基于彈性應變能的深埋硬脆圍巖隧道巖爆防治措施探究

馬志國, 張佳瑞

(1. 四川川交路橋有限責任公司,四川廣漢 618300; 2.四川樂漢高速有限責任公司, 四川樂山 614000)

0 引言

隨著我國隧道建設需求日益增長,將面臨許多超大埋深隧道建設難題,當隧道埋深超過千米后圍巖中高地應力問題十分顯著。巖體中的高地應力引起的巖爆問題將嚴重影響到正常的隧道施工,因此采取一定的高地應力巖爆防治措施研究在隧道建設中非常有必要。

軒俊杰等[1]通過數值模擬手段模擬了開挖對隧道圍巖彈性應變能的影響效果,對巖爆風險進行了預測。田青峰等[2]建立了隧道不同巖層的對比工況,從應變能的聚積和卸載以及隧道應力的變化趨勢分析巖爆的風險。李忠等[3]分析研究了九華山隧道開挖應力變化情況,表明在距離開挖面一倍洞徑范圍內巖爆問題較為集中。羅春等[4]研究了高地應力下合修與分修對隧道巖爆的影響,其中在掌子面合適位置處設置超前應力釋放孔能有效降低巖爆的風險。謝和平等[5-7]通過研究能量耗散的演變過程,發現了彈性應變能的劇烈釋放是引起巖爆的重要原因。陳衛忠等[8]研究了地下工程開挖卸荷的特點,發現卸載速率越快發生巖爆可能性越大。于洋等[9]對不同開挖方式下能量演變過程進行了研究,揭示了巖爆的孕育過程。

綜上所述,現階段針對巖爆機制的研究主要基于圍巖能量演變過程和開挖能量變化,對應變能卸載和巖爆防治措施的相關研究較少。本文依托大峽谷高地應力隧道,結合有限元軟件MIDAS和有限差分軟件FLAC3D,模擬了隧道開挖以及超前應力釋放的全過程,研究了在有無超前應力釋放孔下掌子面開挖前后圍巖彈性應變能的分布規律,證明了施作超前應力釋放孔可作為高地應力硬脆圍巖隧道巖爆防治的有效手段。

1 工程概況

大峽谷隧道進口位于樂山市金口河區文店村,出口位于烏斯河鎮對面涼山自治州甘洛縣烏史大橋鄉爾苦灘村,隧道穿越大渡河右岸貝母山山體,隧道全長約12.1 km,隧道左線ZK74+940～ZK87+045,右線K74+884～K87+030,隧道最大埋深達到1 944 m,是目前世界埋深最大的高速公路隧道。隧道周圍區域的海拔超過了3 km,出口處的大渡河是最低點,約657 m,最大高差達到了2 500 m,整體隧道地貌屬于高山峽谷狀。隧道斷面如圖1所示。

圖1 隧道斷面示意(單位:cm)

根據巖石的強度、破碎程度等將大峽谷隧道圍巖劃分為Ⅲ～Ⅴ級圍巖,隧道洞身主要為Ⅲ、Ⅳ級圍巖,以巖性單一,巖質硬脆的微風化白云巖為主,在高地應力硬脆圍巖環境下,隧道發生巖爆的風險性很高,據現場調研,隧道常發生掌子面巖塊剝離的弱巖爆現象。

2 模型建立

利用MIDAS軟件根據隧道實際尺寸進行三維建模,采用FLAC3D有限差分軟件,對隧道開挖過程模擬,探究隧道周圍彈性應變能的演變過程,為高地應力巖爆防治措施提供參考依據。

2.1 數值模型

隧道開挖的影響范圍取3～5倍洞徑,建立的模型區域大小如圖2所示,模型共計232 518個節點,220 600個單元,計算參數取值見表1。

表1 計算參數取值

圖2 數值計算模型

為模擬實際的開挖效果,應考慮超前應力釋放孔對圍巖能量的卸載作用產生的圍巖弱化效應,對應減小數值模擬中的彈性模量取值。隧道的高度h取8.64 m,跨度B為12.24 m,初支采用shell單元模擬,每次開挖循環取2 m,兩次開挖循環后進行一次支護。保持其它條件相同,通過比較超前應力釋放孔開挖前后隧道彈性應變能的變化,進而分析應變能對巖爆的影響程度。

2.2 超前應力釋放孔鉆孔布置

采用合適的巖爆防治措施,將有效降低隧道開挖巖爆的風險。超前應力釋放孔可對掌子面前方巖體進行卸載作用,減少應力集中程度,因此采用此措施對大峽谷高地應力隧道巖爆防治進行研究。根據測試得到的大峽谷隧道地應力在掌子面分布情況,本次模擬采用φ108 mm的超前應力釋放孔鉆孔進行能量釋放計算,在隧道縱向y=10 m處沿掌子面環向對稱布置10個應力釋放孔,長度設置30 m,如圖3所示。

圖3 超前應力釋放孔布置

2.3 監測點布置

為了分析隧道開挖過程對圍巖應變能的影響情況,在隧道縱線y=10 m斷面處設置監測點,用以記錄開挖過程中圍巖的應力變化趨勢,采用對稱方式環向布置4個關鍵位置測點,測點的位置如圖4所示。

圖4 監測點布置

3 數值結果分析

隧道開挖會造成巖體的應力重分布,應力的重新分布將影響到圍巖能量的變化,主要過程是應變能的聚積和釋放,其中應變能的表達公式見式(1)。

(1)

3.1 無應力釋放孔下彈性應變能分布規律

利用FLAC3D進行開挖數值計算,計算結束后,利用Fish語言將計算結果顯示為彈性應變能云圖,圍巖的能量集中情況如圖5所示。由于隧道和圍巖是對稱建模,因此取模型半跨進行研究,已開挖區域彈性應變能主要集中在拱頂和墻角處。由于支護結構的限制作用,導致環向圍巖的應變能較小,又由于開挖卸荷作用,導致掌子面處和靠近掌子面的環向區域的應變能有較大的躍遷。為了研究巖爆防治措施對掌子面開挖過程的影響規律,采用超前應力釋放孔防治措施,對上述位置的應變能變化進行重點研究。

圖5 掌子面附近彈性應變能云圖

從圖5可以看出,已開挖區域拱頂和墻角的應變能積聚較多,容易到達巖體破壞的極限狀態,巖爆風險高。在彈性應變能積累的過程中,巖體不斷劣化,從而使得拱頂的應變能更容易釋放。墻角區域在開挖后應變能有一定的增長,但因為支護的限制作用和空間的分布位置,墻角的巖爆風險遠小于拱頂區域。故在開挖巖體中拱頂區域的巖爆風險性最高。

通過監測點記錄的應變力可計算得到對應的彈性應變能,繪制出開挖步數與應變能的變化曲線,如圖6所示。距離監測點設置面一半隧道跨度時,開挖產生的圍巖彈性應變能開始大幅增長,且在監測點所在斷面開挖的一瞬間能量迅速釋放。隨著開挖卸荷后應力重分布,圍巖彈性應變能又逐漸增長,應變能的變化趨勢主要與開挖對圍巖產生的形變所做的功有關。

圖6 y=10m處彈性應變能變化趨勢

從上述變化情況可以看出,開挖瞬間形變做的負功占主導作用。從圖6拱頂和拱肩的應變能變化可以看出,彈性應變能隨開挖不斷增長,超過了開挖之前的應變能,且拱頂的應變能得到了大幅增長;而邊墻和拱肩開挖之后應變能衰減明顯,無法達到開挖之前的應變能。因此,在開挖之后拱頂應變能不斷聚集,同時拱頂和拱肩處的應變能相差較大,從圖6可以看出,容易形成一個應變能的突變區域,使得拱頂巖爆的風險性更為突出。

3.2 在應力釋放孔下彈性應變能分布規律

由圖7(a)可知,掌子面彈性應變能主要集中于拱肩與拱腰范圍,最高應變能達到50 kJ。如圖7(b)所示,超前應力釋放孔開挖之后,掌子面應變能集中程度明顯降低,主要分布于掌子面拱腰、邊墻以及應力釋放孔周圍,最大彈性應變能為40.26 kJ,相較應力釋放前降低了19.48%。因此,隧道開挖前采取超前應力釋放孔措施,能有效降低掌子面能量集中情況,減小巖爆風險。

圖7 彈性應變能分布

4 結論

本文以大峽谷高地應力隧道為工程背景,結合有限元軟件MIDAS和有限差分軟件FLAC3D,建立了三維數值計算模型,模擬了隧道開挖全過程,研究了在有無超前應力釋放孔下掌子面開挖前后圍巖彈性應變能的分布規律,研究結果:

(1)隧道開挖后拱頂位置的應變能積聚程度高,巖體相較于墻角劣化程度更高,拱頂與拱肩之間形成能量突變區域,發生巖爆的風險性也更高。

(2)超前應力釋放孔鉆孔施工之后,掌子面最大應變能降低了19.48%,能有效降低掌子面的能量集中情況,降低巖爆風險。

(3)高地應力巖爆地層中應結合施工階段的巖爆預測,采用超前應力釋放孔解除、圍巖松動爆破和振動爆破等措施,使巖體應力降低,在開挖之前釋放能量,減小巖爆風險。