基于堆体坍塌机制的隧道灾变安全控制分析

蒯　磊　李仕雄　刘年平　李倩倩

(西南科技大学环境与资源学院)



基于堆体坍塌机制的隧道灾变安全控制分析

蒯磊李仕雄刘年平李倩倩

(西南科技大学环境与资源学院)

摘要通过一系列堆体实验，从输入物质能量、内部结构和边界条件三方面分析堆体的坍塌机制，指出隧道施工系统中灾变发生的表现形式，并给出相应控制灾变发生的安全管理与施工防护措施建议，为有效预防和减少隧道灾害事故提供一定的理论基础和指导依据。

关键词施工隧道堆体实验坍塌机制灾害防治

随着经济水平不断的提高，为了促进地质条件较为复杂的偏远山区发展，国家不断加大该地区的交通建设，尤其是隧道建设。由于隧道工程施工的地质条件的特殊性，使其具有工期长、技术要求高、经费多等特点，同时隧道工程在施工过程中常常面临滑坡、涌水、岩溶塌陷等地质灾害以及人员伤害、设备损坏等事故的发生。这一系列的灾害事故都是在灾害系统内发生的，有必要去探究复杂系统的灾变机制。李仕雄等人利用沙堆和米堆简化模型实验研究了系统自组织临界性、导致灾害的因素以及灾害的演化预测[1-3]；李洁、黄琳等用系统控制的观点分别将此研究成果应用于电力系统和地下岩土工程[4-5]；然而他们缺乏更全面地分析沙堆和米堆的灾变机制。一个系统的演化机制包括增长机制和连锁反应机制，而灾变机制属于连锁反应机制。系统灾变的安全控制是要控制这种连锁反应发生的条件，这是事故预防的基础。或者在这种连锁反应的过程中切断连锁反应的链条，就能够减轻事故导致的损失。李仕雄等人之前提出影响沙堆坍塌的因素是结构、状态和外界扰动，由于沙堆状态和外界扰动因素属于内部结构和物质能量输入的一部分，因此，基于以上普适性因素理论，他又新提出探究堆体的灾变机制须从输入物质能量、内部结构、边界条件三大影响因素出发。故本文通过堆体实验从这3个方面探究系统的坍塌机制，并将其运用在隧道施工系统中，指导和控制系统的安全管理和防护。

1堆体坍塌机制实验

1.1实验装置

本实验堆体颗粒物分别为大米、荞麦、芝麻(粒径由大到小)；所用的圆盘规格分别为150(φ17 cm),226(φ24 cm),269 g(φ34 cm);2台精密电子称(1#、2#)；高度可调的斜坡装置。实验装置见图1。

图1　实验装置

1.2实验方法

物质能量输入输出是通过加入不同质量(77，127，427 g)的颗粒物，加入同种质量的实验次数均为150次。实验步骤：①称量出圆盘的质量，设定首次坍塌颗粒物的质量为0 g；②由另一台电子称每次称量77 g的颗粒物，通过斜坡面均匀地加入到圆盘中间，并读取圆盘和颗粒物的总质量，用前一个质量加上77 g减去本次读取的数值即为颗粒物此次坍塌的质量；③重复②步骤150次，记下每次坍塌颗粒物的质量数据；④改变添加颗粒物质量为127和427 g，按照步骤①～③分别进行150组实验。结构的变化是通过改变颗粒物的种类(大米、荞麦、芝麻)实现的，加入量均为77 g，实验步骤参照上述①～③。边界条件的变化是通过改变颗粒物加入的不同直径圆盘实现的，每次加入颗粒物的量均为77 g。开始时将颗粒物加入到φ17 cm的圆盘中并按照步骤①～③进行150次实验，然后将φ17 cm圆盘及颗粒物一并加入到φ24 cm的圆盘中，同样进行150组实验，最后再变换到φ34 cm圆盘中进行150组实验。

1.3实验结果与分析

1.3.1物质能量输入输出变化对堆体坍塌的影响

图2为加入77，127和427 g米粒的崩塌序列图。可以看出，上下震荡的曲线里相邻点之间有高、有低，表示每次堆体坍塌的规模。相邻点之间震荡曲线越高表示坍塌越多，反之越少。在开始加入时，曲线出现了负值，表示实验中的小误差，随后输入量越大，崩塌的规模就越大。当每次加入米粒77 g时，米堆发生大规模坍塌次数要比加入米粒127和427 g时要少很多。由此可以得到，堆体系统的坍塌受其物质能量输入输出的影响，若堆体的物质能量输入越高，堆体发生坍塌的几率越高，整个堆体偏离平衡态的几率就越高。

图2　不同输入量米粒的崩塌序列

1.3.2结构变化对堆体坍塌的影响

不同颗粒物输入量为77g的崩塌序列见图3。可以得出，与荞麦、芝麻相比较，米粒的粒径是最大的，在这种情况下堆体系统发生坍塌的规模也是最大的。因此，若堆体中组元结构越大，堆体越容易发生大的坍塌。芝麻的粒径最小，但在芝麻组成的堆体中小的坍塌事件极其频繁。可以验证出堆体的内部结构对其自身的稳定性有着重要的影响，组元的大小与其自身平衡状态有着密切的关系。

图3　不同颗粒物输入量为77 g的崩塌序列

1.3.3边界条件的变化对坍塌的影响

不同边界条件输入量为77 g荞麦粒的崩塌序列见图4。可以看出，实验开始时圆盘中的颗粒物不断增加，只有极少量的颗粒物蹦出圆盘之外。随着实验的持续进行，发生第一次大的崩塌事件，此后每一次的输入都会发生大小不同的崩塌事件。当圆盘直径不断变大，堆体从极少量的坍塌到大规模的坍塌，崩塌量越来越大。由此可得，堆体中若边界发生大的改变，堆体发生崩塌的几率将增加，且对整个堆体的破坏也将增大。

图4　不同边界条件输入量为77 g荞麦的崩塌序列

2隧道系统安全控制

通过对输入物质能量、内部结构和边界条件分析堆体的坍塌机制，探讨施工隧道系统中的灾变表现形式，并提出相应的安全控制措施及建议。

2.1物质能量输入输出方面控制

上述堆体实验结果显示，当加入77 g颗粒时堆体的坍塌几率会减少，而当逐渐增大输入时，堆体的坍塌几率就越高，说明大的输入会有大的坍塌规模，小的输入坍塌规模就小，因此，在控制灾变系统时，应尽量控制小的输入以减弱物质能量的输入对灾变的影响。大部分隧道是以岩石类为主的施工工程，通常采用新奥法进行施工，需要钻孔爆破，炸药爆炸会在极短时间内产生高温高压的气体，体积急剧扩大，由此产生能量形成巨大的冲击波使周围的岩石被击碎[6]。这是整个正在施工的隧道系统主要的物质能量输入。爆破对隧道围岩产生的危害：首先，周围轮廓的围岩会受到爆破的直接作用，通过爆破产生的裂隙进入围岩中，贯穿天然裂隙和节理，“气楔效应”使裂隙扩张；其次，在表层的围岩会受到表层波和反射拉伸波的作用导致形成的裂隙进一步扩展，甚至影响周围的块体，更有可能影响到控制关键稳定的块体导致坍塌事件的发生；最后，爆破产生的应力波、气体冲击波及飞石对于未达到设计强度混凝土初喷层及锚杆产生一定的破坏作用导致初喷层粘结性变差，锚固体、锚杆及孔壁之间产生裂隙。因此，针对隧道爆破灾变从物质能量输入输出方面来控制，减弱爆破对围岩震动带来的影响，可以控制炸药爆破速度，比如钻孔内采用不耦合装药结构；还可以采用控制单响起爆药量、多分段起爆、光面爆破和预裂爆破的方法[7]，通过控制小的输入量以削弱爆破振动对围岩的影响。

2.2内部结构方面控制

结构变化对坍塌影响的实验结果显示，不改变边界和输入量，对于粒径相对较大米粒堆体，发现其坍塌的规模大，但是坍塌的频率会相应地减少；反之，对于粒径最小的芝麻粒堆体，其坍塌的规模最小，但是其坍塌的频率会相应地增多。在施工隧道中，详细分析开挖隧道段的围岩分级及对较软弱围岩及时支护就很重要。围岩级别分类基本是以稳定性为基础和按弹性纵波的方法进行组合分级[8]。把不同的围岩级别当作是整个施工隧道系统内部结构的改变，而影响该系统内部结构的主要因素有岩石材料的质量、岩体的完整性、地质构造的特征、地下水的活动以及地应力等。如何对内部结构改变进行有效控制，保持其稳定性是减少灾变发生的关键。在隧道的施工过程中，需要做到以下几个方面：①针对隧道地质围岩比较差的地方可以使用超前锚杆支护，进而对系统内部结构起到先前稳固的作用；②针对地质条件较差的软弱围岩洞口，先使用管棚法稳固开挖隧道围岩，再采用中隔壁法进行开挖；③针对围岩结构已经发生改变的，需要对使用的钢拱架、钢筋网以及钢纤维做出相应的改变以满足隧道内围岩稳定的需求；④针对不同的隧道系统内部结构，改变其喷浆厚度和二衬施工中混凝土强度及厚度，对内部结构进一步稳固。以上措施只是围岩稳固的几种常见方式，可以有效地控制施工隧道系统内部结构的稳定性，达到减少灾害事故的目的。

2.3边界条件方面控制

边界条件变化对坍塌影响的实验结果显示，在不改变输入量和内部结构的情况下，当圆盘直径变大，其堆体坍塌的规模越大，直径很小时，堆体坍塌规模就减小，在实际情况中还应该研究边界条件变小的情况，本实验只探究了施工中不同开挖断面对整个施工隧道系统的影响，所以没有必要再考虑边界条件变小的情况。在隧道施工过程中，应尽量控制一个合理的边界条件，即针对不同的围岩等级选择合理的开挖方法。例如：在Ⅴ级围岩区洞口段易采用管棚法进洞，后续可实行中隔壁法开挖；在Ⅳ级围岩或Ⅴ级围岩区域可使用台阶法施工，而在Ⅲ级围岩区域则可使用全断面法施工。之所以针对不同的围岩级别实行不同的开挖方法，主要是考虑到在隧道系统中若比较差的内部结构再有大的边界改变可能会导致大的灾变发生。所以隧道开挖方法的选择其实质上是为了控制整个施工隧道系统的边界条件来防止灾害事故的发生。

2.4在时间和空间上组合控制

以上是从隧道系统的3个因素单独进行分析和控制，然而施工隧道这一动态系统往往需要将这三者在时间和空间上进行组合才能对其实现更加有效的安全控制。从时间上来说，在隧道开挖前，可先进行超前预报，以此探知即将开挖隧道系统的内部结构，并据此选择合理的开挖方式和预防灾变的措施；在对隧道进行爆破时，需实时监测以便及时反应围岩爆破面的情况，而在爆破完成后，需立即清除石渣、石块以便及时对围岩喷锚支护，维持围岩的稳定状态；在隧道进行初衬和二衬时，需相隔一定时间使其强度达到要求并及时监测其强度变化。从空间上来说，在爆破过程中，应控制每一排炮的进尺；在支护过程中，须控制工字钢之间及锚杆之间的距离；在开挖过程中，须控制施工的安全距离，若实行上下台阶法施工，须使台阶与掌子面之间保持在一定的范围内。这种从时间和空间上进行组合并实时监测的方法才会使整个隧道施工系统处于更安全、更稳定状态。因此，必须遵循“弱爆破、少扰动、短开挖、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则。

3结论

通过堆体实验，从输入物质能量、内部结构和边界条件3个因素探究堆体的坍塌机制，得到堆体的物质能量输入量越高，堆体发生坍塌的几率越高，整个堆体偏离平衡态的几率也就越高；堆体内部结构组元越大，越容易发生大的坍塌事件，组元越小，发生小的坍塌事件越频繁；堆体的边界发生大的改变时，发生崩塌的几率将增加，且对整个堆体的破坏也将增大。将堆体坍塌机制运用在隧道施工灾变系统中，指出控制爆破是隧道施工系统中控制能量输入的最主要方式，详细的围岩级别鉴定和及时性支护方式是控制其内部结构改变的主要方法,在边界条件方面选择合适的开挖方法是控制隧道发生灾变的有效方式。控制灾变发生的相应安全管理与施工防护措施建议为有效预防和减少隧道灾害事故提供一定的指导依据。

参考文献

[1]苏凤环,姚玲侃,李仕雄.自组织临界性研究及其在灾害预测中的应用[J].自然灾害学报,2005,20(2):1-4.

[2]何越磊,姚玲侃,李仕雄.沙堆模型动力学特性与灾害系统演化预测研究[J].自然灾害学报,2005,14(4):44-50.

[3]李仕雄,姚玲侃,蒋良潍.灾害研究中的自组织临界性及其判据[J].自然灾害学报,2005,12(4):82-87.

[4]李洁.复杂系统灾变机制在电力系统中的应用[D].绵阳：西南科技大学,2006.

[5]黄琳.地下岩土工程事故系统化控制模式与方法[D].绵阳：西南科技大学，2009.

[6]于书翰,杜谟远.隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7]舒大强.新奥法施工中的控制爆破[J].爆破学报，1992(4):18-21.

[8]傅鹤林,赵朝阳.隧道安全施工[M].北京:人民交通出版社，2010.

(收稿日期2015-12-11)

蒯磊(1988—)，男，硕士研究生，621010 四川省绵阳市。