高應力硬巖隧道開挖施工技術及其數(shù)值分析

郭勇生 范少輝 方 剛 灰潘強

(1.中鐵北京工程局集團第一工程有限公司，陜西 渭南 714000； 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

1 概述

隨著鐵路建設規(guī)模的不斷擴大，隧道的深度逐漸加深，難免會穿過高地應力區(qū)域。此時，巖體在高地應力的作用下容易發(fā)生大變形，甚至發(fā)生巖爆災害。巖爆的發(fā)生，會給隧道工程造成經(jīng)濟的損失，甚至造成難以彌補的后果。黃潤秋[1]采用了斷裂力學和損傷力學的理論，從巖體中巖石之間的排列、連接和微裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展這幾個方面研究了巖體的結構特征對巖爆程度的影響。王揮云[2]提出了損傷效應函數(shù)，并采用數(shù)值模型分析了圓形隧道的巖爆，獲得了巖爆的臨界影響范圍和臨界壓力。劉小明[3]通過損傷力學分析，給出了脆性巖石巖爆損傷能量指數(shù)的概念，提出了巖爆發(fā)生的判別條件。另外，較多國內學者[4,5]采用數(shù)值模型，研究了高地應力硬巖隧道的施工技術與方法，為隧道安全通過高地應力區(qū)域提供了參考。本文基于蒙華鐵路桐木高應力硬巖隧道的自然環(huán)境和地質條件，提出采用全斷面法施工，輔助采用長大管棚超前支護；并采用彈塑性有限單元法對施工全過程進行了模擬分析，為施工設計提供依據(jù)。

2 工程概況

桐木隧道位于江西省宜豐縣境內，隧道進出口里程分別為DK1702+770，DK1708+142，全長5 372 m，為單洞單線隧道，隧道最大埋深282 m。隧道穿越地層主要為花崗閃長巖、元古界雙嬌山群千枚巖，地表分布有第四系覆蓋層。隧址區(qū)地質構造較復雜，斷裂和褶皺較發(fā)育，循斷裂走向擠壓破碎，糅褶扭曲較強烈。

隧道沿線經(jīng)過地層主要為γδ22a雪峰晚期侵入花崗閃長巖及Ptsh元古界雙嬌山群千枚巖，地表分布有第四系覆蓋層。其中雪峰晚期第一次侵入花崗閃長巖，中粗粒結構，塊狀結構，巖質硬，

工程性質較好。地表出露于進口～DK1704+670段，屬硬質巖。元古界雙嬌山群千枚巖，變晶結構，千枚狀構造，工程性質一般。

3 硬巖高地應力段施工方案

針對高地應力硬巖易發(fā)生巖爆的特點，制定了“早預報、超前支護、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測，步步為營，穩(wěn)步前進”的整治原則和總體方案，配合超前小導管等輔助方案。

3.1 施工工藝流程圖

高地應力硬巖隧道施工工藝流程如圖1所示。

3.2 超前應力鉆孔

打設超前應力鉆孔，可以有效降低前方掌子面的高地應力，也可以采用注水的方式，降低周圍巖體的表面張力，鉆孔直徑45 mm～108 mm，深度5 m～20 m。對輕度巖爆每循環(huán)掌子面打設1孔～3孔；中度巖爆每循環(huán)掌子面打設4孔～6孔；強烈?guī)r爆每循環(huán)掌子面打設6孔～8孔，對掌子面拱頂及兩側起拱線位置要優(yōu)先布孔，其余孔位可作為加密孔。必要時也可以打設部分徑向應力釋放孔，鉆孔方向應垂直巖面，同時對于強烈?guī)r爆地段可采取超前鉆孔內部松動爆破的方法，或用小炮震裂完整巖石的方法，或孔內注水的方法，從而減少應力集中。

3.3 超前支護措施

針對巖爆類型及大小，提前打應力釋放孔或超前摩擦錨桿支護，以達到減弱巖爆的強度。必要時作超前30 m～50 m導洞，導洞直徑不大于5 m，可作為巖爆超前預報和釋放地應力。

在巖爆地段，開挖后及時向掌子面及以后約15 m范圍內隧道周邊進行噴射高壓水，在某種程度上可以削弱圍巖表面的強度，選取超前探孔向圍巖巖體內均勻注高壓水，從而提前減小圍巖變形能力并將最大切向應力轉移到圍巖的內部，注高壓水的劈裂作用也可以軟化硬巖，從而降低硬巖的強度，并可以新產(chǎn)生裂縫或是使既有縫隙更加發(fā)展，繼而釋放圍巖內部的彈性應變能量。也可以提前在掌子面有概率導致巖爆的位置有規(guī)律地鉆少許空眼，不設置錨桿，而采取注水的方式，可以釋放部分壓力，可以避免硬巖達到極限強度而導致巖爆。

3.4 開挖施工工藝

本隧道采用的施工方法為鉆爆法，掘進進尺采用短進尺，可以節(jié)省藥量和降低爆破頻率，控制光爆效果，以釋放圍巖表層應力集中現(xiàn)象，從而避免巖爆。在巖爆烈度中等以上的區(qū)域，炮眼間距保持在25 cm范圍內，并用隔眼填藥，阻塞炮泥，加強光爆效果，做到爆破邊緣線光滑。采取措施規(guī)避不平順導致的應力集中，以避免巖爆的發(fā)生。開挖司鉆過程中周邊眼間距控制在45 cm～50 cm，鉆眼平行無交叉，眼底平齊。采用淺洞爆破，減小循環(huán)進尺，縮減一次性藥量。拱部采用小藥卷光面爆破的方法，拓寬不同部位雷管的位置間隔，這樣可以延后爆破時間，減輕對巖體的爆破震動，規(guī)避由于爆破震動誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強度。在輕巖爆一般進尺控制在2.5 m，對于中等烈度的巖爆區(qū)域，循環(huán)進尺保持在2 m，采取全斷面法施工，一次成洞，以保證圍巖應力的平衡狀態(tài)。改變開挖方式，預留巖爆層。施工中預留2 m厚的巖爆處理層，巖爆過后再進行二次擴挖爆破、支護，較好地通過了強烈?guī)r爆段。

3.5 支護措施

弱巖爆段在開挖清撬后，一般向洞壁噴3 cm厚的混凝土進行封閉圍巖。初噴完后進行錨桿掛網(wǎng)支護，后進行二次噴射混凝土。中等烈度的巖爆區(qū)域采用淺孔密錨掛網(wǎng)混凝土，藥卷錨桿規(guī)格為φ22 mm，L=2 m@1.2 m～1.2 m，梅花形布置；鋼筋網(wǎng)采取Φ6.5 mm@20 cm×20 cm，噴C20素混凝土5 cm，最終噴混凝土至設計厚度，必要時加脹殼式錨桿。較強巖爆區(qū)段，必要時加Ⅰ20型鋼拱架，以減輕巖爆損壞程度來規(guī)范控制光爆效果，從而最大程度地釋放圍巖表面應力，采用超前孔眼解除應力的手段及預裂爆破等工法，能讓巖體應力釋放、在開挖前彈性應變能有所降低，并用縫管式錨桿、梅花型布置，加鋼筋網(wǎng)φ6.5 mm@15×15 cm，噴混凝土至設計厚度。

對強烈?guī)r爆區(qū)域必須進行鋼拱架支撐、錨噴掛鋼筋網(wǎng)進行支護，與噴錨網(wǎng)形成聯(lián)合支護體系。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計算模型

數(shù)值模擬模型的計算使用商業(yè)有限元軟件MIDAS GTS NX。計算模型中定義隧道圍巖為連續(xù)介質，材料屬性采用各向同性彈塑性實體單元進行模擬，巖土材料的屈服準則選用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)準則；初期襯砌使用二維殼體單元屬性，二次襯砌使用彈性實體屬性，單元錨桿則定義為植入式梁單元屬性。計算模型未單獨考慮鋼筋網(wǎng)和鋼支架的作用。

計算模型的邊界以隧道為中心在水平方向和洞底方向上均大于3倍的洞跨。具體計算時，在深度方向上取DK1704+820～DK1704+865段，隧道縱深拱45 m，在豎直方向上，取豎直長度為60 m。施工方法為全斷面法，模型中選取循環(huán)進尺為3 m。在模擬過程中替換相應位置圍巖單元參數(shù)表示二襯，激活隧道周邊區(qū)域植入式梁單元模擬錨桿，激活相應位置的板單元模擬初期襯砌噴射混凝土。計算模型網(wǎng)格如圖2所示。

4.2 計算參數(shù)

計算時圍巖物理力學參數(shù)取值如表1所示。

表1 高應力硬巖隧道物理力學參數(shù)

4.3 計算結果分析

根據(jù)模型計算結果整理得到，隧道開挖引起的圍巖豎向變形如圖3所示；在開挖過程中縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量如圖4所示。

由圖3,圖4分析可知：隧道采用全斷面開挖法時，拱頂最大沉降量為2.4 mm，隧底最大隆起量為3.6 mm，該最大變形與Ⅲ級圍巖隧道最大變形閥值比較接近。為確保下穿隧道施工安全，施工過程中對隧道進行了信息化監(jiān)控量測，表2為隧道拱頂沉降和洞周收斂位移現(xiàn)場實測值與數(shù)值模型計算值的對比。結果表明：現(xiàn)場實測值與數(shù)值模擬計算值較好吻合。

表2 隧道拱頂和洞周收斂變形實測值與計算值對比

5 結語

1)針對蒙華鐵路桐木隧道高應力硬巖環(huán)境特點和地質條件，提出采用全斷面開挖法，輔助采用長大管棚+超前小導管支護。

2)數(shù)值模擬計算結果顯示：高應力硬巖隧道采用全斷面法施工開挖時，拱頂?shù)淖畲蟪两底冃沃禐?.4 mm，隧底的最大隆起變形量為3.6 mm，此最大形變值與Ⅲ級圍巖隧道最大變形閥值比較接近，且數(shù)值模型計算值與現(xiàn)場實測數(shù)值有較好的吻合。

3)工程實踐證明：桐木高應力硬巖隧道開挖時，采用全斷面開挖法，提前打應力釋放孔或做好超前摩擦錨桿支護，用短進尺掘進，減少藥量和爆破頻率，噴射混凝土、輔助其他工法進行超前支護和加固，可降低巖爆頻率和巖爆強度，同時采取信息化監(jiān)控量測措施和風險防范措施，可有效地控制隧道受力變形，確保高應力硬巖隧道施工安全。