,銹蝕充填,充填厚度為1～2 mm,爆坑內部呈片狀、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?，F場采用鋼拱架支護。

統計分析了不同圍巖類別下中等巖爆區爆坑深度(見圖4)。由圖4可知,Ⅲb類圍巖巖爆區域破壞深度最深,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。結合上述分析與更多巖爆案例,無結構面時,爆坑多為“V”型或淺窩狀,爆坑深度相對較低。當存在結構面時,由于巖體強度有所降低,爆坑深度增加,爆坑多為“V”型或不規則形狀?；谏鲜稣J識,不同圍巖類別與結構面條件下中等巖爆區域破壞特征有顯著區別,因此有必要針對不同圍巖類別下中等巖爆區開展支護方案研究。

圖4 不同圍巖類別下中等巖爆區爆坑深度

2.2 數值計算

為分析深埋隧洞TBM開挖情況下不同圍巖類別中等巖爆區的應力及損傷特征,利用馮夏庭等[17-18]研發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域開展數值計算,分析了不同圍巖類別應力分布特征及損傷區范圍。由于巖爆主要發生在Ⅱ類、Ⅲa類以及Ⅲb類,因此本文不對Ⅳ類和Ⅴ類圍巖開展數值計算研究。

根據現場地質條件,采用笛卡爾坐標系,建立數值計算模型。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。通過室內真三軸巖石力學試驗獲取了硬巖三維破壞準則相關參數(黏聚力c、內摩擦角φ、材料參數s和t),不同圍巖類別基本力學參數如表1所示。通過坐標轉換計算得新坐標系下地應力分量值(見表2),數值計算采用深部工程硬巖三維非線性破壞準則[19]和應力誘導各向異性脆延破壞力學模型[20]。

表2 數值模型初始地應力狀態

(1) 損傷區分析

分別計算了Ⅱ類、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖開挖后隧洞圍巖塑性區分布,用以分析不同類別圍巖損傷區分布特征,如圖6所示。塑性區主要分布于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點塑性區深度分別為0.6、0.6 m及 1.5 m?；谏鲜鰯抵的M結果,不同圍巖類別不同斷面位置的塑性區深度如表3所示。

表3 不同位置圍巖塑性區

圖6 不同圍巖類別塑性區計算結果

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

(2) 應力場計算結果

圖7為隧洞不同圍巖類別開挖后最大主應力分布云圖。圖8為現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力。

圖7 不同圍巖類別最大主應力分布

圖8 現場破壞分布

圖9 11點位置與隧道表面不同距離的最大主應力

由圖6～9可知,隧洞開挖后最大主應力主要集中在9點半～12點鐘和3點半～6點鐘方位,與塑性區及現場破壞位置相對應;Ⅱ類圍巖、Ⅲa類圍巖和Ⅲb類圍巖最大主應力分別為63.9、60.9 MPa和56.7 MPa,即隨著圍巖質量逐漸降低,應力集中程度降低;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,即隨著圍巖質量降低,最大主應力分布位置逐漸遠離隧洞圍巖表面,應力向圍巖內部轉移;從最大主應力分布范圍來看,Ⅲb圍巖最大主應力最小,但集中范圍最大,表明Ⅲb圍巖中破壞分布范圍更大。

2.3 損傷區測試及結果分析

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定性,開挖損傷區也是確定圍巖支護參數尤其是錨桿支護參數的重要依據。為進一步驗證數值模擬結果,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測試。單孔聲波測試原理圖及設備如圖10所示。通過發射換能器發出彈性波,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設備構造原因,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構面。需要注意該洞段發生了中等巖爆,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構面較發育,鉆孔布置于結構面旁的3點位置,測控附近發生一次中等巖爆,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。該洞段結構面發育,鉆孔布置于結構面旁的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隧洞下游損傷區測試結果匯總。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點位置損傷區深度為0.3 m,在巖爆深度和范圍較大區域,Ⅲa類圍巖洞損傷區為0.5 m,Ⅲb類圍巖洞段3點與9點位置損傷區深度為0.6 m。

表4 損傷區測試結果匯總

3 不同圍巖類別中等巖爆區錨桿支護方案及其驗證

3.1 不同圍巖類別中等巖爆區支護方案

前文詳細分析了損傷區和最大主應力集中區域深度,并通過現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進行支護時,錨桿長度應超過應力集中區深度和松弛區深度,達到彈性區,因此基于上述分析結果和已有認識建立了不同圍巖類別中等巖爆區支護方案(見表5),并對錨桿長度進行了優化。需要說明Ⅲb圍巖類別下,其應力集中范圍和破壞深度更大,采用錨桿支護時應考慮相應的錨桿排列方式,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具體錨桿支護方案

3.2 不同圍巖類別中等巖爆區支護方案驗證

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類圍巖中發生的巖爆,爆坑如圖所示。上述圍巖類別對應爆坑尺寸(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

依據上述支護方案對上述巖爆區域進行支護,工程安全通過巖爆區。圖13為不同圍巖類別中等巖爆區域優化前后平均日進尺。由圖13可知,Ⅱ、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖支護方案優化后較優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場支護要求,并有效提高現場施工效率。

圖13 不同圍巖類別中等巖爆段優化前后平均日進尺

4 結 論

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

(1) 不同圍巖類別下中等巖爆破壞深度和范圍有顯著區別,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,需建立區分圍巖等級的中等巖爆區防控支護方案。

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

(3) 錨桿應力計測試結果以及優化前后平均日進尺表明,Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb類圍巖中等巖爆區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。