基于弹性应变能的深埋硬脆围岩隧道岩爆防治措施探究

马志国, 张佳瑞

(1. 四川川交路桥有限责任公司,四川广汉 618300; 2.四川乐汉高速有限责任公司, 四川乐山 614000)

0 引言

随着我国隧道建设需求日益增长,将面临许多超大埋深隧道建设难题,当隧道埋深超过千米后围岩中高地应力问题十分显著。岩体中的高地应力引起的岩爆问题将严重影响到正常的隧道施工,因此采取一定的高地应力岩爆防治措施研究在隧道建设中非常有必要。

轩俊杰等[1]通过数值模拟手段模拟了开挖对隧道围岩弹性应变能的影响效果,对岩爆风险进行了预测。田青峰等[2]建立了隧道不同岩层的对比工况,从应变能的聚积和卸载以及隧道应力的变化趋势分析岩爆的风险。李忠等[3]分析研究了九华山隧道开挖应力变化情况,表明在距离开挖面一倍洞径范围内岩爆问题较为集中。罗春等[4]研究了高地应力下合修与分修对隧道岩爆的影响,其中在掌子面合适位置处设置超前应力释放孔能有效降低岩爆的风险。谢和平等[5-7]通过研究能量耗散的演变过程,发现了弹性应变能的剧烈释放是引起岩爆的重要原因。陈卫忠等[8]研究了地下工程开挖卸荷的特点,发现卸载速率越快发生岩爆可能性越大。于洋等[9]对不同开挖方式下能量演变过程进行了研究,揭示了岩爆的孕育过程。

综上所述,现阶段针对岩爆机制的研究主要基于围岩能量演变过程和开挖能量变化,对应变能卸载和岩爆防治措施的相关研究较少。本文依托大峡谷高地应力隧道,结合有限元软件MIDAS和有限差分软件FLAC3D,模拟了隧道开挖以及超前应力释放的全过程,研究了在有无超前应力释放孔下掌子面开挖前后围岩弹性应变能的分布规律,证明了施作超前应力释放孔可作为高地应力硬脆围岩隧道岩爆防治的有效手段。

1 工程概况

大峡谷隧道进口位于乐山市金口河区文店村,出口位于乌斯河镇对面凉山自治州甘洛县乌史大桥乡尔苦滩村,隧道穿越大渡河右岸贝母山山体,隧道全长约12.1 km,隧道左线ZK74+940～ZK87+045,右线K74+884～K87+030,隧道最大埋深达到1 944 m,是目前世界埋深最大的高速公路隧道。隧道周围区域的海拔超过了3 km,出口处的大渡河是最低点,约657 m,最大高差达到了2 500 m,整体隧道地貌属于高山峡谷状。隧道断面如图1所示。

图1 隧道断面示意(单位:cm)

根据岩石的强度、破碎程度等将大峡谷隧道围岩划分为Ⅲ～Ⅴ级围岩,隧道洞身主要为Ⅲ、Ⅳ级围岩,以岩性单一,岩质硬脆的微风化白云岩为主,在高地应力硬脆围岩环境下,隧道发生岩爆的风险性很高,据现场调研,隧道常发生掌子面岩块剥离的弱岩爆现象。

2 模型建立

利用MIDAS软件根据隧道实际尺寸进行三维建模,采用FLAC3D有限差分软件,对隧道开挖过程模拟,探究隧道周围弹性应变能的演变过程,为高地应力岩爆防治措施提供参考依据。

2.1 数值模型

隧道开挖的影响范围取3～5倍洞径,建立的模型区域大小如图2所示,模型共计232 518个节点,220 600个单元,计算参数取值见表1。

表1 计算参数取值

图2 数值计算模型

为模拟实际的开挖效果,应考虑超前应力释放孔对围岩能量的卸载作用产生的围岩弱化效应,对应减小数值模拟中的弹性模量取值。隧道的高度h取8.64 m,跨度B为12.24 m,初支采用shell单元模拟,每次开挖循环取2 m,两次开挖循环后进行一次支护。保持其它条件相同,通过比较超前应力释放孔开挖前后隧道弹性应变能的变化,进而分析应变能对岩爆的影响程度。

2.2 超前应力释放孔钻孔布置

采用合适的岩爆防治措施,将有效降低隧道开挖岩爆的风险。超前应力释放孔可对掌子面前方岩体进行卸载作用,减少应力集中程度,因此采用此措施对大峡谷高地应力隧道岩爆防治进行研究。根据测试得到的大峡谷隧道地应力在掌子面分布情况,本次模拟采用φ108 mm的超前应力释放孔钻孔进行能量释放计算,在隧道纵向y=10 m处沿掌子面环向对称布置10个应力释放孔,长度设置30 m,如图3所示。

图3 超前应力释放孔布置

2.3 监测点布置

为了分析隧道开挖过程对围岩应变能的影响情况,在隧道纵线y=10 m断面处设置监测点,用以记录开挖过程中围岩的应力变化趋势,采用对称方式环向布置4个关键位置测点,测点的位置如图4所示。

图4 监测点布置

3 数值结果分析

隧道开挖会造成岩体的应力重分布,应力的重新分布将影响到围岩能量的变化,主要过程是应变能的聚积和释放,其中应变能的表达公式见式(1)。

(1)

3.1 无应力释放孔下弹性应变能分布规律

利用FLAC3D进行开挖数值计算,计算结束后,利用Fish语言将计算结果显示为弹性应变能云图,围岩的能量集中情况如图5所示。由于隧道和围岩是对称建模,因此取模型半跨进行研究,已开挖区域弹性应变能主要集中在拱顶和墙角处。由于支护结构的限制作用,导致环向围岩的应变能较小,又由于开挖卸荷作用,导致掌子面处和靠近掌子面的环向区域的应变能有较大的跃迁。为了研究岩爆防治措施对掌子面开挖过程的影响规律,采用超前应力释放孔防治措施,对上述位置的应变能变化进行重点研究。

图5 掌子面附近弹性应变能云图

从图5可以看出,已开挖区域拱顶和墙角的应变能积聚较多,容易到达岩体破坏的极限状态,岩爆风险高。在弹性应变能积累的过程中,岩体不断劣化,从而使得拱顶的应变能更容易释放。墙角区域在开挖后应变能有一定的增长,但因为支护的限制作用和空间的分布位置,墙角的岩爆风险远小于拱顶区域。故在开挖岩体中拱顶区域的岩爆风险性最高。

通过监测点记录的应变力可计算得到对应的弹性应变能,绘制出开挖步数与应变能的变化曲线,如图6所示。距离监测点设置面一半隧道跨度时,开挖产生的围岩弹性应变能开始大幅增长,且在监测点所在断面开挖的一瞬间能量迅速释放。随着开挖卸荷后应力重分布,围岩弹性应变能又逐渐增长,应变能的变化趋势主要与开挖对围岩产生的形变所做的功有关。

图6 y=10m处弹性应变能变化趋势

从上述变化情况可以看出,开挖瞬间形变做的负功占主导作用。从图6拱顶和拱肩的应变能变化可以看出,弹性应变能随开挖不断增长,超过了开挖之前的应变能,且拱顶的应变能得到了大幅增长;而边墙和拱肩开挖之后应变能衰减明显,无法达到开挖之前的应变能。因此,在开挖之后拱顶应变能不断聚集,同时拱顶和拱肩处的应变能相差较大,从图6可以看出,容易形成一个应变能的突变区域,使得拱顶岩爆的风险性更为突出。

3.2 在应力释放孔下弹性应变能分布规律

由图7(a)可知,掌子面弹性应变能主要集中于拱肩与拱腰范围,最高应变能达到50 kJ。如图7(b)所示,超前应力释放孔开挖之后,掌子面应变能集中程度明显降低,主要分布于掌子面拱腰、边墙以及应力释放孔周围,最大弹性应变能为40.26 kJ,相较应力释放前降低了19.48%。因此,隧道开挖前采取超前应力释放孔措施,能有效降低掌子面能量集中情况,减小岩爆风险。

图7 弹性应变能分布

4 结论

本文以大峡谷高地应力隧道为工程背景,结合有限元软件MIDAS和有限差分软件FLAC3D,建立了三维数值计算模型,模拟了隧道开挖全过程,研究了在有无超前应力释放孔下掌子面开挖前后围岩弹性应变能的分布规律,研究结果:

(1)隧道开挖后拱顶位置的应变能积聚程度高,岩体相较于墙角劣化程度更高,拱顶与拱肩之间形成能量突变区域,发生岩爆的风险性也更高。

(2)超前应力释放孔钻孔施工之后,掌子面最大应变能降低了19.48%,能有效降低掌子面的能量集中情况,降低岩爆风险。

(3)高地应力岩爆地层中应结合施工阶段的岩爆预测,采用超前应力释放孔解除、围岩松动爆破和振动爆破等措施,使岩体应力降低,在开挖之前释放能量,减小岩爆风险。