隧道圍巖穩(wěn)定性及巖爆段快速施工研究

趙 巖

（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隧道工程施工中不可避免地會穿越不良地質(zhì)體，例如巖溶、軟弱圍巖和巖爆地層，在這些地層中施工掘進、爆破震動產(chǎn)生的擾動以及施工開挖卸荷效應(yīng)會使開挖后的隧道圍巖極易出現(xiàn)松動、坍塌和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在深埋隧道和高地應(yīng)力地段的地層中則更易發(fā)生巖爆，圍巖的應(yīng)力也以巖爆釋放的方式達到新的巖體應(yīng)力調(diào)整和平衡[1]。巖爆事故隨著巖體的破裂、爆裂和彈射，進而會引發(fā)大規(guī)模的隧道圍巖坍塌，這對隧道工程安全而言是極為重大的挑戰(zhàn)，因此有必要對高圍壓地應(yīng)力段的隧道圍巖穩(wěn)定性進行研究，并提出一種行之有效和快速安全的施工工法，以提高隧道工程施工的工程效益[2]。

1 工程概況

新建鐵路廣州至湛江高速鐵路工程大脊山隧道位于廣東省云浮市新興縣境內(nèi)，進口里程為DK137+035，進口為緩坡，橫坡坡度10°~20°，出口里程為DK146+641，出口為緩坡，橫坡坡度20°~30°，坡面大量分布風(fēng)化殘留孤石，隧道場區(qū)為中山地貌，地表起伏較大，相對高差850m左右，隧道最大埋深約648m，隧道進出、口出覆蓋層較厚，區(qū)內(nèi)植被發(fā)育，多為灌木林，覆蓋面積100%。

場區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）、殘破積層（Q4dl+el）、下伏基巖為燕山早期黑云母花崗巖（γ52（3）c），其中坡洪積層主要為③-3 軟塑狀粉質(zhì)黏土，厚度約1~8m，屬II 級普通土；坡殘積層主要為粉質(zhì)黏土，主要分布于山體斜坡上，屬II 級普通土；⑨-1 花崗巖厚度約40m，屬于IV 級軟巖石，由于差異風(fēng)化，因此中間見多層0.5m~2.0m厚的強風(fēng)化及弱風(fēng)化層，其總厚度為10m~30m，弱風(fēng)化帶屬V 級次堅石。

該隧道埋深較大處為燕山期（γ52（3）c）黑云母花崗巖，DK140+020~DK141+010 段埋深大于500m，最大埋深651m，地應(yīng)力較高，有發(fā)生巖爆的可能，采用應(yīng)力比法測試結(jié)果見表1。統(tǒng)計表明，隧道最大埋深段巖體飽和單軸抗壓強度Rc=74.1MPa，最大主應(yīng)力σmax=12.7MPa，Rc/σmax=5.83。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，該隧道最大埋深處位于腰崗斷裂和高溪斷裂之間，位于斷層抬長升盤，其應(yīng)力較為集中，發(fā)生巖爆的可能性較大，施工時應(yīng)對可能發(fā)生巖爆的地段采取超前鉆探后噴霧灑水等處理方法[3]。

表1 隧道洞身范圍內(nèi)巖爆段花崗巖飽和單軸抗壓強度測試成果

2 高地應(yīng)力條件下隧道圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 高地應(yīng)力條件下隧道圍巖穩(wěn)定性理論分析

在現(xiàn)有高地應(yīng)力易發(fā)巖爆的隧道圍巖穩(wěn)定性理論分析中，通常通過太沙基理論和普氏理論對掌子面的地應(yīng)力進行分析，研究圍巖壓力的演變過程以判別是否發(fā)生巖爆災(zāi)害。太沙基理論的圍巖壓力計算方法如公式（1）、公式（2）所示[4]。

式中：σv為圍巖發(fā)生臨界失穩(wěn)時支護結(jié)構(gòu)對拱頂?shù)闹螇毫?，?dāng)σv＞0 時，圍巖拱頂將發(fā)生失穩(wěn)，當(dāng)σv≤0 時，圍巖拱頂基本穩(wěn)定；σh為圍巖發(fā)生臨界失穩(wěn)時支護結(jié)構(gòu)對拱腰的支撐壓力，當(dāng)σh＞0 時，圍巖拱腰將發(fā)生失穩(wěn)，當(dāng)σh≤0 時，圍巖拱腰基本穩(wěn)定；b為圍巖的發(fā)生失穩(wěn)時的跨度；γ為圍巖的容重；c為圍巖體的等效黏聚力；φ為圍巖的等效內(nèi)摩擦角；z為隧道的埋深；λ為隧道的側(cè)向壓力系數(shù)；h為隧道拱高；H為等效圍巖自重計算高度。

普氏理論的圍巖壓力計算方法如公式（3）、公式（4）所示。

式中：q為隧道拱頂?shù)膲毫Γ籪為普氏系數(shù)；a為矢跨半徑，a=a1+Htan（45°+φ/2）；R為隧道半徑，其余參數(shù)定義如公式（1）和公式（2）。

分別采用普氏理論和太沙基理論對隧道掌子面DK140+135 位置處的拱頂壓力和隧道側(cè)壁壓力進行計算，并考慮側(cè)向壓力系數(shù)和普氏系數(shù)對圍巖壓力的影響，計算結(jié)果見表2。

表2 不同理論計算的隧道拱頂圍巖壓力和拱腰圍巖壓力

從表2 可以看出，隨著側(cè)向壓力系數(shù)λ的增加，基于太沙基理論計算的隧道拱頂壓力和拱腰壓力均不斷降低，側(cè)向壓力系數(shù)λ從0.30 增至0.60 時，拱頂壓力546.61kPa 降至312.38kPa，降低幅度為42.85%，而拱腰壓力從122.05kPa 降低到了680.93kPa，降低幅度為44.22%。同樣地，采用普氏理論計算的結(jié)果表明，隨著普氏系數(shù)f 的增加，得到的隧道拱頂壓力和拱腰壓力均呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，普氏系數(shù)從10 增加到22 時，拱頂壓力從459.96kPa 降至297.01kPa，降低幅度為35.43%，拱腰壓力從1141.43kPa 降低到了977.04kPa，降低幅度為14.40%。從表2 還可以看出，無論是采用太沙基理論還是采用普氏理論計算圍巖壓力，所得到的拱頂壓力和拱腰壓力均大于零，表明隧道的圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對比太沙基理論計算結(jié)果和普氏理論計算結(jié)果可知，采用普氏理論得到的隧道拱頂壓力和拱腰壓力均略小于采用太沙基理論得到的隧道拱頂壓力和拱腰壓力，綜合表明太沙基理論對高地應(yīng)力段隧道圍巖穩(wěn)定性的判斷更為保守，而普氏理論在評價的適用性以及工程的經(jīng)濟性方面具有更好的工程價值。

2.2 基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的高地應(yīng)力條件下隧道圍巖穩(wěn)定性分析

為了研究隧道在高地應(yīng)力條件下隧道圍巖的穩(wěn)定性，沿著隧道圓形邊界不同位置布置應(yīng)力監(jiān)測點和位移監(jiān)測點，應(yīng)力值的監(jiān)測設(shè)備為錨桿應(yīng)力計，而位移收斂值的監(jiān)測設(shè)備為鋼弦式位移計，以觀測隧道施工開挖過程中掌子面的應(yīng)力應(yīng)變時空演變過程。

在里程DK140+135 和DK138+980 這2 個斷面進行隧道的地應(yīng)力和變形測試，結(jié)果如表3、圖1 和圖2 所示。

表3 不同里程段隧道斷面的圍巖壓力和位移監(jiān)測結(jié)果

圖1 不同里程段隧道的圍巖位移監(jiān)測結(jié)果

圖2 不同里程段隧道的圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果

由圖1 可以看出，位于高地應(yīng)力處DK140+135 斷面的拱頂壓力、拱腰壓力變化規(guī)律均與非高應(yīng)力段DK138+980斷面的拱頂壓力、拱腰壓力變化規(guī)律有顯著不同。隨著監(jiān)測時間的增加，位于高地應(yīng)力處DK140+135 斷面的拱頂壓力和拱腰壓力不斷增加，并沒有出現(xiàn)收斂的跡象，拱頂壓力最大達到4.29MPa，拱腰壓力最大達到8.00MPa，因此圍巖的穩(wěn)定性較差，極易誘發(fā)巖爆。而位于非高地應(yīng)力段DK140+135 斷面的拱頂壓力、拱腰壓力變化規(guī)律則呈現(xiàn)明顯的非線性變形，盡管變形的增長速率較慢，但隨著監(jiān)測時間的增加，拱頂壓力和拱頂壓力均逐步趨于穩(wěn)定和收斂且小于DK140+135 斷面相應(yīng)位置的拱頂壓力和拱腰壓力，拱頂收斂壓力為2.52MPa，拱腰收斂壓力為2.73MPa，表明該段斷面的圍巖處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

由圖2 可以看出，位于高地應(yīng)力處DK140+135 斷面的拱頂位移、拱腰位移變化規(guī)律均與非高應(yīng)力段DK138+980斷面的拱頂位移、拱腰位移變化規(guī)律有顯著不同。隨著監(jiān)測時間的增加，位于高地應(yīng)力處DK140+135 斷面的拱頂位移和拱腰位移呈現(xiàn)一定程度的緩急增加狀態(tài)，并沒有出現(xiàn)位移收斂的跡象，拱頂最大位移為108.38mm，拱腰最大位移為93.13mm，因此圍巖的穩(wěn)定性較差，極易誘發(fā)巖爆。而位于非高地應(yīng)力段DK140+135 斷面的拱頂壓力、拱腰壓力變化規(guī)律則呈現(xiàn)明顯的非線性變形，盡管變形的增長速率較慢，但隨著監(jiān)測時間的增加，拱頂位移和位移均逐步趨于穩(wěn)定和收斂且遠小于DK140+135 斷面相應(yīng)位置的拱頂位移和拱腰位移，拱頂收斂位移為44.67mm，拱腰收斂位移為33.05mm，表明該段斷面的圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

3 巖爆段落隧道快速施工方法

為了快速安全地穿越高地應(yīng)力的巖爆地段，需要采取快速有效的施工掘進方法以降低隧道的圍巖壓力。該文針對隧道的施工過程的總結(jié)表面，提出隧道快速施工工藝，如圖3 所示。實踐表明，采用隧道快速施工工藝后，每延米隧洞施工平均耗費時間約135min，與理論施工耗時505min相比，節(jié)約時間370min，大大節(jié)約了施工工期。

圖3 穿越高地應(yīng)力的巖爆地段隧道施工工藝

4 結(jié)語

該文以新建鐵路廣州至湛江高速鐵路工程大脊山隧道為研究對象，在分析隧道的工程地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，采用理論分析和現(xiàn)場實測的手段對隧道掌子面不同位置處的圍巖應(yīng)力和位移進行分析，并提出了巖爆段快速施工方法，得出以下結(jié)論：

高地應(yīng)力處DK140+135 斷面計算表明，無論是采用太沙基理論還是采用普氏理論計算圍巖壓力，所得到的拱頂壓力和拱腰壓力均大于零，表明隧道的圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對比太沙基理論計算結(jié)果和普氏理論計算結(jié)果可以知道，采用普氏理論得到的隧道拱頂壓力和拱腰壓力均略小于采用太沙基理論得到的隧道拱頂壓力和拱腰壓力，綜合表明太沙基理論對高地應(yīng)力段隧道圍巖穩(wěn)定性的判斷更為保守。

位于高地應(yīng)力處DK140+135 斷面的圍巖壓力和圍巖變形變化規(guī)律均與非高應(yīng)力段DK138+980 斷面的圍巖壓力和圍巖變形變化規(guī)律有顯著不同，DK140+135斷面的圍巖壓力和圍巖變形無收斂現(xiàn)象，圍巖不穩(wěn)定；DK138+980斷面的圍巖壓力和圍巖變形出現(xiàn)穩(wěn)定和收斂現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定。

實踐表明，采用隧道快速施工工藝后，每延米隧洞施工平均耗費時間約135min，與理論施工耗時505min 相比，節(jié)約時間370min，大大節(jié)約了施工工期。