深埋隧洞圍巖應(yīng)力分析及巖爆預(yù)測

劉建忠

(內(nèi)蒙古高等級(jí)公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050)

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施投入的不斷增加，大量的地下工程開工建設(shè)，地下洞室圍巖穩(wěn)定性問題越來越為人們所關(guān)注。而隧洞開挖過程中出現(xiàn)的巖爆災(zāi)害更是很大程度上影響著圍巖的穩(wěn)定性，巖爆不僅嚴(yán)重威脅施工人員及設(shè)備的安全、影響施工進(jìn)度，而且還會(huì)造成超挖、初期支護(hù)失效等問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)誘發(fā)地震。已經(jīng)成為硬巖隧道勘測設(shè)計(jì)及施工組織中必須考慮的重要問題之一，并受到各國相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注［1］。

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河源流葉爾羌河主要支流之一的塔什庫爾干河中下游。其引水發(fā)電洞全長4 637 m，直墻拱形斷面為隧洞主要斷面形式。圍巖巖性主要以片麻狀黑云斜長花崗巖為主，新鮮完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬。隧洞高程約為2 899 m，洞頂圍巖厚度100 m～1 380 m。

引水發(fā)電洞施工過程中的巖爆問題很大程度上影響了圍巖的穩(wěn)定性，對(duì)人員和施工機(jī)械的安全構(gòu)成了威脅，一定程度上影響了施工進(jìn)度。為此，本文采用有限元理論，數(shù)值模擬分析了直墻拱形斷面隧洞在相同側(cè)壓系數(shù)、不同埋深工況下的圍巖應(yīng)力，得到了圍巖應(yīng)力隨埋深的一系列變化規(guī)律，并采用Russense巖爆判據(jù)初步判別了巖爆可能性，得出了巖爆可能發(fā)生的部位。所得結(jié)論對(duì)隧洞工程的設(shè)計(jì)和施工過程中圍巖巖爆的防治具有一定的指導(dǎo)作用。

1 巖爆及其判據(jù)

巖爆是地下工程開挖過程中，堅(jiān)硬、脆性圍巖在高應(yīng)力條件下，因開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性的急劇釋放，而產(chǎn)生的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)、破壞性的地質(zhì)災(zāi)害［2］。

近幾十年，在施工現(xiàn)場探測和理論相結(jié)合的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種巖爆判別指標(biāo)，形成了不同的巖爆判別方法。本文以具有代表性的Russense巖爆判別法作為計(jì)算分析中巖爆現(xiàn)象是否出現(xiàn)的依據(jù)。其判別關(guān)系為［3，4］:

其中，sθ為洞室的最大切向應(yīng)力;RC為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)合工程實(shí)際，此處取150 MPa。

2 有限元模型

下坂地引水發(fā)電洞中，直墻拱形斷面的尺寸如圖1所示。

由圣維南原理可知，隧道開挖影響范圍為距離隧道中心3倍～5倍的開挖寬度。因此，本文有限元模型取70 m×70 m。隧洞上埋圍巖厚度參考設(shè)計(jì)院及施工單位提供的資料而定。水平構(gòu)造應(yīng)力根據(jù)巖石力學(xué)理論中的側(cè)壓系數(shù)給定。模型底部邊界施加兩向約束，上部施加自重應(yīng)力，兩側(cè)邊界施加等值水平構(gòu)造應(yīng)力。有限元分析按平面應(yīng)變問題建立二維模型，圍巖采用實(shí)體單元Plane42模擬，有限元模型如圖2所示。

根據(jù)引水洞具體埋深情況，針對(duì)200 m～1 200 m六種埋深下的圍巖應(yīng)力分布情況，分別進(jìn)行了有限元模擬。數(shù)值分析中，圍巖側(cè)壓系數(shù)根據(jù)金尼克彈性理論取值，具體表達(dá)式為:m/(1－m)。有限元模型中的圍巖參數(shù)見表1。

表1 圍巖參數(shù)表

3 數(shù)值結(jié)果與討論

圖3～圖5給出了1 200 m埋深時(shí)隧洞主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力、隧洞洞周切向應(yīng)力的分布云圖。由圖3可知，隧洞主拉應(yīng)力峰值位于隧洞底部，約22.0 MPa，隧洞頂部拉應(yīng)力峰值約為15.3 MPa，隧洞直墻段中部亦出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。圖4給出了隧洞主壓應(yīng)力云圖，主壓應(yīng)力峰值位于拱墻與直墻段相接處及其附近，約為103 MPa。由圖5可知，隧洞洞周切向應(yīng)力峰值約為97.4 MPa，峰值位置位于拱墻與直墻段相接處及其附近。

圖1 直墻拱形斷面引水洞

圖2 有限元模型

圖3 主拉應(yīng)力云圖

圖4 主壓應(yīng)力云圖

圖5 洞周切向應(yīng)力云圖

表2給出了數(shù)值分析的具體結(jié)果。由表2分析可知，當(dāng)隧洞埋深不大于200 m時(shí)，隧洞圍巖未發(fā)生巖爆現(xiàn)象。隧洞埋深從400 m～1 200 m時(shí)，巖爆等級(jí)由弱到強(qiáng)不斷提高。

隨埋深增加，隧洞主拉應(yīng)力峰值呈線性遞增趨勢，主拉應(yīng)力峰值位于隧洞頂部局部和隧洞底部;主壓應(yīng)力峰值和隧洞洞周切向應(yīng)力亦隨埋深線性增加，二者峰值位置均位于隧洞拱墻與直墻段相接處及附近。

表2 數(shù)值分析結(jié)果表

圖6給出了隧洞圍巖巖爆判據(jù)系數(shù)隨隧洞埋深的變化曲線。由圖6可知，1 200 m埋深時(shí)，隧洞洞周切向應(yīng)力已高達(dá)113 MPa，巖爆判據(jù)系數(shù)為0.75，其值遠(yuǎn)大于0.55，可能發(fā)生強(qiáng)巖爆現(xiàn)象。

圖6 巖爆判據(jù)系數(shù)隨埋深變化曲線

4 結(jié)語

隨埋深增加，隧洞圍巖應(yīng)力基本上呈線性增大趨勢。主拉應(yīng)力峰值位于隧洞頂部局部和隧洞底部，主壓應(yīng)力和洞周切向應(yīng)力峰值位于隧洞拱墻與直墻段相接處及附近。在側(cè)壓系數(shù)不變的情況下，隧洞圍巖隨埋深的不斷增加，巖爆等級(jí)不斷提高。巖爆可能發(fā)生部位為拱墻與直墻段相接部位及其附近。

因此，直墻拱形深埋隧洞施工時(shí)，應(yīng)對(duì)拱墻與直墻段相接部位進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)，開挖過程中亦可采取一些超前應(yīng)力釋放的措施，或進(jìn)行超前支護(hù)，以確保人員和施工機(jī)械的安全。

新疆下坂地水利樞紐工程引水發(fā)電洞已經(jīng)竣工，本文所得巖爆分析結(jié)果，與該項(xiàng)目施工過程中發(fā)生的巖爆特征基本吻合。由此，本文有限元模型可有效應(yīng)用于深埋隧道圍巖穩(wěn)定性分析，所得結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工有一定指導(dǎo)意義。

［1］徐則民，黃潤秋，范柱國，等.長大隧道巖爆災(zāi)害研究進(jìn)展［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13(2):16-24.

［2］徐奴文，唐春安，周濟(jì)芳，等.錦屏二級(jí)水電站施工排水洞巖爆數(shù)值模擬［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2009，39(4):134-139.

［3］張鏡劍，傅冰駿.巖爆及其判據(jù)和防治［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(10):2034-2042.

［4］徐士良，朱合華，丁文其，等.秦嶺公路隧道通風(fēng)豎井巖爆預(yù)測和防治措施［J］.巖土力學(xué)，2009，30(6):1759-1763.