大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策

洪富义, 李旭哲, 王子, 陈诺, 梁斌, 李文杰*

(1.中铁十五局集团第一工程有限公司, 西安 710018; 2.河南科技大学土木工程学院, 洛阳 471000)

岩爆作为深埋隧道时常发生的地质灾害,从力学角度来看,发生时表现为一定的非线性行为,具有突发性、高危性等特征。鉴于深埋高地应力隧道所处地质环境的复杂性,发生岩爆时易给施工现场机械及作业人员带来极大安全隐患。因此,如何对岩爆灾害进行合理预测,进而采取有效的防治措施仍然是目前一个热点问题[1]。

针对隧道岩爆问题,国内学者从多方面对其进行了研究和探讨。吴伟伟等[2]通过力学分析对岩爆机理进行了研究,揭示了岩爆的形成过程,并对岩爆发生的破坏条件进行了讨论。冯夏庭等[3]结合室内试验、数值模拟及现场监测等多种手段,对不同类型岩爆的演化规律进行了研究,并对岩爆孕育过程的主要研究方向进行了讨论。孙晓明等[4]以高楼山隧道为工程背景,通过室内试验并结合多种判据对施工现场样岩岩爆倾向性进行了综合评价。唐泽林等[5]以成兰铁路平安特长深埋隧道中高地应力岩爆易发段为依托,通过施工现场实测、数值模拟分析以及室内试验等手段,探明了隧道岩爆发生的力学机制,运用经典应力岩爆判据指标,对岩爆发生强度及位置进行了预测和判断。陈贤丰等[6]依托巴玉隧道工程,通过构建三维地质力学模型获取初始地应力场分布特征,并结合微震监测系统对隧道岩体破裂进行实时监测预警,结果表明隧道轴向三维地应力场总体分布规律表现为最小水平主应力小于竖向主应力。虽然以上学者针对岩爆预测问题做了大量研究,但将工程实际、理论分析与数值模拟手段相结合起来对岩爆的研究还较少,三者共同作用下更能充分了解外界因素对岩爆发生的影响,对其预测和控制都极为重要。

鉴于此,现以乐西高速公路大凉山2号隧道工程为依托,以弹塑性理论为基础,对岩爆发生的机理进行阐述,通过数值模拟的手段对高地应力环境下隧道在不同埋深、进深及断面形状因素影响下围岩的应力特征进行分析比较,总结岩爆发生规律,根据其结果对深埋隧道规划建设和岩爆风险控制提供合理的科学依据,增加施工安全性。

1 工程概况

乐西高速高速公路隧道长12.5 km,设计为双向分离式越岭隧道,分界桩号K109+920(左线ZK109+920),最大埋深约757 m,洞口海拔高度约1 769 m,该隧道是乐西高速控制性工程之一,工程区内地势陡峻,所处地势西高东低,呈北东向倾斜。2号隧道穿越地层众多,岩性及地质构造复杂,围岩等级以Ⅳ级为主,岩石大多为玄武岩,属于较硬质岩石,因为工程所处高地应力环境,使其岩石内部产生了足够能量,导致隧道开挖时易发生岩爆灾害,为降低岩爆灾害发生,施工时提前制定了相应的防治措施方案。大凉山2号隧道左线纵断面图如图1所示。

图1 乐西高速大凉山2号隧道左线纵断面图Fig.1 Longitudinal section of the left line of Daliangshan

2 隧址区地质因素分析

2.1 地质构造条件

大凉山隧道构造纲要图如图2所示,隧道地处青藏高原东南缘与上扬子西缘的构造结合部位,主要构造行迹为南北向为主的断层褶皱组合带,主体表现为由西向东的构造推覆,局部兼具左行走滑特征,介于四川盆地和云贵高原之间,地表起伏大,地形崎岖。根据相关施工经验发现大多数无构造处容易产生岩爆区段,在褶皱、挤压带有相对较小可能产生岩爆区段,断层及影响带一般发生岩爆的概率很小。

图2 大凉山隧道构造纲要图(据四川1∶25万四川甘洛略修改)Fig.2 Structural outline of Daliangshan Tunnel(slightly modified according to Sichuan 1∶250 000 Kam)

2.2 地应力条件

地应力反演结果表明隧道洞口附近最大主应力达31 MPa。高地应力作为隧道岩爆发生的重要能量来源,在其他外界因素相同条件下,通常地应力值越大,围岩弹性应变能的储存能力越强,进而岩爆发生的可能性与危害性就越大。因此,高地应力通常是影响岩爆发生的一个重要因素。

2.3 地层岩性

大凉山隧道易发生岩爆段岩石主要以玄武岩为主,此段玄武岩、熔结状火山角砾岩整体强度较高,以较坚硬～坚硬岩为主,岩石强度较高时,能够储存的应变能也就越多,越容易发生岩爆,因此可将岩性条件归结为岩爆发生的基本诱因之一。当岩体所处外部环境被破坏后,岩体中储存的弹性能会在极短时间内释放,这时极易导致岩爆灾害发生,对地下工程安全施工造成一定的威胁。

2.4 水文地质条件

大凉山2号隧道地处大凉山地区腹心地带,通过地质勘探发现此处地下水充沛,并且在施工过程中经常见到隧道洞内地下水以点滴状或者淋雨状出现,且碰到降雨入渗后地下水总是呈涌水状流出。岩爆一般发生在岩体干燥、无渗水地段,若存在地下水时,对围岩软化及降低岩体储能能力有很大作用,地下水的存在从一定程度上降低了岩爆的发生风险。

3 岩爆孕育力学分析及岩爆判据

3.1 弹塑性力学分析

岩爆作为一种自然物理现象,其形成过程是岩体内部从储存到释放能量,并最终使岩体发生破坏进而脱离母岩的过程,其孕育过程是一系列力学作用相互合成与转化[7]。隧道开挖过程中岩体的受力变形如图3所示[2]。岩石处于三轴应力状态下时如图3(a)所示,此时岩体内部积聚的弹性应变能为

图3 隧道开挖模型Fig.3 Tunnel excavation model

图4 隧道三维有限元模型Fig.4 Three-dimensional finite element model of tunnel

(1)

式(1)中:σ1、σ2、σ3分别为围岩模型3个方向的主应力,MPa;ε1、ε2、ε3分别为模型3个方向的主应变。

隧道开挖时,对原本围岩的应力平衡状态造成破坏,导致其应力进行重分布。在隧道开挖形成半径为R0的硐室后,其围岩中应力重分布状态(在极坐标系下)可用式(2)～式(4)表示为

(2)

(3)

(4)

式中:σr、σθ、τrθ分别为围岩的径向应力、切向应力及剪切应力,MPa;r为径向半径,m;λ为应力比值系数;θ为极角,(°)。深部岩体中围岩的天然应力基本等价于静水压力状态[7],因此当λ=1时,即σh=σv=σ0,围岩此时的应力重分布状态可以用式(5)～式(7)表示为

(5)

(6)

τrθ=0

(7)

通过以上分析可知,当隧道围岩处于单向应力状态时,此时围岩的应力集中系数最大。在图3(c)中,圈Ⅰ表示隧道开挖后所形成的弹性区;小圈Ⅱ表示继围岩出现塑性区后,受到其附近围岩应力二次重分布影响所形成的弹性圈,且弹性圈Ⅰ和Ⅱ的应力分布和能量状态计算理论相同。当λ=1时,塑性区应力状态可以用式(8)～式(10)表示为

(8)

(9)

τrθ=0

(10)

式中:Cm、Φm分别为塑性围岩体的内聚力,MPa;内摩擦角,(°);Pi为洞壁支护力,MPa。当洞壁围岩出现塑性区后,开始出现从母岩分离出来的单独碎块。

通过对岩爆孕育过程进行力学分析,发现岩爆发生时应具有以下条件。

(1)开挖在较高的应力环境背景下,围岩自身具有储存高应变能的性质。

(2)隧道开挖后在部分洞壁围岩中出现塑性区。当围岩处于高应力环境,且储存足够能量时,隧道开挖导致围岩应力发生改变,达到岩爆发生的条件,在此情况下应采取相关岩爆防治措施来降低施工风险。

3.2 岩爆判据

岩爆判据是岩爆研究方向的一个重要问题,一般可以根据其机理[8]、所处环境[9]及其现场实测数据[10]大致分为三类。根据大量工程实例研究发现,陶振宇和谷明成的岩爆判据都存在相对误差,为了消除这一不足,对两种判据做了一定的修改,最终形成了既符合中国工程实际情况,又可以满足有限元快速电算的谷一陶岩爆判据[11],具体如式(11)所示。

(11)

式(11)中:Rt岩石单轴抗拉强度;Kv为岩石完整性系数;Wet为岩石弹性应变能指数。

当式(11)中4个不等式全部成立时,岩爆灾害极易发生。修改后岩爆分级如表1所示。

表1 岩爆分级表

大凉山2号隧道ZK2-5处钻孔数据如表2所示,此处岩性为玄武岩,隧道埋深约665 m,隧道围岩岩石的单轴饱和抗压强度Rc=70 MPa,σmax为18.3 MPa,根据《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[12]规定,将单轴饱和抗压强度Rc与最大主应力σmax比值小于4的范围定义为极高地应力区,此时易发生高等级岩爆。经计算发现此处岩石强度应力比值Rc/σmax=3.8<4,表明大凉山2号隧道属于极高地应力区,具有发生岩爆灾害的风险。

表2 ZK2-5钻孔实测最大主应力

4 数值模拟分析

4.1 有限元模型

通过岩爆判据发现大凉山隧道项目具有发生岩爆的风险,依托项目ZK108+450～ZK111+450岩爆段,采用MIDAS GTS NX软件建立三维数值计算模型,此段隧道埋深约在600 m,围岩以Ⅳ级为主,92%～97%均为以玄武岩为主的硬性岩石。为消除模型边界效应,根据圣维南原理,计算边界应当取到开挖洞径的3～5倍,本模型各方向均取50 m。为了模拟围岩上覆岩层自重和隧洞周围围岩压力,对模型上边界施加垂直压力、左右两侧施加侧向压力,为了固定模型位移,将模型四周及下表面作为位移约束边界。模型采用单一岩性围岩,选用Mohr-Coulomb本构关系,数值模拟材料物理参数如表3所示。

表3 数值模拟计算材料参数

4.2 隧道进深模拟

大凉山2号隧道岩爆段围岩等级以Ⅳ级围岩居多,断面尺寸为12.68 m×7.2 m。结合工程地质条件、工期要求及施工方法确定隧道循环进尺,当Ⅳ级围岩采用台阶法施工时,循环进尺不得超过2 m。为研究不同隧道进深对岩爆造成的影响,根据围岩等级及相关规范,循环进尺取2 m,隧道埋深600 m,设置不同进深对其进行分析,部分进深处围岩的应力云图如图5所示。

图5 不同隧道进深最大主应力Fig.5 Maximum principal stress of different tunnel depth

4.3 隧道埋深模拟

大凉山隧道岩爆段埋深范围在550～750 m,为研究埋深因素对岩爆的影响,结合实际施工,建立不同埋深时隧道模型,对不同埋深围岩应力大小进行分析对比,部分埋深围岩应力云图如图6所示。

图6 不同隧道埋深最大主应力Fig.6 Maximum principal stress at different buried depths

4.4 隧道断面形状、断面大小模拟

在隧道施工过程中,由于一些因素影响易造成开挖断面形状不规则,从而易导致局部应力集中现象的发生,不同断面形状对围岩应力造成的影响程度也各不相同。目前断面形状选取主要考虑隧道所处位置及穿过的围岩性质。为了分析隧道断面形状对围岩应力的影响,设置3种不同的断面形式:三心圆、矩形和马蹄形,当断面形状不同时,其断面大小也有所差异,三者面积大小依次为三心圆>马蹄形>矩形。此时模型取相同隧道埋深和进深,对隧道在不同断面形式下的围岩应力进行分析,其应力云图如图7所示。

图7 不同断面形式最大主应力Fig.7 Maximum principal stress of different sections

4.5 影响因素结果分析

通过对3种因素下围岩应力分析可以发现,随隧道开挖进深、埋深及断面大小的增加,最大主应力与其呈正相关关系。不同因素下最大主应力对比图如图8所示,可以发现埋深因素对围岩应力即岩爆造成的影响最大。对于隧道不同断面形式,岩爆时常发生的位置也不同,如三心圆隧洞岩爆多发生在隧道拱顶及上半拱位置,而马蹄形隧洞多发生拱脚上下位置。从断面大小来看,断面面积越大,初次应力重分布圈就越大,易对围岩稳定性造成不利影响。根据数值分析结果,取其最不利情况,当埋深在700 m时,围岩最大主应力达到53.70 MPa,此时岩石单轴饱和抗压强度取Rc=70 MPa,将其代入谷-陶岩爆判据,发现σ1>0.40Rc,并结合工程钻孔取芯ZK2-5处参数,最终结果表明此段隧道具有发生岩爆的风险。

图8 不同因素下最大主应力Fig.8 Maximum principal stress under different factors

5 岩爆案例及防治对策

5.1 大凉山隧道岩爆案例分析

大凉山隧道项目通过钻孔取芯参数分析,最终认为深埋岩体较完整的玄武岩段可能会发生轻微-中等岩爆。经施工人员反映,当隧道开挖到岩质坚硬、埋深较深的地方时,出现岩石剥落甚至弹出的现象。隧道开挖时岩爆发生情况如图9所示,因提前采取了一定的防治措施,虽未造成人员伤亡,但对机械设备造成了一定的损伤。

图9 大凉山隧道岩爆现场照片Fig.9 Photo of a rock burst in the Daliangshan Tunnel

通过图9可以看出,在实际隧道开挖过程中,岩爆主要发生在拱顶和边墙上部,在横截面的拱顶和拱肩处形成应力集中区。数值计算结果和现场监测数据具有很好的吻合性,验证了本文方法的正确性。

5.2 大凉山隧道岩爆防治措施

大凉山项目岩爆区施工作业流程图如图10所示。为降低施工风险,当埋深、进深增加到一定深度时,应增强岩爆防范意识,开挖过程中应尽可能避免超欠挖现象的发生。大凉山项目针对岩爆处理问题坚持“安全第一、以防为主,加强结构支护与施工措施相结合、综合治理”的处理原则,尽可能防止岩爆的发生,施工中岩爆防治措施主要从以下几点出发。

(1)针对大凉山隧道可能出现的岩爆灾害,结合工程实际,在初期支护时,优先采用喷锚网柔性支护措施进而防止碎石的弹射,并设置短而密的锚杆降低围岩应力水平。对于中等及高等岩爆,应设置格栅钢架从而避免大块岩体剥落,对施工机械及人员造成威胁。

(2)在掌子面未开挖前,对其喷洒高压水,并利用岩体上的炮眼或者锚杆钻孔向内部注水,从而达到软化岩体,降低强度。高压注水会导致产生新的裂隙并使原有裂隙继续扩展,进而降低了岩体本身的储能能力。

(3)在项目具体施工过程中,对于不同地质环境,在保证安全前提下,选择与其相适应的施工方案,使其施工能够快速、高效的顺利展开。

6 结论

以四川大凉山隧道岩爆段为研究对象,为降低施工风险,基于弹塑性理论对岩爆进行力学分析,建立了相关数值计算模型,主要结论如下。

(1)隧道开挖后围岩由弹性转化为塑性,周围弹性岩体持续释放能量,导致围岩在塑性区发生岩爆。能量是岩爆发生的根本条件,应力是决定岩爆发生的触发条件。

(2)岩爆发生的概率和隧道埋深、进深及断面大小呈线性正相关,在550～750 m埋深范围内,随着隧道埋深的增加,围岩应力也不断增大,深度每增加50 m,最大主应力增加约5 MPa。

(3)当数值模拟最大主应力σmax为46.54 MPa时,根据岩爆谷-陶判据,σ1依旧大于0.40Rc,说明大凉山2号隧道具有发生岩爆的可能,存在一定的施工风险。

(4)关于隧道埋深、进深及断面形状对岩爆的影响有了更加系统直观地认识,对于今后类似工程预测和控制岩爆具有重要意义。