深埋隧洞圍巖應力分析及巖爆預測

劉建忠

(內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司，內蒙古呼和浩特 010050)

0 引言

隨著國家基礎設施投入的不斷增加，大量的地下工程開工建設，地下洞室圍巖穩定性問題越來越為人們所關注。而隧洞開挖過程中出現的巖爆災害更是很大程度上影響著圍巖的穩定性，巖爆不僅嚴重威脅施工人員及設備的安全、影響施工進度，而且還會造成超挖、初期支護失效等問題，嚴重時還會誘發地震。已經成為硬巖隧道勘測設計及施工組織中必須考慮的重要問題之一，并受到各國相關學者的廣泛關注［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，巖質堅硬。隧洞高程約為2 899 m，洞頂圍巖厚度100 m～1 380 m。

引水發電洞施工過程中的巖爆問題很大程度上影響了圍巖的穩定性，對人員和施工機械的安全構成了威脅，一定程度上影響了施工進度。為此，本文采用有限元理論，數值模擬分析了直墻拱形斷面隧洞在相同側壓系數、不同埋深工況下的圍巖應力，得到了圍巖應力隨埋深的一系列變化規律，并采用Russense巖爆判據初步判別了巖爆可能性，得出了巖爆可能發生的部位。所得結論對隧洞工程的設計和施工過程中圍巖巖爆的防治具有一定的指導作用。

1 巖爆及其判據

巖爆是地下工程開挖過程中，堅硬、脆性圍巖在高應力條件下，因開挖擾動導致圍巖應力重新分布和應力集中，巖體內儲存的彈性應變能突發性的急劇釋放，而產生的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩、破壞性的地質災害［2］。

近幾十年，在施工現場探測和理論相結合的基礎上，國內外學者提出了多種巖爆判別指標，形成了不同的巖爆判別方法。本文以具有代表性的Russense巖爆判別法作為計算分析中巖爆現象是否出現的依據。其判別關系為［3，4］:

其中，sθ為洞室的最大切向應力;RC為巖石單軸抗壓強度，結合工程實際，此處取150 MPa。

2 有限元模型

下坂地引水發電洞中，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計院及施工單位提供的資料而定。水平構造應力根據巖石力學理論中的側壓系數給定。模型底部邊界施加兩向約束，上部施加自重應力，兩側邊界施加等值水平構造應力。有限元分析按平面應變問題建立二維模型，圍巖采用實體單元Plane42模擬，有限元模型如圖2所示。

根據引水洞具體埋深情況，針對200 m～1 200 m六種埋深下的圍巖應力分布情況，分別進行了有限元模擬。數值分析中，圍巖側壓系數根據金尼克彈性理論取值，具體表達式為:m/(1－m)。有限元模型中的圍巖參數見表1。

表1 圍巖參數表

3 數值結果與討論

圖3～圖5給出了1 200 m埋深時隧洞主拉應力、主壓應力、隧洞洞周切向應力的分布云圖。由圖3可知，隧洞主拉應力峰值位于隧洞底部，約22.0 MPa，隧洞頂部拉應力峰值約為15.3 MPa，隧洞直墻段中部亦出現拉應力區。圖4給出了隧洞主壓應力云圖，主壓應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 主拉應力云圖

圖4 主壓應力云圖

圖5 洞周切向應力云圖

表2給出了數值分析的具體結果。由表2分析可知，當隧洞埋深不大于200 m時，隧洞圍巖未發生巖爆現象。隧洞埋深從400 m～1 200 m時，巖爆等級由弱到強不斷提高。

隨埋深增加，隧洞主拉應力峰值呈線性遞增趨勢，主拉應力峰值位于隧洞頂部局部和隧洞底部;主壓應力峰值和隧洞洞周切向應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 數值分析結果表

圖6給出了隧洞圍巖巖爆判據系數隨隧洞埋深的變化曲線。由圖6可知，1 200 m埋深時，隧洞洞周切向應力已高達113 MPa，巖爆判據系數為0.75，其值遠大于0.55，可能發生強巖爆現象。

圖6 巖爆判據系數隨埋深變化曲線

4 結語

隨埋深增加，隧洞圍巖應力基本上呈線性增大趨勢。主拉應力峰值位于隧洞頂部局部和隧洞底部，主壓應力和洞周切向應力峰值位于隧洞拱墻與直墻段相接處及附近。在側壓系數不變的情況下，隧洞圍巖隨埋深的不斷增加，巖爆等級不斷提高。巖爆可能發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，應對拱墻與直墻段相接部位進行重點防護，開挖過程中亦可采取一些超前應力釋放的措施，或進行超前支護，以確保人員和施工機械的安全。

新疆下坂地水利樞紐工程引水發電洞已經竣工，本文所得巖爆分析結果，與該項目施工過程中發生的巖爆特征基本吻合。由此，本文有限元模型可有效應用于深埋隧道圍巖穩定性分析，所得結論對工程設計和施工有一定指導意義。

［1］徐則民，黃潤秋，范柱國，等.長大隧道巖爆災害研究進展［J］.自然災害學報，2004，13(2):16-24.

［2］徐奴文，唐春安，周濟芳，等.錦屏二級水電站施工排水洞巖爆數值模擬［J］.山東大學學報(工學版)，2009，39(4):134-139.

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

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