高應(yīng)力硬巖隧道開(kāi)挖施工技術(shù)及其數(shù)值分析

郭勇生 范少輝 方 剛 灰潘強(qiáng)

(1.中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 渭南 714000； 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

1 概述

隨著鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道的深度逐漸加深，難免會(huì)穿過(guò)高地應(yīng)力區(qū)域。此時(shí)，巖體在高地應(yīng)力的作用下容易發(fā)生大變形，甚至發(fā)生巖爆災(zāi)害。巖爆的發(fā)生，會(huì)給隧道工程造成經(jīng)濟(jì)的損失，甚至造成難以彌補(bǔ)的后果。黃潤(rùn)秋[1]采用了斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的理論，從巖體中巖石之間的排列、連接和微裂隙的產(chǎn)生及發(fā)展這幾個(gè)方面研究了巖體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)巖爆程度的影響。王揮云[2]提出了損傷效應(yīng)函數(shù)，并采用數(shù)值模型分析了圓形隧道的巖爆，獲得了巖爆的臨界影響范圍和臨界壓力。劉小明[3]通過(guò)損傷力學(xué)分析，給出了脆性巖石巖爆損傷能量指數(shù)的概念，提出了巖爆發(fā)生的判別條件。另外，較多國(guó)內(nèi)學(xué)者[4,5]采用數(shù)值模型，研究了高地應(yīng)力硬巖隧道的施工技術(shù)與方法，為隧道安全通過(guò)高地應(yīng)力區(qū)域提供了參考。本文基于蒙華鐵路桐木高應(yīng)力硬巖隧道的自然環(huán)境和地質(zhì)條件，提出采用全斷面法施工，輔助采用長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)；并采用彈塑性有限單元法對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，為施工設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 工程概況

桐木隧道位于江西省宜豐縣境內(nèi)，隧道進(jìn)出口里程分別為DK1702+770，DK1708+142，全長(zhǎng)5 372 m，為單洞單線隧道，隧道最大埋深282 m。隧道穿越地層主要為花崗閃長(zhǎng)巖、元古界雙嬌山群千枚巖，地表分布有第四系覆蓋層。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷裂和褶皺較發(fā)育，循斷裂走向擠壓破碎，糅褶扭曲較強(qiáng)烈。

隧道沿線經(jīng)過(guò)地層主要為γδ22a雪峰晚期侵入花崗閃長(zhǎng)巖及Ptsh元古界雙嬌山群千枚巖，地表分布有第四系覆蓋層。其中雪峰晚期第一次侵入花崗閃長(zhǎng)巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)硬，

工程性質(zhì)較好。地表出露于進(jìn)口～DK1704+670段，屬硬質(zhì)巖。元古界雙嬌山群千枚巖，變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，工程性質(zhì)一般。

3 硬巖高地應(yīng)力段施工方案

針對(duì)高地應(yīng)力硬巖易發(fā)生巖爆的特點(diǎn)，制定了“早預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)，步步為營(yíng)，穩(wěn)步前進(jìn)”的整治原則和總體方案，配合超前小導(dǎo)管等輔助方案。

3.1 施工工藝流程圖

高地應(yīng)力硬巖隧道施工工藝流程如圖1所示。

3.2 超前應(yīng)力鉆孔

打設(shè)超前應(yīng)力鉆孔，可以有效降低前方掌子面的高地應(yīng)力，也可以采用注水的方式，降低周?chē)鷰r體的表面張力，鉆孔直徑45 mm～108 mm，深度5 m～20 m。對(duì)輕度巖爆每循環(huán)掌子面打設(shè)1孔～3孔；中度巖爆每循環(huán)掌子面打設(shè)4孔～6孔；強(qiáng)烈?guī)r爆每循環(huán)掌子面打設(shè)6孔～8孔，對(duì)掌子面拱頂及兩側(cè)起拱線位置要優(yōu)先布孔，其余孔位可作為加密孔。必要時(shí)也可以打設(shè)部分徑向應(yīng)力釋放孔，鉆孔方向應(yīng)垂直巖面，同時(shí)對(duì)于強(qiáng)烈?guī)r爆地段可采取超前鉆孔內(nèi)部松動(dòng)爆破的方法，或用小炮震裂完整巖石的方法，或孔內(nèi)注水的方法，從而減少應(yīng)力集中。

3.3 超前支護(hù)措施

針對(duì)巖爆類型及大小，提前打應(yīng)力釋放孔或超前摩擦錨桿支護(hù)，以達(dá)到減弱巖爆的強(qiáng)度。必要時(shí)作超前30 m～50 m導(dǎo)洞，導(dǎo)洞直徑不大于5 m，可作為巖爆超前預(yù)報(bào)和釋放地應(yīng)力。

在巖爆地段，開(kāi)挖后及時(shí)向掌子面及以后約15 m范圍內(nèi)隧道周邊進(jìn)行噴射高壓水，在某種程度上可以削弱圍巖表面的強(qiáng)度，選取超前探孔向圍巖巖體內(nèi)均勻注高壓水，從而提前減小圍巖變形能力并將最大切向應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖的內(nèi)部，注高壓水的劈裂作用也可以軟化硬巖，從而降低硬巖的強(qiáng)度，并可以新產(chǎn)生裂縫或是使既有縫隙更加發(fā)展，繼而釋放圍巖內(nèi)部的彈性應(yīng)變能量。也可以提前在掌子面有概率導(dǎo)致巖爆的位置有規(guī)律地鉆少許空眼，不設(shè)置錨桿，而采取注水的方式，可以釋放部分壓力，可以避免硬巖達(dá)到極限強(qiáng)度而導(dǎo)致巖爆。

3.4 開(kāi)挖施工工藝

本隧道采用的施工方法為鉆爆法，掘進(jìn)進(jìn)尺采用短進(jìn)尺，可以節(jié)省藥量和降低爆破頻率，控制光爆效果，以釋放圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而避免巖爆。在巖爆烈度中等以上的區(qū)域，炮眼間距保持在25 cm范圍內(nèi)，并用隔眼填藥，阻塞炮泥，加強(qiáng)光爆效果，做到爆破邊緣線光滑。采取措施規(guī)避不平順導(dǎo)致的應(yīng)力集中，以避免巖爆的發(fā)生。開(kāi)挖司鉆過(guò)程中周邊眼間距控制在45 cm～50 cm，鉆眼平行無(wú)交叉，眼底平齊。采用淺洞爆破，減小循環(huán)進(jìn)尺，縮減一次性藥量。拱部采用小藥卷光面爆破的方法，拓寬不同部位雷管的位置間隔，這樣可以延后爆破時(shí)間，減輕對(duì)巖體的爆破震動(dòng)，規(guī)避由于爆破震動(dòng)誘發(fā)巖爆，從而降低巖爆頻率和強(qiáng)度。在輕巖爆一般進(jìn)尺控制在2.5 m，對(duì)于中等烈度的巖爆區(qū)域，循環(huán)進(jìn)尺保持在2 m，采取全斷面法施工，一次成洞，以保證圍巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)。改變開(kāi)挖方式，預(yù)留巖爆層。施工中預(yù)留2 m厚的巖爆處理層，巖爆過(guò)后再進(jìn)行二次擴(kuò)挖爆破、支護(hù)，較好地通過(guò)了強(qiáng)烈?guī)r爆段。

3.5 支護(hù)措施

弱巖爆段在開(kāi)挖清撬后，一般向洞壁噴3 cm厚的混凝土進(jìn)行封閉圍巖。初噴完后進(jìn)行錨桿掛網(wǎng)支護(hù)，后進(jìn)行二次噴射混凝土。中等烈度的巖爆區(qū)域采用淺孔密錨掛網(wǎng)混凝土，藥卷錨桿規(guī)格為φ22 mm，L=2 m@1.2 m～1.2 m，梅花形布置；鋼筋網(wǎng)采取Φ6.5 mm@20 cm×20 cm，噴C20素混凝土5 cm，最終噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，必要時(shí)加脹殼式錨桿。較強(qiáng)巖爆區(qū)段，必要時(shí)加Ⅰ20型鋼拱架，以減輕巖爆損壞程度來(lái)規(guī)范控制光爆效果，從而最大程度地釋放圍巖表面應(yīng)力，采用超前孔眼解除應(yīng)力的手段及預(yù)裂爆破等工法，能讓巖體應(yīng)力釋放、在開(kāi)挖前彈性應(yīng)變能有所降低，并用縫管式錨桿、梅花型布置，加鋼筋網(wǎng)φ6.5 mm@15×15 cm，噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

對(duì)強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域必須進(jìn)行鋼拱架支撐、錨噴掛鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，與噴錨網(wǎng)形成聯(lián)合支護(hù)體系。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型

數(shù)值模擬模型的計(jì)算使用商業(yè)有限元軟件MIDAS GTS NX。計(jì)算模型中定義隧道圍巖為連續(xù)介質(zhì)，材料屬性采用各向同性彈塑性實(shí)體單元進(jìn)行模擬，巖土材料的屈服準(zhǔn)則選用摩爾—庫(kù)侖(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則；初期襯砌使用二維殼體單元屬性，二次襯砌使用彈性實(shí)體屬性，單元錨桿則定義為植入式梁?jiǎn)卧獙傩?。?jì)算模型未單獨(dú)考慮鋼筋網(wǎng)和鋼支架的作用。

計(jì)算模型的邊界以隧道為中心在水平方向和洞底方向上均大于3倍的洞跨。具體計(jì)算時(shí)，在深度方向上取DK1704+820～DK1704+865段，隧道縱深拱45 m，在豎直方向上，取豎直長(zhǎng)度為60 m。施工方法為全斷面法，模型中選取循環(huán)進(jìn)尺為3 m。在模擬過(guò)程中替換相應(yīng)位置圍巖單元參數(shù)表示二襯，激活隧道周邊區(qū)域植入式梁?jiǎn)卧M錨桿，激活相應(yīng)位置的板單元模擬初期襯砌噴射混凝土。計(jì)算模型網(wǎng)格如圖2所示。

4.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 高應(yīng)力硬巖隧道物理力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果整理得到，隧道開(kāi)挖引起的圍巖豎向變形如圖3所示；在開(kāi)挖過(guò)程中縱向不同斷面位置拱頂下沉量、隧底隆起量如圖4所示。

由圖3,圖4分析可知：隧道采用全斷面開(kāi)挖法時(shí)，拱頂最大沉降量為2.4 mm，隧底最大隆起量為3.6 mm，該最大變形與Ⅲ級(jí)圍巖隧道最大變形閥值比較接近。為確保下穿隧道施工安全，施工過(guò)程中對(duì)隧道進(jìn)行了信息化監(jiān)控量測(cè)，表2為隧道拱頂沉降和洞周收斂位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模型計(jì)算值的對(duì)比。結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬計(jì)算值較好吻合。

表2 隧道拱頂和洞周收斂變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)蒙華鐵路桐木隧道高應(yīng)力硬巖環(huán)境特點(diǎn)和地質(zhì)條件，提出采用全斷面開(kāi)挖法，輔助采用長(zhǎng)大管棚+超前小導(dǎo)管支護(hù)。

2)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示：高應(yīng)力硬巖隧道采用全斷面法施工開(kāi)挖時(shí)，拱頂?shù)淖畲蟪两底冃沃禐?.4 mm，隧底的最大隆起變形量為3.6 mm，此最大形變值與Ⅲ級(jí)圍巖隧道最大變形閥值比較接近，且數(shù)值模型計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值有較好的吻合。

3)工程實(shí)踐證明：桐木高應(yīng)力硬巖隧道開(kāi)挖時(shí)，采用全斷面開(kāi)挖法，提前打應(yīng)力釋放孔或做好超前摩擦錨桿支護(hù)，用短進(jìn)尺掘進(jìn)，減少藥量和爆破頻率，噴射混凝土、輔助其他工法進(jìn)行超前支護(hù)和加固，可降低巖爆頻率和巖爆強(qiáng)度，同時(shí)采取信息化監(jiān)控量測(cè)措施和風(fēng)險(xiǎn)防范措施，可有效地控制隧道受力變形，確保高應(yīng)力硬巖隧道施工安全。