極高地應力硬巖隧道洞群間距對巖爆的影響研究*

袁 松,王希寶,陳子全,蔣長偉

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610017;2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國“西部大開發”和“一帶一路”倡議的實施,交通基礎設施建設發展迅猛、規模逐漸擴大,越來越多的高速公路穿過崇山峻嶺,但在公路獨立雙洞隧道布線時會受到地形限制,壓縮雙洞間距有時不可避免。雖然連拱隧道能解決該問題,但由于其成本較高、工藝要求高,不能廣泛應用。于是小凈距隧道結構形式越來越多地應用于隧道工程中[1-3]。不過在高地應力硬巖隧道中,存在巖爆發生的風險,不同的隧道凈距對隧道發生巖爆的劇烈程度有所影響,選擇合理的隧道凈距可有效減緩隧道在開挖過程中產生巖爆的劇烈程度,因此,有必要對不同隧道凈距下圍巖的變形和力學特征進行研究,再使用巖爆判據判斷巖爆發生的劇烈程度,優化隧道凈距,這對推動高地應力硬巖小凈距隧道的發展和應用具有重要意義。

目前國內外許多學者主要研究了洞口淺埋隧道的合理凈距選擇、中夾巖加固及穩定措施、先行洞開挖及支護對后行洞的影響等。Zhang等[4]提出了一種利用非線性破壞準則極限分析和可靠度理論分析雙淺埋隧道穩定性的方法;劉陽[5]從圍巖塑性流變、板梁彎曲、節理面滑移和壓桿失穩等方面分析了軟巖擠壓性大變形隧道在不同凈距下的變形規律,他認為凈距<2D(D為正洞寬度)時,水平收斂及初支受力隨凈距增大而增大,凈距>2D時,隨凈距增大而減小;劉艷青等[6]分析了并行隧道的力學狀態,他認為先開挖較差巖體一側的隧道,巖體的力學形態比先開挖較好側隧道要好;丁晨曦對公路隧道后行洞開挖進尺進行了研究,提出了不同凈距下后行洞所允許的最大開挖進尺;賀曉銘[7]分析了隧道兩洞間的縱向空間效應,提出了合理的縱向施工間距;田志宇等[8]從靜力學、動力學兩個方面對小凈距隧道中夾巖的破壞模式進行了研究,得出了隧道中夾巖的破壞始于靠先行洞一側拱腰位置的結論。

上述學者對隧道合理凈距的選擇進行了大量研究,但卻忽視了埋深和高地應力對兩洞的相互影響。吳枋胤等[9]通過數值模擬對比不同隧道凈距、順序、縱向步距下洞周變形與塑性破壞規律,并探討局部擴挖洞形的可行性,得出適宜的關鍵參數;吳開華等[10]指出,中夾巖有效承載寬度及抗壓強度會影響附加承載拱的形成,伴隨中夾巖有效承載寬度及抗壓強度的增大,圍巖壓力均呈現線性減小趨勢,增大到一定程度,附加承載拱消失,圍巖壓力穩定,為單洞受力狀態;李磊等[11]研究了成蘭鐵路楊家坪隧道受高地應力影響的小凈距隧道大變形問題,根據不同凈距的影響程度,將影響區段劃分為3個分區,即I強影響區0～6m(0～0.6D),II中影響區6～18m(0.6D～3D),III弱影響區(>3D);毛永明[12]基于圍巖整體滑移剪切、應力解析法建立隧道圍巖應力理論計算分析模型,給出圍巖應力計算表達式,結合數值仿真驗證該理論的合理性,研究d或hc變化對拱頂、拱腳、拱肩和拱腰圍巖應力的影響。目前高地應力環境下對不同凈距及雙正洞隧道中間包含平導的三洞隧道影響程度和可控程度研究較少,尤其對高地應力下硬巖三洞隧道的合理凈距及洞形選擇的相關研究更少,亟待進一步深入研究。

本研究以高地應力條件下硬巖隧道為研究對象,以理論分析、數值仿真的方法,針對不同凈距對高地應力硬巖隧道的影響,同時對不同側壓力系數下的隧道進行了凈距影響分析,最后以彈性應變能作為巖爆判據,得到各種工況下的合理凈距,為實際工程提供參考。

1 工程概況

擬建龍門山隧道地處青藏高原東南緣,屬青藏高原向四川盆地的過渡地帶,川西平原西側,龍門山中段,其總體為構造剝蝕和河流侵蝕作用形成的深切割高山區。隧道走廊帶地處龍門山陸內復合造山帶,區域構造應力極大。地下水主要為第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水2類。龍門山東南側彭州段屬亞熱帶濕潤季風氣候,西北側汶川縣屬岷江上游半干旱河谷地區。成汶高速公路彭州—汶川段隧道工程具有超大埋深、超高地應力、穿越活動斷裂帶等特點。如圖1所示擬建龍門山隧道全長約25km,最大埋深為2 474m,隧道最大埋深處最大水平地應力值可達約87MPa,巖體以巖漿巖為主,且位于活動斷裂帶附近,深埋段巖漿巖具備發生巖爆的條件,施工過程中發生巖爆的可能性較大。

圖1 龍門山隧道縱斷面及巖性分布

2 計算模型及計算工況

FLAC3D被廣泛應用于工程結構受力特性模擬,能進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬,滿足本文建模需要。利用FLAC3D軟件建立龍門山隧道實際的三維數值模型。在高地應力硬巖隧道合理凈距的計算分析中,主要考慮了(0.5～2.5)D5種不同凈距(變化梯度為0.5D),所以每種工況都有5種計算模型。其中,凈距為1.5D的模型尺寸為120m(高)×170m(寬)×100m(長),隧道正洞跨度約9.26m,高約8.26m,隧道平導的跨度約為6.15m,高約7.35m,三維模型共計368 462個結點、322 930個單元。模型底面及側面施加法向位移約束,通過對頂面施加埋深對應的自重荷載,對4個側面施加對應的側壓力系數,恢復初始地應力狀態后得到初始的地應力模型(見圖2)。

圖2 凈距為1.5D的三維計算模型(單位:m)

選取地應力水平為40MPa做研究,還增加考慮了高地應力條件下不同側壓力系數對選擇合理凈距的影響,設計了其他側壓力系數的計算工況,其中每種計算工況的圍巖參數如表1所示。

表1 各計算工況圍巖物理力學參數

3 計算分析

運用FLAC3D程序模擬隧道開挖,在模擬開挖過程中,荷載釋放過程由FLAC3D程序自動完成,圍巖應力進行相應調整。下面將具體針對工況2左洞的8個特征點分別從位移、最大主應力及最大切向應力方面進行分析。

3.1 位移分析

工況2各凈距下正洞的位移云圖如圖3所示,由于左、右正洞對稱,即左正洞位移分布規律與右正洞相同,以下將重點以左洞為參考進行分析。在彈性模量為30GPa時,0.5D凈距下的臨空面上位移大小為拱頂>右拱肩>左拱肩>拱底>左拱腰>左拱腳>右拱腳>右拱腰,2.5D凈距下的臨空面上位移大小為拱頂>左拱肩>拱底>右拱肩>左拱腰>右拱腰>左拱腳>右拱腳。5種凈距下的都是拱頂位移最大,在凈距分別為0.5D,D,1.5D,2D,2.5D時,對應的拱頂位移量為14.5,12.8,12.1,11.7,11.4mm,說明此時拱頂的位移量隨著凈距的增大而減少,即增大凈距能有效控制拱頂發生位移。

圖3 各凈距下位移云圖

由圖4可知,工況2各凈距下每個特征點的位移大小及相互間的規律。在不同凈距下,拱頂位移始終最大,左特征點的位移均大于對應的右特征點位移。隨著凈距增大,左、右拱肩位移呈下降趨勢,且左、右拱肩位移差值逐漸縮小;拱頂和拱底位移也呈下降趨勢。

圖4 各凈距下特征點位移

3.2 最大主應力分析

根據圖5所示最大主應力圖可得到,右拱腰和右拱腳處的最大主應力較大,隨著凈距增大,該處最大主應力在逐漸減小。這說明凈距的增加會使得最大主應力較大處的最大主應力減小。

圖5 各凈距下最大主應力云圖

由圖6可知工況2各凈距下每個特征點的最大主應力大小及相互間的規律。在不同凈距下,右拱腳最大主應力最大,其次是右拱腰的最大主應力較大,且隨著凈距增大,最大主應力的減小速率最快。隨著凈距增大,最大主應力較大位置的最大主應力在逐漸減小,且減小幅度也在減小;最大主應力較小位置最大主應力變化不大,部分位置會少量增大。

圖6 各凈距下特征點的最大主應力

3.3 最大切向應力分析

由圖7可知工況2各凈距下每個特征點的最大切向應力大小及相互間的規律。在不同凈距下,右拱腳最大切向應力最大,其次是右拱腰的最大切向應力較大,且隨著凈距增大,最大切向應力的減小速率最快。隨著凈距增大,最大主應力較大位置的最大切向應力在逐漸減小,且減小幅度也在減小;最大切向應力較小位置最大主應力變化不大,部分位置會少量增大。

圖7 各扁平率下各特征點的最大切向應力

總的來說,當凈距增加時,基本上位移大的地方位移會降低,最大主應力大的地方位移會降低,最大切向應力的變化與最大主應力的變化規律基本相同,其中無論是位移還是應力,左洞的右特征點的量值均大于左特征點的量值,并且左洞的右特征點的變化量值也均大于左特征點的變化量值。

4 側壓力系數影響分析

4.1 位移分析

各工況下不同側壓力系數下各特征點位移隨凈距變化關系如圖8所示。拱頂位移隨凈距的增加而減小,隨著側壓力系數的增大而減小。拱底的位移隨著凈距的增加而減小,隨著側壓力系數的增大而減小。左拱肩的位移隨著凈距的增加而減小,隨著側壓力系數的增大而增大。右拱肩的位移隨著凈距的增加而減小,而體現出側壓力系數的影響變化的是在凈距1.5D的前后,小于凈距1.5D時,右拱肩位移隨著側壓力系數的增大而減小,大于凈距1.5D之后,可以看出右拱肩位移減小的速率隨著側壓力系數增大而減小的。左拱腰的位移隨著凈距的增加而基本不變,隨著側壓力系數的增大而增大。右拱腰的位移隨著凈距的增加而增大,隨著側壓力系數的增大而增大。左拱腳的位移隨著凈距的增加而基本不變,隨著側壓力系數的增大而增大。右拱腳的位移隨著凈距的增加,先減小后增大,在側壓力系數為0.8和1.0時,右拱腳位移在凈距為1.5D時降到最小值,在側壓力系數為1.2和1.4時,右拱腳位移在凈距為D時降到最小值,當凈距超過1.5D后,右拱腳位移隨著側壓力系數的增大而增大。

圖8 不同側壓力系數下各特征點位移

4.2 最大主應力分析

各工況下不同側壓力系數下各特征點最大主應力隨凈距變化關系如圖9所示。拱頂的最大主應力隨凈距增加而少量增加,隨側壓力系數的增大而增大。拱底的最大主應力隨凈距增加而少量增加,隨側壓力系數增大而增大。左拱肩的最大主應力隨凈距增加而逐漸減小,隨側壓力系數增大而增大。右拱肩的最大主應力在凈距≤D時,隨凈距增加而減小,在凈距>D時,隨凈距增加而增大,右拱肩最大主應力隨側壓力系數增大而增大。左拱腰的最大主應力隨凈距增加而逐漸減小,隨側壓力系數增大而減小。右拱腰的最大主應力隨凈距增加而逐漸減小,隨側壓力系數增大而減小。左拱腳的最大主應力隨凈距增加而逐漸減小,隨側壓力系數增大而增大。右拱腳的最大主應力隨凈距增加而逐漸減小,隨側壓力系數增大而增大。

圖9 不同側壓力系數下各特征點最大主應力

綜上所述,特征點的位移變化基本規律是,隨著側壓力系數增大,拱頂和拱底位移逐漸減小,而其余特征點的位移基本上逐漸增大。特征點的最大主應力變化基本規律是,隨著側壓力系數的增大,左、右拱腰的最大主應力逐漸減小,其余特征點的最大主應力逐漸增大。

5 巖爆傾向分析

隧道掘進開挖過程中會對圍巖產生卸荷作用,使圍巖內儲存的能量瞬間釋放,導致部分巖體突然脫離圍巖,并產生聲音和彈射巖體等現象,該現象就被稱為巖爆。巖爆是能量驅動下巖體由靜態平衡轉變為動態失穩的過程,從能量角度分析,未經開挖擾動的巖體儲存一定能量,當在巖體中進行掘進,從而產生臨空面,導致巖體的損傷不斷加劇,進而引起巖體中積聚的應變能進一步加大,當積聚的能量超過巖體極限能量時,引起巖體破裂,從而發生巖爆。復雜應力狀態下巖體單元的能量滿足以下關系[13]:

U=Ud+Ue

(1)

2v(σ1σ2+σ1σ3+σ2σ3)]

(2)

式中:Ud為耗散能;Ue為可釋放彈性應變能;E0為彈性模量;v為泊松比;σi為第i主應力。

根據上述彈性應變能計算公式,可計算出各特征點的彈性應變能。各種工況下各特征點的彈性應變能如圖10所示。工況1中綜合彈性應變能較大的3個位置是右拱腳、右拱腰和左拱腰,這3個點的彈性應變能隨著凈距的增加而減小。工況2中綜合彈性應變能較大的3個位置是右拱腳、右拱腰和左拱腳,這3個點的彈性應變能隨凈距增加而減小。工況3中綜合彈性應變能較大的3個位置是右拱腳、右拱腰和左拱腳,這3個點的彈性應變能隨凈距增加而減小,且右拱腰的彈性應變能相對于其他位置下降較快,當凈距達到2.5D時,右拱腰的彈性應變能與拱頂的彈性應變能相當。工況4中綜合彈性應變能較大的3個位置是右拱腳、拱頂和左拱腳,右拱腳和左拱腳的彈性應變能隨凈距增加而減小,拱頂的彈性應變能隨凈距增加而緩慢增加,且右拱腰的彈性應變能相對于其他位置下降很快,當凈距在0.5D時,右拱腰的彈性應變能比拱頂和右拱腳都高,隨后快速下降,小于拱頂和右拱腳的彈性應變能。

圖10 各工況下各特征點的彈性應變能

彈性應變能大的地方易發生巖爆,減小洞周圍巖的彈性應變能可減緩巖爆劇烈程度。根據上述對彈性應變能的分析,隨著凈距增加,彈性應變能大的地方基本上呈現下降趨勢,故增大凈距可減緩巖爆發生。由于考慮到增加凈距會增加橫洞的開挖長度和成本,所以需找到合理的開挖凈距。工況1,2中,右拱腳和右拱腰的彈性應變能較大,且在凈距>1.5D后彈性應變能下降變得平緩,工況1,2的合理凈距為1.5D。工況3中,右拱腳、右拱腰和左拱腳的彈性應變能較大,其中右拱腰的彈性應變能下降最快,在凈距>D時,右拱腰的彈性應變能開始小于左拱腳的彈性應變能,而左拱腳的彈性應變能在凈距>D時基本不會發生變化,所以工況3的合理凈距為D。工況4中,右拱腳、右拱腰、拱頂和左拱腳的彈性應變能較大,在凈距>D時,右拱腰的彈性應變能開始小于左拱腳和拱頂的彈性應變能,并且拱頂的彈性應變能超過左拱腳的彈性應變能,且隨著凈距的增加,拱頂的彈性應變能在增加,所以工況4的合理凈距為D。

6 結語

1)隧道開挖后,左洞左側特征點的位移基本大于右側特征點的位移,而左側特征點的最大主應力和最大切應力基本小于右側特征點,所以根據最大主應力大小來判斷,左洞右側比左側更易發生巖爆。

2)左洞左側與右側對應特征點的位移差值與應力差值大小隨凈距增大而減小,凈距增加會使得隧道洞群間的影響減小。靠近中夾巖一側的位移與應力隨凈距增加變化較明顯。

3)當側壓力系數增大,拱頂和拱底位移逐漸減小,而其余特征點的位移基本上逐漸增大;左拱腰和右拱腰的最大主應力逐漸減小,其余特征點的最大主應力逐漸增大。

4)隨著凈距增加,彈性應變能大的地方基本上呈下降趨勢,同時考慮到增加凈距會增加橫洞的開挖長度和成本,得到工況1,2的合理凈距為1.5D,工況3,4的合理凈距為D。

5)本文所選取合理凈距是針對易發生巖爆的硬巖隧道,對于其他地質條件及其他工程問題,合理凈距可能會發生變化。