高地應力隧道開挖巖爆預測研究

謝錦華

（中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528400）

引言

在隧道掘進的開挖卸荷作用下，圍巖內儲存的能量急劇釋放，致使巖體出現突然脫離圍巖，并有聲音和彈射等現象，這種現象被稱為巖爆[1]。巖爆特征主要表現為突然性、猛烈性。一旦發生巖爆，大量塊石會以極高的速度從開挖巖面向四周圍彈射而出或者爆裂成散狀碎石后再放射性地飛出，具有非常嚴重的安全隱患；巖爆特點是危害大、突發性等，直接表現為對施工人員與機械設備構成較大的安全威脅，間接表現為耽誤工期及造成較大經濟損失[2-3]。對于應對巖爆，就目前的技術水平一般出于安全考慮采用常規的臺階法開挖，逐步釋放應力，并加強錨桿和鋼筋網的防護強度。雖然在很大程度上減少應力集中爆發的可能，提高了隧道施工的安全性，但大都是出現巖爆后再根據巖爆的強烈程度來分類處治。因此，山嶺重丘處深埋高地應力隧道開挖圍巖的巖爆災害監測預警研究成為亟待解決的重大課題。

總體而言，巖爆解決方式應以“以防為主，防控結合”為主要的指導思想。從目前國內外發生的巖爆實例分析看，若能精準的預測巖爆發生的位置和烈度，根據現有的技術水平以及防護手段確實可以有效的降低巖爆產生的危害。但是一旦預測的巖爆位置和烈度發生了較大的偏差，極有可能導致出現更嚴重的機械損毀和人員傷亡情況，嚴重時對施工進度的影響和施工成本的增加更加無法估量。一言蔽之，巖爆的準確程度很大程度決定了巖爆的防治效果。

為此，開展系統性的巖爆研究，探索更精確的巖爆預測方法和理論模型，對提高巖爆防控技術水平具有重要理論價值和實際意義[4-5]。

重陽2 號隧道位于安徽省池州市石臺縣境內。隧道右線起點樁號K31+414，終點樁號K36+278，長度4 864 m，最大埋深約646 m; 隧道左線起點樁號ZK31+397，終點樁號ZK36+252，長度4 855 m，最大埋深約650 m，地應力極高。隧道地層巖性主要為少量黏土和碎石土、大部分為強～中風化灰巖、全～強～中風化砂巖和花崗巖等，隧道洞身發育多條斷層破碎帶分析重陽2#隧道地質詳細勘探資料可以發現該隧道的埋深較大，最大埋深達到650 m。K33+100～K35+090（ZK33+340～ZK35+070）段長達2 km 均位于高應力區和極高應力區，而且隧道圍巖為強度較高的花崗巖，因此隧道開挖過程中易產生巖爆或者大變形。如果無法較為準確判斷巖爆發生的可能性，該段均采用臺階法施工勢必造成工程費用的大量增加，同時也會降低施工速度。因此非常有必要根據不同斷面的巖性特征及地應力水平對巖爆的發生及其施工對策進行提前預測。

1 數值模型

重陽2 號隧道斷面形狀為馬蹄形。在FLAC3D 有限元程序內建立了尺寸為的50 m×50 m×30 m 的計算模型，考慮巷道分8 步開挖的情況，每步開挖進尺為3.0 m。模型的底部邊界為固定位移約束，左右側面、前后側面和上表面施加一定的面壓力荷載，荷載的大小取決于實際的地應力水平。模型的邊界條件及網格劃分情況見圖1。巖體的變形破壞嚴格遵循莫爾-庫侖準則，各項參數見表1。

圖1 隧道開挖過程數值模型

表1 巖體參數表

計算中取埋深最大處的最大水平地應力為11.45*650/450=16.53 MPa， 最小水平主應力為8.85*650/450=12.78 MPa，垂直主應力650*2.66=17.29 MPa。從偏于安全角度考慮模型中設置最大水平應力與隧道軸線垂直。

2 結果分析

2.1 監測點應力隨開挖步驟的變化

選取隧道第3 步開挖截面頂部單元A、邊墻單元B、底部單元C、巖體內部右側單元E 和頂部單元D 作為觀測點，分別提取了三個方向的應力隨開挖面推進的變化，結果見圖2、圖3。從圖2 中可以看出，無論是隧道頂部還是隧道側面，當觀測點遠離開挖斷面時，整個開挖過程中觀測點上三個方向上的應力受開挖影響較小，基本處于初始地應力狀態。這說明圍巖深部基本不受開挖的影響。

圖2 遠離隧道斷面位置的圍巖應力隨推進的變化曲線

從監測點結果可以知道，開挖面與觀測面相對距離較遠，觀測點A、B、C 都處于初始地應力狀態；隨著隧道掌子面開挖逐步向前方掘進，當開挖面前方與觀測面相對距離約為3m 時，A、B、C、D、E 觀測點的應力均出現了不同程度的變化。具體表現為隧道的頂部D觀測點和底部C 觀測點處巖體的切向應力逐漸增大，徑向應力逐漸減小至0，軸向應力在開挖卸荷作用下出現了一定的波動并最終基本保持不變；巷道壁邊墻巖體的三向應力均產生不同程度的減小，其中徑向應力的減小幅度遠大于切向應力的減小幅度。當開挖面后方距離超過觀測面3～5 m 時，巷道圍巖的應力狀態經過調整后再次趨于穩定。

從圖3 中可以看出，隨著隧道開挖面逐步推進，開挖圍巖頂部巖體單元A、側幫中部巖體單元B 和底部巖體單元C 的最大主應力與最小主應力之差呈現線性變化。具體從圖中可以看出，隨著開挖面向前推進，觀測面隧道頂部單元和底部單元的應力差逐漸顯著增大，而隧道邊墻單元的應力差逐漸減小。表明巷道在這種地應力狀態下，開挖前后巷道的頂部和底部圍巖的切向應力加載至較高水平，徑向應力卸載至零，其圍巖的應力狀態從較均勻的三維形狀逐漸分異演化為二維形狀；并且巷道邊墻圍巖在開挖后處于應力卸載區，應力集中程度較弱。但由于該路段的圍巖完整性較差而且在FLAC3D 數值計算中無法考慮裂隙對巖爆的影響，因此仍需要利用離散元軟件PFC2D進行相關計算，以獲得裂隙巖體中隧道開挖的損傷特征。

圖3 主應力差隨開挖面推進的變化情況

2.2 開挖完成應力分布特征

第8 步開挖完成后數值模型開挖起始面的最小、最大主應力云圖見圖4、圖5。負號表示壓應力，可見圍巖整體表現為受壓狀態。圍巖應力云圖分布對稱，最小主應力絕對值及最大主應力絕對值的最大值均在拱腳位置。

圖4 最小主應力分布圖

圖5 最大主應力分布圖

3 基于應力水平的巖爆等級判定

在試驗中獲得的巖石強度參數與計算獲得的洞室開挖后的二次應力分布情況基礎上，依據強度理論判據可以對巖爆進行粗略預測，較為常用的Barton 判據、陶振宇判據、Turchaninov 判據、Russesse 判據、二郎山巖爆判據[6-7]，見表2。表中采用了5 種常用的理論判據對重陽2 號隧道篩選的關鍵段落進行巖爆預測試驗。

表2 巖爆預測的應力判據

根據巖爆的特征和相關性質將巖爆分為3 個等級：弱巖爆、中等巖爆、強烈巖爆[8]。①弱巖爆。對開挖施工中的人員和機械的影響極小，但實際施工時保險起見可以進行適當的灑水軟化圍巖；②中等巖爆。因其能量釋放的過程連續、持久，對施工機械、作業人員帶來嚴重的安全隱患，并且十分耽誤施工工期，因此需要提前加固圍巖，目前較為常見的防護方式：超前小導管支護→初噴鋼纖維混凝土→鋼筋網→鋼支撐和復噴混凝土，具體的鋼筋網、鋼支撐、混凝土厚度等參數根據實際圍巖預測情況再行設計，必要時還采取主動防護網進行安全防護；③強烈巖爆。極具危險性，支護方式在中等巖爆的基礎上對鋼筋網、鋼支撐和噴射混凝土的厚度進一步優化加強。不僅灑水軟化圍巖，還需超前打孔釋放應力弱化圍巖，降低巖爆發生的持續時間和爆裂程度，從而降低對施工機械、人員的威脅。

從數值計算結果看重陽2#隧道在埋深最大（650 m）處的斷面僅有陶振宇判據判定為具有中等巖爆危險性，其它為弱巖爆危險或無巖爆危險性，見表3。

表3 重陽2 號隧道巖爆預測應力判據

4 結論

（1） 只有隧道周圍一定范圍內才會受到開挖的影響。開挖面前方距離觀測面大約3 m 時，開挖面附近圍巖的徑向應力開始減小、切向應力開始增大，到開挖面后方距離超過觀測面3～5 m 時，圍巖的應力狀態經過調整后趨于穩定。

（2） 拱頂底應力差隨著開挖面向前推進逐漸顯著增大，邊墻應力差隨著開挖面向前推進逐漸減小。

（3） 重陽2#隧道在埋深最大（650 m）處的斷面巖爆危險性較小。