南川三泉隧道軟化圍巖法防治巖爆效果的研究★

熊 毅 　 白 悅 　 王卓雄

(重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶　400000)

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南川三泉隧道軟化圍巖法防治巖爆效果的研究★

熊 毅 白 悅 王卓雄

(重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶400000)

以三泉隧道為研究背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討了鉆爆法施工中噴水軟化圍巖防止巖爆的效果，結(jié)果表明，圍巖噴水軟化后，降低了圍巖的強(qiáng)度和切向應(yīng)力，釋放了圍巖的應(yīng)變能并降低了巖爆發(fā)生的等級(jí)。

隧道工程，巖爆，軟化圍巖，數(shù)值模擬

0　引言

巖爆是指積聚在巖石內(nèi)的彈性應(yīng)變能在一定的條件下突然釋放且產(chǎn)生劇烈的聲響、巖石彈射甚至拋射的一種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)施工安全造成了極大的危害[1-3]。為此，W·D·ortlepp等從巖爆發(fā)生的機(jī)制、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及防控措施做了許多的研究[4-11]，并將研究結(jié)果引用到了工程實(shí)踐中，取得了一定的成果。本文以三泉隧道為研究背景，重點(diǎn)探討了鉆爆法施工中注水軟化防止巖爆的效果，對(duì)隧道施工中防止巖爆的發(fā)生具有一定的借鑒意義。

1　工程概況及工程地質(zhì)條件

三泉隧道位于重慶市南川區(qū)三泉鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)隧道單洞寬11.78 m，高7.50 m，屬特長(zhǎng)隧道。隧道為左右線設(shè)置，其中左線里程樁號(hào)為ZK5+065～ZK8+476,右線里程樁號(hào)為YK5+030～YK8+476，隧道采用鉆爆法施工，為馬蹄形斷面，隧道最大埋深為480 m，具有埋深大，洞線長(zhǎng)，洞徑大等特點(diǎn)，為埋深特長(zhǎng)隧道工程。

三泉隧道穿越區(qū)為碳酸鹽巖地層區(qū)，隧道地形地貌主要屬中山、低中山地貌，以構(gòu)造作用為主。地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，隧址區(qū)地層主要為第四系殘坡積層、寒武系上統(tǒng)后壩組、奧陶系下統(tǒng)桐梓組和紅花園組。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜。

根據(jù)圍巖完整程度和巖體結(jié)構(gòu)，隧道為巖質(zhì)隧道，總體基巖較硬，強(qiáng)度較高，風(fēng)化層薄，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，可視為中等風(fēng)化巖石，層間結(jié)合洞身段好，進(jìn)出口層間結(jié)合差。隧道Ⅲ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)度65.62%，Ⅳ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)度24.45%，Ⅴ級(jí)圍巖占隧道總長(zhǎng)度9.94%。其中洞身段基本以Ⅲ級(jí)為主，巖石堅(jiān)硬、完整、致密，單軸抗壓強(qiáng)度為40 MPa～50 MPa，變形模量為6×103MPa～8×103MPa，圍巖自穩(wěn)承載能力好，成洞條件較好。三泉隧道工程區(qū)域位于西南高地應(yīng)力區(qū)，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)最大地應(yīng)力[11]達(dá)28.4 MPa，屬高地應(yīng)力地區(qū)。目前三泉隧道斷面已分別掘至樁號(hào)ZK6+940,YK6+953，將進(jìn)入巖爆洞段，開挖發(fā)生巖爆的可能性極大。

2　軟化圍巖法防治巖爆效果的數(shù)值模擬

通過大量的研究表明，隧道開挖后立即在隧道開挖輪廓斷面線10 m～15 m范圍噴灑高壓水；在側(cè)壁及拱部，利用炮眼、錨桿孔或打注水孔向巖體深部注水，軟化圍巖。目的是降低圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度，增加其塑性，降低其脆性，從而有效的降低巖爆的幾率和等級(jí)。注水后的圍巖明顯比注水前的圍巖層理、節(jié)理、裂隙發(fā)育好，數(shù)量多，孔隙率也高，由于裂隙的增加及擴(kuò)展，降低了巖石的彈性模量，泊松比增加，內(nèi)部粘結(jié)力減少，從而造成了巖石彈性性質(zhì)的差別，使彈性應(yīng)變能降低。

2.1計(jì)算模型參數(shù)

數(shù)值模擬模型根據(jù)圣維南原理，在隧道周圍距洞室中心內(nèi)隧道開挖寬度的3倍～5倍寬度內(nèi)存在影響，因此模型的尺寸取(70×70×2)m，隧道上埋圍巖厚度根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告提供的資料而定，考慮水平構(gòu)造應(yīng)力，其值根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的資料而定，并參照相應(yīng)的側(cè)壓系數(shù)而定。計(jì)算參數(shù)見表1。軟化圍巖前主壓應(yīng)力與切向應(yīng)力分布圖見圖1，圖2。

表1　計(jì)算參數(shù)

圖1　軟化圍巖前主壓應(yīng)力分布圖　　　圖2　軟化圍巖前切向應(yīng)力分布圖

由圖1和圖2可知，最大壓應(yīng)力位于隧道的上拱位置，約為40.2 MPa，最大的切向應(yīng)力位于兩幫的位置，約為23.9 MPa。

2.2軟化的效果結(jié)果分析

圍巖軟化的厚度與軟化方法的選取有關(guān)。表面灑水法軟化的圍巖厚度小而鉆孔注水法軟化圍巖厚度大。另外，軟化后的圍巖力學(xué)參數(shù)與圍巖的吸水性有關(guān)，比較難以確定，具體操作應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軟化試驗(yàn)來確定。本文假定軟化圍巖的厚度為1 m，軟化后的圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。軟化圍巖后主壓應(yīng)力與切向應(yīng)力分布圖見圖3，圖4。

表2　軟化圍巖后的力學(xué)參數(shù)

圖3　軟化圍巖后主壓應(yīng)力分布圖　　　圖4　軟化圍巖后切向應(yīng)力分布圖

通過洞壁二次應(yīng)力測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)載荷試驗(yàn)強(qiáng)度資料，根據(jù)Russense巖爆判別法[12]巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc和最大切向應(yīng)力σθ之間的關(guān)系可判斷巖爆的烈度，判別關(guān)系如下：σθ/Rc在0.3～0.5之間，發(fā)生輕微巖爆，σθ/Rc在0.5～0.7之間，發(fā)生中等強(qiáng)度的巖爆，而發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆時(shí)，σθ/Rc的值至少大于0.7。根據(jù)巖爆判別式，σθ/Rc=23.5/40.6=0.57，可能發(fā)生中等強(qiáng)度的巖爆。

噴水軟化后圍巖應(yīng)力分布如圖3和圖4所示，軟化圍巖后最大壓應(yīng)力約為32.9 MPa，最大切向應(yīng)力為17.2 MPa。相比軟化圍巖前最大切向應(yīng)力下降了28%。圍巖軟化前可能發(fā)生中等強(qiáng)度的巖爆，圍巖軟化后，根據(jù)巖爆判別式，σθ/Rc=17.2/37.8=0.46，噴水軟化后有可能發(fā)生輕微巖爆，但巖爆判據(jù)指標(biāo)由0.57下降到了0.46，有一定減小巖爆發(fā)生等級(jí)的作用。

3　結(jié)語

當(dāng)前，巖爆一直是困擾巖石地下工程和巖石力學(xué)的難題。三泉隧道由于其埋深大，地應(yīng)力大，容易發(fā)生巖爆的地質(zhì)災(zāi)害。本文以三泉隧道工程為背景，通過數(shù)值模擬，重點(diǎn)的探討了鉆爆法施工中噴水軟化圍巖防止巖爆的效果，并得出以下結(jié)論：

1)圍巖噴水軟化后，由于裂隙的增加和擴(kuò)展，降低了圍巖的強(qiáng)度，將圍巖的脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞，釋放了圍巖的應(yīng)變能并降低了圍巖的切向應(yīng)力，其巖爆發(fā)生的等級(jí)有明顯的降低。

2)在現(xiàn)場(chǎng)隧道工程施工的過程中，圍巖噴水軟化是一種切實(shí)有效的減小巖爆的等級(jí)甚至消除巖爆的方法。實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)圍巖的吸水性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定圍巖的軟化系數(shù)，制定噴水或注水軟化厚度。

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Study on the effect of rock burst by soft rock in Nanchuan Sanquan tunnel★

Xiong YiBai YueWang Zhuoxiong

(CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400000,China)

The research background of the paper is the construction of Sanquan tunnel， through the numerical simulation and field test， discussed the effect of preventing rock burst in drilling and blasting construction. The analysis show that weakens the strength of rock and tangential stress, releasing stress-strain and reducing the grade of rock burst after softening.

tunnel engineering, rock burst, softening surrounding rock, numerical simulation

1009-6825(2016)21-0158-03

2016-05-13★：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201510611057)

熊毅(1993- )，男，在讀本科生；白悅(1994- )，男，在讀本科生；王卓雄(1997- )，男，在讀本科生

U451.2

A