巖爆災害防治措施的數值分析

項國

巖爆災害防治措施的數值分析

項國

隨著我國經濟快速發展，對各項基礎設施的需求越來越大，特別是對交通運輸設施的需求，這就刺激了對鐵路、公路等重大基礎設施投資的大量增長。而鐵路、公路的修建，不可避免的要穿越高大山區，導致一批深埋長大隧道的出現。深埋長大隧道以埋深大、線路長為特點，其中又蘊藏一些難以預料的風險，導致設計、施工難度的大大增加，往往成為一條線路上的關鍵控制性工程。在深埋長大隧道中，巖爆是工程開挖過程中常遇到的工程地質災害，是一種人類活動誘發的地質災害。一般認為巖爆是地下工開挖過程中在高地應力條件下，硬脆性圍巖因開挖卸荷導致洞壁應力分異，儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，因而產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現象的一種動力失穩地質災害。它直接威脅施工人員、設備的安全、影響工程進度，己成為世界性的地下工程難題之一，亟待廣大工程技術人員的解決。

數值分析；防治措施

一、計算模型及參數

控制隧道巖爆災害的主要措施是采用錨桿噴射混凝土、超前應力釋放鉆孔、注水軟化圍巖，不同的措施有其優劣性，工程中目前用得較多的是錨桿噴射混凝土。巖爆的防治應根據不同的地質條件和潛在的巖爆烈度采用不同的防治措施，針對雪峰山1號隧道的具體條件，結合隧道初襯支護采用錨桿噴射混凝土措施為宜。為了進一步闡述錨噴措施的作用機理，將采用FLAC3D數值分析軟件進行模擬分析。選取具有代表性的DK247+000、DK247+750為典型斷面進行分析，錨桿長度分別擬定為2.5m、3m、3.5m和4m，就1m、1.5m和2m兩種間距進行比較分析。隧道襯砌和初次支護參數如表3所示。建立的數值分析模型見圖1、圖2，邊界條件為，模型左側和底面法向約束，右側和項部為應力邊界條件，按照地應力小模型在開挖前左可加應力約束，上部采用應力約束，底邊界采用雙向位移約束；開挖后采用上邊界為自由面，左右為水平單向約束，底邊為雙向位移約束。所采用的介質參數如表1、表2所示。

表1 DK247+000斷面材料物理力學參數

表2 DK247+750斷面材料物理力學參數

表3 隧道正洞初期支護和二次襯砌參數

圖1 模型開挖前的網格劃分 圖2模型開挖后的網格劃分

二、計算結果及分析

（一）DK247+000斷面計算結果及分析

以下各等值線圖中的單位均為MPa。

圖3 開挖后無支護σx等值線

圖4 開挖后無支護σz等值線

1.錨桿間距為1m時計算結果分析

錨桿間距為1m，長度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時，圍巖邊壁附近單元的應力等值線如圖3、圖4所示。圖示表明隧道側壁和頂部的應力集中明顯，有可能會產生巖爆。

圖3 2.5米錨桿的σx等值線

圖4 2.5米錨桿的σz等值線

以隧道外接圓中心為參考，在側壁0°，起拱點的45°和頂部的90°附近洞壁選取單元，利用計算出的圍巖應力分量，計算最大及最小主應力及其兩者的差值列于表4中。

表4 間距1.0m錨噴情況隧道邊壁主應力計算結果

由表4所示結果表明，采用間距為1.0m的錨桿，不同長度對隧道圍巖邊壁應力狀態的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長度的增加，斷面最大主應力降低，其中起拱點降低最大，為1.02MPa。

（2）隨著錨桿長度的增加，最小主應力增加，其中起拱點增加最多，為0.19PMa。

（3）如圖3、4和表4所示，隨著錨桿長度的增加，主應力差減少。長度為4.0m時，典型部位最大主應力平均值最小，最小主應力平均值最大，平均主應力差最小，由此說明從工程技術的角度來說，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

（二）DK247+750斷面計算結果及分析

圖5 開挖后無支護σx等值線

圖6 開挖后無支護σz等值線

1.錨桿間距為1.0m時計算結果分析

錨桿間距為1m，長度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時，圍巖邊壁附近單元的應力等值線如圖7、圖8所示。圖示表明隧道側壁和頂部的應力集中明顯，有可能會產生巖爆。

圖7 2.5米錨桿的σx等值線

圖8 2.5米錨桿的σz等值線

表8 間距1.0m錨噴情況隧道邊壁主應力計算結果

由表8所示結果表明，采用間距為1.0m的錨桿，不同長度對隧道圍巖邊壁應力狀態的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長度的增加，斷面最大主應力降低，其中起拱點降低最大，為0.76MPa。

（2）隨著錨桿長度的增加，最小主應力增加，其中側壁增加最多，為0.16PMa。

（3）如圖7、圖8和表8所示，隨著錨桿長度的增加，主應力差減少。長度為4.0m時，典型部位最大主應力平均值最小，最小主應力平均值最大，平均主應力差最小。由此說明從工程技術的角度來說，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

2.錨桿間距為1.5m時計算結果分析

錨桿間距為1.5m，長度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時，圍巖邊壁附近單元的應力等值線如圖9、圖10所示。圖示表明隧道側壁和頂部的應力集中明顯，有可能會產生巖爆。

圖9 2.5米錨桿的σx等值線

圖10 2.5米錨桿的σz等值線

表9 間距1.5m錨噴情況隧道邊壁主應力計算結果

由表9所示結果表明，采用間距為1.5m的錨桿，不同長度對隧道圍巖邊壁應力狀態的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長度的增加，斷面最大主應力降低，其中起拱點降低最大，為0.69MPa。

（2）隨著錨桿長度的增加，最小主應力增加，其中側壁增加最多，為0.12PMa。

（3）隨著錨桿長度的增加，主應力差減少。長度為4.0m時，典型部位最大主應力平均值最小，最小主應力平均值最大，平均主應力差最小。由此說明從工程技術的角度來說，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

表10 間距2.0m錨噴情況隧道邊壁主應力計算結果

由表10所示結果表明，采用間距為2.0m的錨桿，不同長度對隧道圍巖邊壁應力狀態的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長度的增加，斷面最大主應力降低，其中側壁降低最大，為0.55MPa。

（2）隨著錨桿長度的增加，最小主應力增加，其中側壁增加最多，為0.1PMa。

[1]馬少鵬，王來貴，章夢濤，李功伯.加拿大巖爆災害的研究現狀[J].中國地質災害與防治學報，1998，9（3）.

[2]譚以安.巖爆類型及防治[J].現代地質，1991，5（4）.

[3]汪澤斌.巖爆實例、巖爆術語及分類的建議[J].工程地質，1988，（03）.

[4]王蘭生，徐林生，李天斌等.深埋長隧道高地應力與圍巖穩定問題，1998.

項國，北京交通大學博士研究生。

F062.4

A

1008-4428（2015）07-104-02