高应力硬岩隧道开挖施工技术及其数值分析

郭勇生 范少辉 方 刚 灰潘强

(1.中铁北京工程局集团第一工程有限公司，陕西 渭南 714000； 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

1 概述

随着铁路建设规模的不断扩大，隧道的深度逐渐加深，难免会穿过高地应力区域。此时，岩体在高地应力的作用下容易发生大变形，甚至发生岩爆灾害。岩爆的发生，会给隧道工程造成经济的损失，甚至造成难以弥补的后果。黄润秋[1]采用了断裂力学和损伤力学的理论，从岩体中岩石之间的排列、连接和微裂隙的产生及发展这几个方面研究了岩体的结构特征对岩爆程度的影响。王挥云[2]提出了损伤效应函数，并采用数值模型分析了圆形隧道的岩爆，获得了岩爆的临界影响范围和临界压力。刘小明[3]通过损伤力学分析，给出了脆性岩石岩爆损伤能量指数的概念，提出了岩爆发生的判别条件。另外，较多国内学者[4,5]采用数值模型，研究了高地应力硬岩隧道的施工技术与方法，为隧道安全通过高地应力区域提供了参考。本文基于蒙华铁路桐木高应力硬岩隧道的自然环境和地质条件，提出采用全断面法施工，辅助采用长大管棚超前支护；并采用弹塑性有限单元法对施工全过程进行了模拟分析，为施工设计提供依据。

2 工程概况

桐木隧道位于江西省宜丰县境内，隧道进出口里程分别为DK1702+770，DK1708+142，全长5 372 m，为单洞单线隧道，隧道最大埋深282 m。隧道穿越地层主要为花岗闪长岩、元古界双娇山群千枚岩，地表分布有第四系覆盖层。隧址区地质构造较复杂，断裂和褶皱较发育，循断裂走向挤压破碎，糅褶扭曲较强烈。

隧道沿线经过地层主要为γδ22a雪峰晚期侵入花岗闪长岩及Ptsh元古界双娇山群千枚岩，地表分布有第四系覆盖层。其中雪峰晚期第一次侵入花岗闪长岩，中粗粒结构，块状结构，岩质硬，

工程性质较好。地表出露于进口～DK1704+670段，属硬质岩。元古界双娇山群千枚岩，变晶结构，千枚状构造，工程性质一般。

3 硬岩高地应力段施工方案

针对高地应力硬岩易发生岩爆的特点，制定了“早预报、超前支护、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测，步步为营，稳步前进”的整治原则和总体方案，配合超前小导管等辅助方案。

3.1 施工工艺流程图

高地应力硬岩隧道施工工艺流程如图1所示。

3.2 超前应力钻孔

打设超前应力钻孔，可以有效降低前方掌子面的高地应力，也可以采用注水的方式，降低周围岩体的表面张力，钻孔直径45 mm～108 mm，深度5 m～20 m。对轻度岩爆每循环掌子面打设1孔～3孔；中度岩爆每循环掌子面打设4孔～6孔；强烈岩爆每循环掌子面打设6孔～8孔，对掌子面拱顶及两侧起拱线位置要优先布孔，其余孔位可作为加密孔。必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面，同时对于强烈岩爆地段可采取超前钻孔内部松动爆破的方法，或用小炮震裂完整岩石的方法，或孔内注水的方法，从而减少应力集中。

3.3 超前支护措施

针对岩爆类型及大小，提前打应力释放孔或超前摩擦锚杆支护，以达到减弱岩爆的强度。必要时作超前30 m～50 m导洞，导洞直径不大于5 m，可作为岩爆超前预报和释放地应力。

在岩爆地段，开挖后及时向掌子面及以后约15 m范围内隧道周边进行喷射高压水，在某种程度上可以削弱围岩表面的强度，选取超前探孔向围岩岩体内均匀注高压水，从而提前减小围岩变形能力并将最大切向应力转移到围岩的内部，注高压水的劈裂作用也可以软化硬岩，从而降低硬岩的强度，并可以新产生裂缝或是使既有缝隙更加发展，继而释放围岩内部的弹性应变能量。也可以提前在掌子面有概率导致岩爆的位置有规律地钻少许空眼，不设置锚杆，而采取注水的方式，可以释放部分压力，可以避免硬岩达到极限强度而导致岩爆。

3.4 开挖施工工艺

本隧道采用的施工方法为钻爆法，掘进进尺采用短进尺，可以节省药量和降低爆破频率，控制光爆效果，以释放围岩表层应力集中现象，从而避免岩爆。在岩爆烈度中等以上的区域，炮眼间距保持在25 cm范围内，并用隔眼填药，阻塞炮泥，加强光爆效果，做到爆破边缘线光滑。采取措施规避不平顺导致的应力集中，以避免岩爆的发生。开挖司钻过程中周边眼间距控制在45 cm～50 cm，钻眼平行无交叉，眼底平齐。采用浅洞爆破，减小循环进尺，缩减一次性药量。拱部采用小药卷光面爆破的方法，拓宽不同部位雷管的位置间隔，这样可以延后爆破时间，减轻对岩体的爆破震动，规避由于爆破震动诱发岩爆，从而降低岩爆频率和强度。在轻岩爆一般进尺控制在2.5 m，对于中等烈度的岩爆区域，循环进尺保持在2 m，采取全断面法施工，一次成洞，以保证围岩应力的平衡状态。改变开挖方式，预留岩爆层。施工中预留2 m厚的岩爆处理层，岩爆过后再进行二次扩挖爆破、支护，较好地通过了强烈岩爆段。

3.5 支护措施

弱岩爆段在开挖清撬后，一般向洞壁喷3 cm厚的混凝土进行封闭围岩。初喷完后进行锚杆挂网支护，后进行二次喷射混凝土。中等烈度的岩爆区域采用浅孔密锚挂网混凝土，药卷锚杆规格为φ22 mm，L=2 m@1.2 m～1.2 m，梅花形布置；钢筋网采取Φ6.5 mm@20 cm×20 cm，喷C20素混凝土5 cm，最终喷混凝土至设计厚度，必要时加胀壳式锚杆。较强岩爆区段，必要时加Ⅰ20型钢拱架，以减轻岩爆损坏程度来规范控制光爆效果，从而最大程度地释放围岩表面应力，采用超前孔眼解除应力的手段及预裂爆破等工法，能让岩体应力释放、在开挖前弹性应变能有所降低，并用缝管式锚杆、梅花型布置，加钢筋网φ6.5 mm@15×15 cm，喷混凝土至设计厚度。

对强烈岩爆区域必须进行钢拱架支撑、锚喷挂钢筋网进行支护，与喷锚网形成联合支护体系。

4 数值模拟分析

4.1 计算模型

数值模拟模型的计算使用商业有限元软件MIDAS GTS NX。计算模型中定义隧道围岩为连续介质，材料属性采用各向同性弹塑性实体单元进行模拟，岩土材料的屈服准则选用摩尔—库仑(Mohr-Coulomb)准则；初期衬砌使用二维壳体单元属性，二次衬砌使用弹性实体属性，单元锚杆则定义为植入式梁单元属性。计算模型未单独考虑钢筋网和钢支架的作用。

计算模型的边界以隧道为中心在水平方向和洞底方向上均大于3倍的洞跨。具体计算时，在深度方向上取DK1704+820～DK1704+865段，隧道纵深拱45 m，在竖直方向上，取竖直长度为60 m。施工方法为全断面法，模型中选取循环进尺为3 m。在模拟过程中替换相应位置围岩单元参数表示二衬，激活隧道周边区域植入式梁单元模拟锚杆，激活相应位置的板单元模拟初期衬砌喷射混凝土。计算模型网格如图2所示。

4.2 计算参数

计算时围岩物理力学参数取值如表1所示。

表1 高应力硬岩隧道物理力学参数

4.3 计算结果分析

根据模型计算结果整理得到，隧道开挖引起的围岩竖向变形如图3所示；在开挖过程中纵向不同断面位置拱顶下沉量、隧底隆起量如图4所示。

由图3,图4分析可知：隧道采用全断面开挖法时，拱顶最大沉降量为2.4 mm，隧底最大隆起量为3.6 mm，该最大变形与Ⅲ级围岩隧道最大变形阀值比较接近。为确保下穿隧道施工安全，施工过程中对隧道进行了信息化监控量测，表2为隧道拱顶沉降和洞周收敛位移现场实测值与数值模型计算值的对比。结果表明：现场实测值与数值模拟计算值较好吻合。

表2 隧道拱顶和洞周收敛变形实测值与计算值对比

5 结语

1)针对蒙华铁路桐木隧道高应力硬岩环境特点和地质条件，提出采用全断面开挖法，辅助采用长大管棚+超前小导管支护。

2)数值模拟计算结果显示：高应力硬岩隧道采用全断面法施工开挖时，拱顶的最大沉降变形值为2.4 mm，隧底的最大隆起变形量为3.6 mm，此最大形变值与Ⅲ级围岩隧道最大变形阀值比较接近，且数值模型计算值与现场实测数值有较好的吻合。

3)工程实践证明：桐木高应力硬岩隧道开挖时，采用全断面开挖法，提前打应力释放孔或做好超前摩擦锚杆支护，用短进尺掘进，减少药量和爆破频率，喷射混凝土、辅助其他工法进行超前支护和加固，可降低岩爆频率和岩爆强度，同时采取信息化监控量测措施和风险防范措施，可有效地控制隧道受力变形，确保高应力硬岩隧道施工安全。