基于機械激振方式進行高地應力軟巖隧道應力釋放效果研究

李建斌, 李新宇, 朱 英, 唐小微

(1. 中鐵高新工業(yè)股份有限公司, 北京 100000; 2. 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024; 3. 中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

21世紀已經(jīng)步入隧道與地下空間工程的發(fā)展時代[1],隧道在交通網(wǎng)絡建設中具有舉足輕重的地位,特別伴隨著高鐵和城市鐵路的不斷修建,以及國家對西北地區(qū)和西南地區(qū)的大力建設,使得隧道的開挖深度與長度不斷增加,所面臨的施工地質(zhì)條件也隨之變得越來越復雜,高地溫、強富水、擠壓性圍巖和有害氣體等復雜條件的特殊隧道逐漸增多,給實際建設帶來一系列問題。

在深部隧道建設中主要存在突水突泥、巖爆、塌方冒頂以及軟巖大變形等問題[2]。其中軟巖大變形一般出現(xiàn)在變質(zhì)巖、破碎斷層、煤系地層等低強度圍巖中[3],變形速率達到10 cm/min至5 m/min,圍巖在快速收斂過程中會導致支護的變形和破損,阻礙施工正常進行,嚴重時甚至發(fā)生工程事故。大變形的形成機制[4-6]主要分為2種: 一是塑性擠壓大變形,主要是由于開挖后圍巖應力在高地應力的基礎(chǔ)上重分布,使地應力強度高于軟巖自身強度; 二是巖體體積膨脹大變形,主要是由于礦物與水發(fā)生反應后產(chǎn)生膨脹造成。綜合上述2種變形機制,在隧道施工圍巖變形原因中,擠壓和膨脹共存,但單純因為膨脹引起的大變形比較少見,而塑性擠壓大變形是引發(fā)隧道圍巖大變形的主要變形機制。因此,實際工程中會采用各種手段避免因高地應力而引發(fā)的變形災害。

國內(nèi)外學者針對高地應力進行了大量的研究并已取得豐碩的成果。目前應對高地應力的手段主要分為2種: 1)在開挖中進行預處理,從而完成對應力的卸載,包括鉆孔卸壓、爆破卸壓、水壓致裂等; 2)通過改進開挖方式和后續(xù)支護結(jié)構(gòu)來抵抗高應力。Diering[7]利用鉆爆卸壓的方式,對高地應力礦井中井巷掘進過程進行地應力釋放處理,發(fā)現(xiàn)在使用鉆爆卸壓法后,巷道的變形量明顯減小,有效降低了后續(xù)的變形速率,明顯提高了巷道支護的安全性,提高了生產(chǎn)開挖的效率。王偉[8]分析了在造穴作用下煤體圍巖的應力及塑性區(qū)分布機制,同時基于此,結(jié)合水流的沖擊特性與聚能效應,通過高壓水流射入沖孔的方式,形成直徑較大的卸壓硐室,為卸壓后的煤體體積膨脹提供充足的空間,并在鉆孔周圍形成裂縫網(wǎng)絡,達到卸壓的目的。陳榮華等[9]針對高地應力地質(zhì)條件復雜的礦場頂板塌落問題,采用預先注水軟化的方式,對一些關(guān)鍵巖層進行預處理,以控制采場壓力,并且通過RFPA2D軟件分析了不同軟化系數(shù)和軟化厚度對于預防效果的影響。閆鑫[10]針對超前應力釋放技術(shù)在鐵路隧道中的應用不成熟、機制不明確的現(xiàn)狀,將原本應用于煤炭領(lǐng)域的超前應力釋放技術(shù)引入到鐵路隧道當中,通過FLAC3D數(shù)值計算軟件分析了超前應力釋放技術(shù)對圍巖塑性區(qū)分布和發(fā)展的影響,提出了3種超前應力釋放的方式,結(jié)合實際隧道的現(xiàn)場試驗驗證了超前應力釋放技術(shù)在鐵路隧道應用的可行性。Zang等[11]分析了煤礦巷道圍巖分別在靜荷載和不同擾動強度下的動荷載作用下的變形結(jié)果、應力場變化,以及塑性區(qū)分布,并針對此結(jié)果進行了噴錨與鋼筋錨索聯(lián)合支護方案的優(yōu)化改良,有效提高了破碎軟巖的強度,減少了圍巖變形。Duan等[12]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方式,分析了爆破前后襯砌、圍巖、錨桿和圍巖的穩(wěn)定性,對爆破擾動后的圍巖安全性進行了系統(tǒng)評估,分析了爆破波對圍巖的塑性分布影響。Christopher等[13]提出了一種大深度硬巖巷道開挖卸壓爆破設計理念,將掌子面的一系列炮孔近似平行于主應力布置,爆破后在整個工作面創(chuàng)建一系列平行和連續(xù)的線性裂縫面,使巖石處于峰后加載段狀態(tài)。楊英明[14]研究了開拓巷道前煤層應力場分布規(guī)律,并模擬了巖層的超前鉆孔卸壓情況,證明超前鉆孔不但增大了卸壓區(qū)的范圍,還降低了瓦斯突出風險。

但以上方法都存在一定程度的不足: 鉆爆法由于使用炸藥,前期準備工作較多,施工安全性難以保障;且具體爆破參數(shù)需要憑借施工人員的經(jīng)驗,如果沒有準確的參考依據(jù),容易出現(xiàn)二次施工的問題。注水卸壓法由于加壓設備和排水管道等設備會占用隧道內(nèi)的施工空間,影響正常施工,同時用水會使隧道內(nèi)環(huán)境變得泥濘,不利于正常施工。鉆孔卸壓法和切槽卸壓法對孔徑和槽寬有較嚴格的要求,孔徑與槽寬過小無法良好地釋放應力;過寬則會造成掌子面崩壞,威脅施工安全。超前導洞法和平行導洞法需要人工開挖導洞或側(cè)洞,施工過程較危險,同時還會增加施工成本。噴錨強化支護、注漿聯(lián)合支護和泡沫混凝土支護等方法多集中在對隧道支護的改良,緩解了隧道施工完成初期支護后的變形情況,但存在滯后性,對隧道開挖掘進中即刻產(chǎn)生的大變形問題關(guān)注較少,而在實際工程中有相當多的變形問題集中發(fā)生在開挖后的較短時間內(nèi),這種變形經(jīng)常會阻礙正常施工,從而影響施工進度。

針對上述方法存在的不足,本文提出采用機械激振方式消除高地應力來改善隧道變形,并以臺階法施工為例,采用數(shù)值模擬驗證激振法卸除高地應力的可行性。

1 模型建立及振動方式

1.1 建立模型

針對臺階法施工合理建模,如圖1所示。采用FLAC3D有限差分軟件模擬,對臺階法掘進模型進行計算,其整體尺寸為水平寬度90 m、縱向高度90 m、厚度40 m。臺階每步步長4 m,采用圍壓20 MPa,對模型上部施加10 MPa壓力,在隧道拱肩處左右兩側(cè)施加正弦變化式荷載,模型底部采用固定位移邊界,模型底部施加三向位移約束,四周采用黏性邊界吸收振動能量,模擬無限大邊界條件,頂部采用自由邊界。巖土體參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道模型

表1 巖土體參數(shù)

1.2 激振方式選取

在隧道拱肩兩側(cè)進行振動,分別采用相同波形、相差半個周期波形進行激振,以及只對隧道單邊進行激振,3種激振方式見表2。激振頻率為10 Hz、應力波幅值為100 MPa,通過對比激振所得到的數(shù)據(jù)來優(yōu)選激振方式,激振位置示意如圖2所示。單邊激振力作用面積為2 m2,雙邊每側(cè)激振力作用面積為1 m2。

表2 激振方式

圖2 臺階法激振位置

采用3種不同的激振方式進行振動處理后,后續(xù)每開挖4 m進行1次襯砌施作,全程監(jiān)測隧道頂部的沉降量,形成如圖3所示的沉降曲線。通過對比曲線前段應力釋放效果來選取更優(yōu)方式;由于開挖方式采取每開挖4 m進行1次襯砌,施作襯砌材料選用C35混凝土,施作襯砌時部分土體應力得到了釋放,故曲線后段呈現(xiàn)V形。對比3種激振方式的沉降曲線可以發(fā)現(xiàn),在隧道拱肩兩側(cè)同時進行振動的隧道變形量要小于單邊進行振動的隧道變形量,且雙邊頻率錯峰相差半個周期的振動所造成的應力釋放效果要優(yōu)于雙邊完全相同頻率振動所造成的應力釋放效果。由于雙邊同頻率振動,作用在拱肩兩側(cè)的壓力在同一時刻達到最大值,使得存在兩邊的能量相互抵消,消耗了用于應力釋放的能量;而錯開峰值振動避免了這種能量的損耗,因此該激振方式的釋放效果要優(yōu)于其余的激振方式。

圖3 不同激振方式下后續(xù)開挖隧道頂部沉降曲線

圖4為不同激振方式下豎向應力云圖。表3為3種激振方式的應力釋放深度。通過對比可發(fā)現(xiàn),單邊振動應力釋放效果最差,分別比雙邊錯峰和雙邊同峰激振應力釋放深度低13.7%和11.3%。雙邊錯峰和雙邊同峰激振方式對應力釋放效果基本類似,兩者相差約2.8%。綜合上述分析,在之后的數(shù)值模擬中均選擇雙邊錯峰振動方式進行激振,達到能量的最佳利用和應力釋放效果的最大化。

(a) 雙邊錯峰激振

(b) 雙邊同峰激振

(c) 單邊激振

表3 不同激振方式的應力釋放深度

2 激振頻率對卸荷效果的影響分析

2.1 尋找共振頻率并研究激振頻率對結(jié)果的影響

針對機械激振這一新型方法,研究激振頻率對激振結(jié)果的影響。針對巖石體,開爾文體作為一種典型的、具有一定代表性的巖石力學組合模型,也是巖石動力學的基本模型。

加載的諧振激勵符合正弦變化規(guī)律,振動方程如下:

(1)

式中:m為質(zhì)量;c為阻尼系數(shù);X為振動位移;k為剛度;F為諧振沖擊力;A為諧振沖擊力振幅。

位移響應振幅

(2)

式中ω0為巖石的固有頻率。

(3)

阻尼

(4)

由式(2)可知,當沖擊力頻率接近共振頻率時,位移響應振幅最大、響應范圍最廣。因此,在共振頻率下,激振對于巖體所造成的擾動效果最大,應力釋放的效果最好。為了研究激振頻率對激振效果的影響情況,從激振頻率1～2 000 Hz取若干工況進行激振模擬,通過與初始地應力狀態(tài)對比,可以得到在激振完畢后有效的應力釋放范圍。圖5為不同激振頻率下距第1臺階掌子面5 m處的豎向應力云圖,圖中紅色區(qū)域為應力釋放區(qū)。通過不同頻率下應力釋放云圖的對比,可以明顯觀測到: 60 Hz工況下,釋放的深度以及效果都遠超其余工況,中心豎向應力最低降至4.7 MPa,相比于未振動工況下的12.8 MPa,降低了63%;而10、100、500 Hz 3種工況下的豎向應力相比未振動工況分別降低了40%、56%以及21%,證明在臺階法施工中,共振頻率是60 Hz時,共振應力釋放效果最好。

將激振處理后結(jié)果與初始地應力狀態(tài)對比,得到在激振完畢后有效的應力釋放區(qū)深度如圖6所示。發(fā)現(xiàn)當激振頻率小于60 Hz時,應力釋放深度范圍隨激振頻率升高而增大,在達到共振頻率60 Hz時,應力釋放深度范圍達到峰值,相較于未激振情況,應力釋放提高了107%,相較于其余工況提升了5%～26%。后續(xù)隨著激振頻率增大,應力釋放深度范圍逐漸減小。證明在臺階法掘進中,共振頻率為60 Hz,隧道的應力釋放效果最好,深度最大;同時說明當激振頻率為共振頻率時,應力釋放效果最佳。

(a) 10 Hz

(b) 60 Hz

(c) 100 Hz

(d) 500 Hz

不同激振頻率下后續(xù)開挖頂部沉降曲線如圖7所示。由圖可發(fā)現(xiàn): 激振頻率為60 Hz時沉降量最小。對比未振動工況,在隧道進尺4 m處沉降量下降最大,達到46%;在隧道進尺6 m處隧道沉降量平均降低了43%。相較于其余工況,隧道沉降量降低了10%～23%。在隧道進尺8 m處,隧道的沉降量下降幅度不大,激振造成的應力釋放效果已基本消失。在臺階法掘進模型下,選取60 Hz為本模型的共振頻率,在共振頻率下隧道的超前應力釋放效果最優(yōu),應力集中區(qū)轉(zhuǎn)移深度達到最大,后續(xù)開挖隧道沉降量最小。采用其他激振頻率進行激振,雖然對于應力釋放也存在一定效果,但越是遠離這一激振頻率,所造成的應力釋放效果就越差,隧道的變形量就越大。

圖6 應力釋放深度

圖7 不同激振頻率下后續(xù)開挖隧道頂部沉降曲線

2.2 土體模量對于最優(yōu)激振頻率的影響

可以發(fā)現(xiàn),土體彈性模量的變化會導致激振頻率的變化符合一定數(shù)量關(guān)系,即激振頻率的平方與彈性模量成正比關(guān)系,如圖11所示。

(a) 20 Hz

(b) 40 Hz

(c) 50 Hz

(a) 80 Hz

(b) 90 Hz

(c) 150 Hz

(a) 80 Hz

(b) 130 Hz

(c) 150 Hz

圖11 頻率與彈性模量關(guān)系曲線

3 激振幅值及時間對卸荷效果的影響分析

3.1 激振時間對于激振效果的影響

針對臺階法得到最優(yōu)激振頻率后,再從大范圍激振幅值中選取激振法的最優(yōu)激振幅值。在激振幅值為10～300 MPa合理選擇若干工況進行激振分析,不同激振幅值工況的應力釋放深度如圖12所示。

圖12 不同激振幅值下的應力釋放深度

在激振幅值達到100 MPa之前,應力釋放深度隨著幅值增大而不斷增大,應力釋放深度在100 MPa時達到峰值,后續(xù)略有降低,但降低幅度較小。

為了進一步探究最優(yōu)激振幅值,在激振完畢之后對隧道開挖進行模擬,開挖方式與探究頻率時相同,對后續(xù)隧道開挖以及襯砌施作采用循環(huán)分布開挖方式。圖13示出不同激振幅值下隧道頂部沉降量。

圖13 不同激振幅值下隧道頂部沉降量

由圖13可以發(fā)現(xiàn): 激振處理后,隧道頂部沉降量相較于未激振的有明顯降低,且激振幅值為100 MPa時隧道頂部沉降最小,對比未振動工況在隧道進尺4 m處沉降量降低最大、達到46.2%,隧道進尺6 m范圍內(nèi)隧道沉降量平均降低了44%。相較于其余工況來說,隧道頂部沉降量降低了10.3%～24.0%,在隧道進尺8 m處位置時,隧道的沉降量降低幅度不大,激振所造成的應力釋放效果已基本消失。因此,激振幅值存在一個影響閾值,前半段應力釋放效果隨著激振幅值增大而增大,但當后續(xù)超過某一限值之后,應力釋放效果略微下降,雖下降幅度不大,但在實際激振過程中需要合理把控激振幅值,避免造成能量浪費。

3.2 激振時長對于激振效果的影響

為探究時長對激振效果的影響,從激振時長1～40 s取若干工況進行模擬,選擇激振幅值為100 MPa、激振頻率為60 Hz,不同激振時長下隧道沉降曲線如圖14所示。由圖可以發(fā)現(xiàn): 在激振10 s后,繼續(xù)增加激振時長,隧道的應力釋放效果基本相同,隧道頂部沉降量不再變化; 在激振10 s后,激振影響范圍內(nèi)的巖體所具有的高應力已充分釋放完畢,持續(xù)激振也并不會增大卸荷的影響范圍。因此,在實際施工中應合理選擇激振時長,避免造成能量浪費。

4 最優(yōu)工況及卸荷效果

綜合上述結(jié)果,選擇激振幅值100 MPa、激振頻率60 Hz以及激振時長10 s作為最優(yōu)激振方式,得到如圖15所示的最優(yōu)組合下隧道頂部沉降曲線。

圖14 不同激振時長隧道頂部沉降曲線

圖15 最優(yōu)組合下隧道頂部沉降曲線

由圖15可以發(fā)現(xiàn),隧道頂部沉降量最大可降低46%。因此,以機械激振的方式通過循環(huán)施加激振波,擾動原本狀態(tài)下巖體,同時通過將頻率調(diào)整至與隧道巖體響應頻率相近的方式達到共振狀態(tài),從而增加原本巖體響應效果,來提高巖體裂隙擴展,從而達到應力釋放,這一方法在臺階法施工中應力釋放效果非常好,并且對于隧道后續(xù)的開挖是有益的,可以顯著降低隧道變形。

5 結(jié)論與討論

1)對比3種激振方式,確定了兩側(cè)錯峰激振的卸荷效果優(yōu)于其余2種。

2)當激振頻率為系統(tǒng)共振頻率時,應力釋放效果達到最佳。同時,還發(fā)現(xiàn)了土體彈性模量這一參數(shù)對于激振頻率的影響規(guī)律,根據(jù)土體彈性模量與共振頻率之間的關(guān)系,對比最優(yōu)激振頻率的變化,進一步驗證激振頻率為系統(tǒng)共振頻率時,應力釋放效果最佳。

3)應力釋放效果存在隨著激振幅值增大而增大的情況,但存在一個影響閾值;當超過閾值之后,繼續(xù)增大激振幅值,應力釋放效果基本不變,甚至還會略微降低,因此在實際施工中需要合理把控激振幅值,避免造成能量浪費。

4)在激振一定時間后,振動影響范圍內(nèi)的巖體所具有的高地應力已充分釋放完畢,此時繼續(xù)振動并不會增大應力釋放的范圍。因此在實際施工中需要合理選擇激振時長,避免能量浪費,增加施工成本。

目前本文只從數(shù)值模擬的角度驗證了激振法消除高地應力的可行性,還需要更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)來驗證,并且還需要開發(fā)可行的試驗方法來驗證本方法的適應性和對應力釋放的效果。同時,本文僅驗證了一小部分的激振布局構(gòu)思,后續(xù)可以參考鉆爆法以及平行導洞法等方式,采取側(cè)洞開挖激振的方式以及更多合理的激振方式來對激振法進行開發(fā)和研究。