深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

刘建忠

(内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010050)

0 引言

随着国家基础设施投入的不断增加，大量的地下工程开工建设，地下洞室围岩稳定性问题越来越为人们所关注。而隧洞开挖过程中出现的岩爆灾害更是很大程度上影响着围岩的稳定性，岩爆不仅严重威胁施工人员及设备的安全、影响施工进度，而且还会造成超挖、初期支护失效等问题，严重时还会诱发地震。已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一，并受到各国相关学者的广泛关注［1］。

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河源流叶尔羌河主要支流之一的塔什库尔干河中下游。其引水发电洞全长4 637 m，直墙拱形断面为隧洞主要断面形式。围岩岩性主要以片麻状黑云斜长花岗岩为主，新鲜完整，岩质坚硬。隧洞高程约为2 899 m，洞顶围岩厚度100 m～1 380 m。

引水发电洞施工过程中的岩爆问题很大程度上影响了围岩的稳定性，对人员和施工机械的安全构成了威胁，一定程度上影响了施工进度。为此，本文采用有限元理论，数值模拟分析了直墙拱形断面隧洞在相同侧压系数、不同埋深工况下的围岩应力，得到了围岩应力随埋深的一系列变化规律，并采用Russense岩爆判据初步判别了岩爆可能性，得出了岩爆可能发生的部位。所得结论对隧洞工程的设计和施工过程中围岩岩爆的防治具有一定的指导作用。

1 岩爆及其判据

岩爆是地下工程开挖过程中，坚硬、脆性围岩在高应力条件下，因开挖扰动导致围岩应力重新分布和应力集中，岩体内储存的弹性应变能突发性的急剧释放，而产生的爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳、破坏性的地质灾害［2］。

近几十年，在施工现场探测和理论相结合的基础上，国内外学者提出了多种岩爆判别指标，形成了不同的岩爆判别方法。本文以具有代表性的Russense岩爆判别法作为计算分析中岩爆现象是否出现的依据。其判别关系为［3，4］:

其中，sθ为洞室的最大切向应力;RC为岩石单轴抗压强度，结合工程实际，此处取150 MPa。

2 有限元模型

下坂地引水发电洞中，直墙拱形断面的尺寸如图1所示。

由圣维南原理可知，隧道开挖影响范围为距离隧道中心3倍～5倍的开挖宽度。因此，本文有限元模型取70 m×70 m。隧洞上埋围岩厚度参考设计院及施工单位提供的资料而定。水平构造应力根据岩石力学理论中的侧压系数给定。模型底部边界施加两向约束，上部施加自重应力，两侧边界施加等值水平构造应力。有限元分析按平面应变问题建立二维模型，围岩采用实体单元Plane42模拟，有限元模型如图2所示。

根据引水洞具体埋深情况，针对200 m～1 200 m六种埋深下的围岩应力分布情况，分别进行了有限元模拟。数值分析中，围岩侧压系数根据金尼克弹性理论取值，具体表达式为:m/(1－m)。有限元模型中的围岩参数见表1。

表1 围岩参数表

3 数值结果与讨论

图3～图5给出了1 200 m埋深时隧洞主拉应力、主压应力、隧洞洞周切向应力的分布云图。由图3可知，隧洞主拉应力峰值位于隧洞底部，约22.0 MPa，隧洞顶部拉应力峰值约为15.3 MPa，隧洞直墙段中部亦出现拉应力区。图4给出了隧洞主压应力云图，主压应力峰值位于拱墙与直墙段相接处及其附近，约为103 MPa。由图5可知，隧洞洞周切向应力峰值约为97.4 MPa，峰值位置位于拱墙与直墙段相接处及其附近。

图1 直墙拱形断面引水洞

图2 有限元模型

图3 主拉应力云图

图4 主压应力云图

图5 洞周切向应力云图

表2给出了数值分析的具体结果。由表2分析可知，当隧洞埋深不大于200 m时，隧洞围岩未发生岩爆现象。隧洞埋深从400 m～1 200 m时，岩爆等级由弱到强不断提高。

随埋深增加，隧洞主拉应力峰值呈线性递增趋势，主拉应力峰值位于隧洞顶部局部和隧洞底部;主压应力峰值和隧洞洞周切向应力亦随埋深线性增加，二者峰值位置均位于隧洞拱墙与直墙段相接处及附近。

表2 数值分析结果表

图6给出了隧洞围岩岩爆判据系数随隧洞埋深的变化曲线。由图6可知，1 200 m埋深时，隧洞洞周切向应力已高达113 MPa，岩爆判据系数为0.75，其值远大于0.55，可能发生强岩爆现象。

图6 岩爆判据系数随埋深变化曲线

4 结语

随埋深增加，隧洞围岩应力基本上呈线性增大趋势。主拉应力峰值位于隧洞顶部局部和隧洞底部，主压应力和洞周切向应力峰值位于隧洞拱墙与直墙段相接处及附近。在侧压系数不变的情况下，隧洞围岩随埋深的不断增加，岩爆等级不断提高。岩爆可能发生部位为拱墙与直墙段相接部位及其附近。

因此，直墙拱形深埋隧洞施工时，应对拱墙与直墙段相接部位进行重点防护，开挖过程中亦可采取一些超前应力释放的措施，或进行超前支护，以确保人员和施工机械的安全。

新疆下坂地水利枢纽工程引水发电洞已经竣工，本文所得岩爆分析结果，与该项目施工过程中发生的岩爆特征基本吻合。由此，本文有限元模型可有效应用于深埋隧道围岩稳定性分析，所得结论对工程设计和施工有一定指导意义。

［1］徐则民，黄润秋，范柱国，等.长大隧道岩爆灾害研究进展［J］.自然灾害学报，2004，13(2):16-24.

［2］徐奴文，唐春安，周济芳，等.锦屏二级水电站施工排水洞岩爆数值模拟［J］.山东大学学报(工学版)，2009，39(4):134-139.

［3］张镜剑，傅冰骏.岩爆及其判据和防治［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(10):2034-2042.

［4］徐士良，朱合华，丁文其，等.秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施［J］.岩土力学，2009，30(6):1759-1763.