開挖方式對破碎圍巖的卸載破壞研究

謝錦華

（中交路橋華南工程有限公司,廣東 中山 528400）

引言

隧道圍巖的變形與穩(wěn)定性與開挖方式有關(guān),施工過程中如果處理不當(dāng)可能會引起隧道的坍塌失穩(wěn)[1]。特別是在裂隙巖體中開挖隧道,更易出現(xiàn)冒落、坍塌等安全事故,選取合適的開挖方式對保證裂隙圍巖的穩(wěn)定安全非常重要[2-4]。

G3W 德上高速池州至祁門段重陽2 號隧道位于安徽省池州市石臺縣境內(nèi)。隧道右線起點(diǎn)樁號K31+414,終點(diǎn)樁號K36+278,長度4 864 m,最大埋深約646 m;隧道左線起點(diǎn)樁號ZK31+397,終點(diǎn)樁號ZK36+252,長度4 855 m,最大埋深約650 m,地應(yīng)力極高。隧道地層巖性主要為黏土、碎石土、強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r、全～強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖、全～強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖等,隧道洞身發(fā)育多條斷層破碎帶。區(qū)段1-8（K31+414～K34+250,ZK31+397～ZK34+230）巖性主要為花崗巖,但風(fēng)化程度隨著掘進(jìn)深度變?nèi)?區(qū)段9-11巖性主要為沉積巖石灰?guī)r、泥巖及砂巖,區(qū)段12 巖性主要為中風(fēng)化灰?guī)r、泥巖和少量黏土,三段之間有多處斷層存在。隧道掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)圍巖巖性變化頻繁,圍巖的完整性跨度也非常大,因此準(zhǔn)確把握巖性及其完整性并據(jù)此采用合理的爆破參數(shù)是實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)快速化施工的關(guān)鍵。大部分隧道區(qū)段的詳勘資料表明圍巖的破碎程度較高,其Kv 值介于0.3～0.55 之間。為減少、避免施工過程中的災(zāi)害,有必要通過數(shù)值計(jì)算確定不同開挖方法對圍巖的擾動破壞。據(jù)了解離散元數(shù)值方法可以十分近似地模擬非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為[5]。因此本文根據(jù)該隧道的巖性特征采用PFC2D（基于離散元法的顆粒流軟件）從細(xì)觀角度分析開挖方式的影響。

1 裂隙巖體隧道開挖模型

量化隧道開挖方式對裂隙巖體穩(wěn)定性的影響對選擇開挖方式非常重要,因此通過離散元軟件PFC 對隧道開挖卸載導(dǎo)致的圍巖損傷進(jìn)行了模擬。

采用PFC2D軟件建立數(shù)值模型需要以下幾個必要的步驟：①生成并彈開顆粒→②伺服使顆粒體系均勻→③消除懸浮顆粒→④賦予細(xì)觀參數(shù)→⑤清零速度位移力鏈。根據(jù)重陽2 號隧道工程背景,由于隧道圍巖較為破碎,因此必須在計(jì)算中必須考慮裂隙對巖爆的影響。根據(jù)現(xiàn)場的圍巖的裂隙分布特征模擬中建立了對應(yīng)的DFN 裂隙網(wǎng)絡(luò)。對最大埋深處的隧道開挖進(jìn)行模擬,豎向地應(yīng)力為17.29 MPa,水平地應(yīng)力為16.53 MPa,開挖隧道形狀為馬蹄形。隧道開挖受影響范圍為洞身直徑的3～5 倍,圍巖應(yīng)力在大于洞身直徑6 倍的范圍內(nèi)接近于原始地應(yīng)力[6],因此計(jì)算模型采用75 m×75 m 的尺寸,這樣可以更好地避免模型邊界條件給模擬結(jié)果帶來影響。另外,出于保證計(jì)算效率和計(jì)算精度的角度考慮,模型采用4 組顆粒組成（見圖1）,圖1 為四分之一的最終生成模型,每種顆粒的粒徑均不相同,顆粒粒徑從小到大順序?yàn)?～4,由內(nèi)向外逐漸變大。模型中心顆粒粒徑與第2 組模型一致,為隧道開挖部分,并不影響模型計(jì)算結(jié)果。模型開挖前共有62 835 個顆粒,模型顆粒分布情況及粒徑大小信息詳見表1。

圖1 顆粒流離散元模型

表1 數(shù)值模型顆粒尺寸分布情況表

由于重陽2#隧道圍巖較為破碎,因此在計(jì)算中必須考慮裂隙的影響。根據(jù)現(xiàn)場的圍巖裂隙分布特征,在顆粒模型中建立了對應(yīng)的DFN 裂隙網(wǎng)絡(luò)。建立模型時(shí)主要生成的裂隙見表2,其中傾角、跡長均為高斯分布,但裂隙位置隨機(jī)分布。為了提高計(jì)算效率,只在模型中間一定區(qū)域內(nèi)生成裂隙,模型見圖2。考慮計(jì)算效率與實(shí)際情況,只在隧道開挖影響區(qū)域內(nèi)添加三組裂隙。

表2 優(yōu)勢裂隙面參數(shù)

圖2 裂隙巖體模型

2 開挖模擬流程

采用“先加載后開挖”的方式模擬隧道開挖情況,可以更加實(shí)際地反應(yīng)隧道圍巖的受力狀態(tài)。首先采用PFC2D軟件建立模型；然后建立邊界條件設(shè)置地應(yīng)力,地應(yīng)力加載到合適的水平時(shí),將模型的位移場清零；在保持邊界條件不變的情況下,刪除開挖區(qū)域的顆粒并計(jì)算平衡來模擬開挖過程。其中全斷面開挖直接通過刪除隧道斷面區(qū)域內(nèi)的顆粒即可實(shí)現(xiàn),上下臺階法開挖具體步驟如下：

（1） 首先開挖隧道上半部分,見圖3(a)。

（2） 對上臺階的開挖部分施加初期襯砌,通過加入固定的黏結(jié)顆粒環(huán),然后在開挖區(qū)域中充滿襯砌材料,并且讓巖石顆粒不受束縛。見圖3(c)。

（3） 開挖隧道下半部分并計(jì)算平衡,見圖3(d)。

圖3 二臺階法開挖流程

3 裂隙巖體隧道不同開挖方式結(jié)果分析

這里按實(shí)際施工采用3 種工況,第一種為裂隙巖體中全斷面開挖,第二種為為完整巖體中全斷面開挖,第三種為裂隙巖體中上下臺階法開挖。各工況下模擬結(jié)果分析如下：

3.1 裂紋分布圖

裂隙巖體中全斷面開挖隧道共生成15 738 個裂紋,其中上部圍巖中產(chǎn)生的裂紋有8 835 個,下部圍巖中產(chǎn)生的裂紋有6 903 個,而無裂隙巖體中全斷面開挖隧道生成2 814 個裂紋,二者相差6 倍左右,可見對于完整性較差的巖體采用連續(xù)介質(zhì)模型計(jì)算其結(jié)果是偏于安全的。因?yàn)樵诹严稁r體中開挖隧道,裂紋從圍巖中裂隙的尖端萌生,然后在裂隙間擴(kuò)展形成宏觀破裂面,并與已有裂隙連接貫通,將圍巖切割成塊體,更易導(dǎo)致隧道圍巖的不穩(wěn)定。

二臺階法施工時(shí)先開挖上臺階,支護(hù)完成后再開挖下臺階。與全斷面開挖相比,上下臺階法開挖共生成12 802 個裂紋,其中上部圍巖中產(chǎn)生的裂紋有7063 個,下部圍巖中產(chǎn)生的裂紋有5 739 個。兩種開挖方式下產(chǎn)生的裂紋主要分布于隧道開挖輪廓周圍,并且在開挖輪廓往四周擴(kuò)展開的深處存在節(jié)理的地方也產(chǎn)生了不少裂紋。從裂紋數(shù)比較可見二臺階法開挖時(shí)上部圍巖中裂紋減少近20%,下部圍巖中裂紋減少近17%,說明二臺階法開挖可有效控制施工過程中圍巖的破壞。

3.2 綜合位移云圖

圖4 為裂隙巖體中開挖后圍巖的綜合位移云圖,圖中開挖輪廓四周較為整體連續(xù)部分是指圍巖綜合位移超過了2 cm。可見相較于全斷面開挖來說,二臺階法開挖時(shí)圍巖綜合位移超過2 cm 的區(qū)域明顯變小,說明二臺階法開挖時(shí)圍巖變形明顯減小。

圖4 裂隙巖體不同開挖方法位移云圖

4 數(shù)值模擬結(jié)論

通過以上的數(shù)值模擬計(jì)算能夠得到如下規(guī)律性的認(rèn)識：

（1） 隧道圍巖中的裂隙對隧道圍巖的破壞具有決定性作用,含裂隙的圍巖由于開挖卸載造成的裂隙數(shù)量是不含裂隙圍巖的6 倍左右。

（2） 從裂紋數(shù)比較可見二臺階法開挖時(shí)上部圍巖中裂紋減少近20%,下部圍巖中裂紋減少近17%,說明二臺階法開挖可有效控制施工過程中圍巖的破壞。由此可見,如果能通過周邊眼聚能裝藥及改變周邊眼起爆次序減少圍巖中新產(chǎn)生的裂隙,達(dá)到一定數(shù)量即可以用全斷面開挖法取代二臺階法施工。從而減少了二臺階爆破的施工工藝；同時(shí)爆破塊度均勻,利于裝碴；控制了超欠挖,減少了支護(hù)混凝土用量,降低了成本,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。