高地应力隧道开挖岩爆预测研究.docx

? ? 高地应力隧道开挖岩爆预测研究 ? ? 谢锦华 （中交路桥华南工程有限公司，广东 中山 528400） 引言 在隧道掘进的开挖卸荷作用下，围岩内储存的能量急剧释放，致使岩体出现突然脱离围岩，并有声音和弹射等现象，这种现象被称为岩爆[1]。岩爆特征主要表现为突然性、猛烈性。一旦发生岩爆，大量块石会以极高的速度从开挖岩面向四周围弹射而出或者爆裂成散状碎石后再放射性地飞出，具有非常严重的安全隐患；岩爆特点是危害大、突发性等，直接表现为对施工人员与机械设备构成较大的安全威胁，间接表现为耽误工期及造成较大经济损失[2-3]。对于应对岩爆，就目前的技术水平一般出于安全考虑采用常规的台阶法开挖，逐步释放应力，并加强锚杆和钢筋网的防护强度。虽然在很大程度上减少应力集中爆发的可能，提高了隧道施工的安全性，但大都是出现岩爆后再根据岩爆的强烈程度来分类处治。因此，山岭重丘处深埋高地应力隧道开挖围岩的岩爆灾害监测预警研究成为亟待解决的重大课题。 总体而言，岩爆解决方式应以“以防为主，防控结合”为主要的指导思想。从目前国内外发生的岩爆实例分析看，若能精准的预测岩爆发生的位置和烈度，根据现有的技术水平以及防护手段确实可以有效的降低岩爆产生的危害。但是一旦预测的岩爆位置和烈度发生了较大的偏差，极有可能导致出现更严重的机械损毁和人员伤亡情况，严重时对施工进度的影响和施工成本的增加更加无法估量。一言蔽之，岩爆的准确程度很大程度决定了岩爆的防治效果。 为此，开展系统性的岩爆研究，探索更精确的岩爆预测方法和理论模型，对提高岩爆防控技术水平具有重要理论价值和实际意义[4-5]。 重阳2 号隧道位于安徽省池州市石台县境内。隧道右线起点桩号K31+414，终点桩号K36+278，长度4 864 m，最大埋深约646 m; 隧道左线起点桩号ZK31+397，终点桩号ZK36+252，长度4 855 m，最大埋深约650 m，地应力极高。隧道地层岩性主要为少量黏土和碎石土、大部分为强～中风化灰岩、全～强～中风化砂岩和花岗岩等，隧道洞身发育多条断层破碎带分析重阳2#隧道地质详细勘探资料可以发现该隧道的埋深较大，最大埋深达到650 m。K33+100～K35+090（ZK33+340～ZK35+070）段长达2 km 均位于高应力区和极高应力区，而且隧道围岩为强度较高的花岗岩，因此隧道开挖过程中易产生岩爆或者大变形。如果无法较为准确判断岩爆发生的可能性，该段均采用台阶法施工势必造成工程费用的大量增加，同时也会降低施工速度。因此非常有必要根据不同断面的岩性特征及地应力水平对岩爆的发生及其施工对策进行提前预测。 1 数值模型 重阳2 号隧道断面形状为马蹄形。在FLAC3D 有限元程序内建立了尺寸为的50 m×50 m×30 m 的计算模型，考虑巷道分8 步开挖的情况，每步开挖进尺为3.0 m。模型的底部边界为固定位移约束，左右侧面、前后侧面和上表面施加一定的面压力荷载，荷载的大小取决于实际的地应力水平。模型的边界条件及网格划分情况见图1。岩体的变形破坏严格遵循莫尔-库仑准则，各项参数见表1。 图1 隧道开挖过程数值模型 表1 岩体参数表 计算中取埋深最大处的最大水平地应力为11.45*650/450=16.53 MPa， 最小水平主应力为8.85*650/450=12.78 MPa，垂直主应力650*2.66=17.29 MPa。从偏于安全角度考虑模型中设置最大水平应力与隧道轴线垂直。 2 结果分析 2.1 监测点应力随开挖步骤的变化 选取隧道第3 步开挖截面顶部单元A、边墙单元B、底部单元C、岩体内部右侧单元E 和顶部单元D 作为观测点，分别提取了三个方向的应力随开挖面推进的变化，结果见图2、图3。从图2 中可以看出，无论是隧道顶部还是隧道侧面，当观测点远离开挖断面时，整个开挖过程中观测点上三个方向上的应力受开挖影响较小，基本处于初始地应力状态。这说明围岩深部基本不受开挖的影响。 图2 远离隧道断面位置的围岩应力随推进的变化曲线 从监测点结果可以知道，开挖面与观测面相对距离较远，观测点A、B、C 都处于初始地应力状态；随着隧道掌子面开挖逐步向前方掘进，当开挖面前方与观测面相对距离约为3m 时，A、B、C、D、E 观测点的应力均出现了不同程度的变化。具体表现为隧道的顶部D观测点和底部C 观测点处岩体的切向应力逐渐增大，径向应力逐渐减小至0，轴向应力在开挖卸荷作用下出现了一定的波动并最终基本保持不变；巷道壁边墙岩体的三向应力均产生不同程度的减小，其中径向应力的减小幅度远大于切向应力的减小幅度。当开挖面后方距离超过观测面3～5 m 时，巷道围岩的应力状态经过调整后再次趋于稳定。 从图3 中可以看出，随着隧道开挖面逐步推进，开挖围岩顶部岩体单元A、侧帮中部岩体单元B 和底部