深部隧道巖爆傾向性預(yù)測(cè)與開挖優(yōu)化數(shù)值模擬

張書國(guó) 戴 嶺 賀永勝 袁小虎 王啟睿

（1.中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司；2.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，隧道工程也不斷向深部進(jìn)發(fā)。施工過程中圍巖的應(yīng)力環(huán)境越來越復(fù)雜，從而導(dǎo)致施工過程中發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，如突水突泥、巖爆、圍巖大變形等災(zāi)害，嚴(yán)重影響了隧道的正常施工進(jìn)度。而在高地應(yīng)力條件下，巖爆災(zāi)害發(fā)生更為頻繁且嚴(yán)重［1-2］。因此，對(duì)深部隧道開挖過程中巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及防治技術(shù)研究具有重要的工程意義。

巖爆是高地應(yīng)力條件下，隧道開挖后圍巖局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖體內(nèi)儲(chǔ)存的應(yīng)變能突然釋放使圍巖表面發(fā)生爆裂彈射的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害［3-4］。目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)巖爆發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究，進(jìn)而基于巖爆發(fā)生機(jī)理提出了多種預(yù)測(cè)巖爆的方法，其中較為經(jīng)典的預(yù)測(cè)方法主要為巖爆經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，不同學(xué)者基于強(qiáng)度理論、脆性理論等建立的巖爆經(jīng)驗(yàn)判據(jù)已經(jīng)相對(duì)成熟，如Russense 判據(jù)、Hoek 判據(jù)、陶振宇判據(jù)、二郎山判據(jù)等［5-8］，可以粗略預(yù)測(cè)某一地段巖爆發(fā)生等級(jí)。而上述經(jīng)驗(yàn)判據(jù)多數(shù)是基于特定的巖爆工程實(shí)例而建立的，其判據(jù)界限值會(huì)因各工程的地應(yīng)力狀態(tài)以及巖體結(jié)構(gòu)的差異相應(yīng)不同，單一的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)并不適用于其他工程。為更進(jìn)一步提高巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，充分考慮圍巖特性，從能量的角度預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生問題更為有效，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于能量原理總結(jié)出一些能量判據(jù)，如巖爆傾向性指數(shù)（Wet）、沖擊能量指數(shù)（Wef）等［9-10］。

本文基于能量準(zhǔn)則，運(yùn)用fish 語言將彈性應(yīng)變能編入三維離散元數(shù)值平臺(tái)內(nèi)，對(duì)米倉(cāng)山公路隧道巖爆段進(jìn)行巖爆傾向性預(yù)測(cè)，并分析開挖進(jìn)尺對(duì)掌子面附近圍巖巖爆傾向性的影響，選擇能夠有效削弱圍巖能量聚集的最佳開挖進(jìn)尺，為高地應(yīng)力特長(zhǎng)深埋隧道施工安全提供參考。

1 工程概況

米倉(cāng)山隧道位于四川秦巴高山峽谷地區(qū)，橫跨陜西與四川兩省，隧洞總長(zhǎng)13.9 km，隧道最大埋深為1 060 m，是桃巴高速公路主要控制性工程之一，屬于典型的深埋特長(zhǎng)隧道。隧道處于秦嶺構(gòu)造帶與華夏系構(gòu)造交叉位置，其地質(zhì)條件與應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探調(diào)查，沿隧道軸線縱向依次穿越的主要巖石為砂巖、泥巖、灰?guī)r以及石英閃長(zhǎng)巖，在隧道施工過程中面臨著高地應(yīng)力巖爆等不良地質(zhì)災(zāi)害問題，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度以及施工人員的生命安全，米倉(cāng)山隧道縱向剖面如圖1所示［11］。

2 基于彈性應(yīng)變能的巖爆傾向性預(yù)測(cè)分析

2.1 數(shù)值模型的建立

以米倉(cāng)山隧道巖爆段為依托，隧道開挖截面模型按實(shí)際工程截面尺寸建立，如圖2所示。依據(jù)圣維南原理，計(jì)算范圍按左右邊界距隧道軸心距離不小于5 倍洞徑考慮，建立邊界尺寸為100 m×100 m×60 m 的計(jì)算模型（圖3），對(duì)模型上部施加垂直荷載模擬上部土層壓力，對(duì)左右邊界以及下邊界施加位移約束條件。為契合實(shí)際工程特性以及更真實(shí)地模擬圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，且根據(jù)相關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，模擬計(jì)算選取的圍巖物力參數(shù)如表1所示［12］。

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2.2 彈性應(yīng)變能理論

能量是驅(qū)動(dòng)巖爆發(fā)生的根本因素，在深埋隧道施工過程中，隧道掘進(jìn)導(dǎo)致圍巖單元由三向受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單面臨空狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致巖體內(nèi)部損傷加劇且能量不斷聚積，當(dāng)巖體內(nèi)儲(chǔ)存的能量超過巖體破壞臨界能量值，巖體會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致發(fā)生巖爆現(xiàn)象。隧道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下圍巖單元的能量關(guān)系式如下［13］：

式中，U為外力做功所產(chǎn)生的總能量，kJ；Ue為單元可釋放彈性應(yīng)變能，kJ；Ud為單元耗散能，kJ；σ1、σ2、σ3分別為最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力，MPa；E0為初始彈性模量，GPa；v為泊松比。

圖4為圍巖單元中彈性應(yīng)變能Ue與耗散能Ud之間的量化關(guān)系，σi與εi分別為軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變值。由圖4 可知，當(dāng)圍巖單元彈性應(yīng)變能Ue達(dá)到單元破壞時(shí)所需要的臨界能量U0時(shí)，圍巖單元將發(fā)生破壞，當(dāng)可釋放彈性應(yīng)變能大于臨界能量時(shí)，圍巖單元開始發(fā)生破壞，且多余能量ΔU=Ue-U0轉(zhuǎn)化為動(dòng)能引發(fā)圍巖單元瞬間發(fā)生整體破壞。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

結(jié)合式（2）并通過fish 語言將彈性應(yīng)變能密度Ue編入二次開發(fā)的計(jì)算平臺(tái)中，可以得到開挖卸荷過程中圍巖截面不同部位的應(yīng)力及能量分布演化規(guī)律，進(jìn)而可以評(píng)估圍巖風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。圖5 為全斷面開挖下圍巖最大主應(yīng)力分布云圖，可以看出，開挖后掌子面圍巖附近均呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，其最大主應(yīng)力峰值約為30 MPa，在隧道拱頂及拱肩位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；圖6為全斷面開挖下米倉(cāng)山隧道圍巖彈性應(yīng)變能分布云圖，分析可知開挖后掌子面附近圍巖截面均有不同程度的能量集中，圍巖周圍的彈性應(yīng)變能分布特征近似呈現(xiàn)軸對(duì)稱趨勢(shì)，彈性應(yīng)變能峰值主要集中在隧道拱頂、拱肩以及拱腳附近，最大值約為65 kJ/m3。依據(jù)張勇等［14］結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果得出的巖爆彈性應(yīng)變能指標(biāo)界限值可得，開挖后圍巖兩側(cè)拱肩位置具有較高風(fēng)險(xiǎn)，易發(fā)生強(qiáng)烈等級(jí)巖爆，與現(xiàn)場(chǎng)巖爆典型特征對(duì)比，實(shí)際情況與數(shù)值模擬的巖爆預(yù)測(cè)結(jié)果較為吻合，具有良好的準(zhǔn)確性與可行性。

3 開挖循環(huán)進(jìn)尺優(yōu)化

開挖循環(huán)進(jìn)尺的選擇是深地下工程建設(shè)的難題之一，在隧道圍巖風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)縮短單循環(huán)開挖進(jìn)尺，減少圍巖局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，控制隧道圍巖整體變形，避免因單循環(huán)進(jìn)尺過長(zhǎng)產(chǎn)生的開挖擾動(dòng)效應(yīng)。為研究?jī)?yōu)化開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，基于三維離散元數(shù)值平臺(tái)對(duì)隧道全斷面開挖下開挖循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度進(jìn)行分析，選取將掌子面向前推進(jìn)一個(gè)開挖進(jìn)尺為例，開挖進(jìn)尺L分別取1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 5種工況，開挖進(jìn)尺如圖7所示。

采用已建好的數(shù)值模型，依據(jù)不同工況進(jìn)行模擬計(jì)算，圖8、圖9為不同開挖進(jìn)尺下隧道拱腰及拱頂位移分布曲線。由圖8可知，伴隨著隧道開挖完成的整個(gè)過程，當(dāng)開挖進(jìn)尺為1.0 m 時(shí)，拱腰橫向位移最?。婚_挖進(jìn)尺為3.0 m時(shí)，隧道圍巖拱腰位置的橫向位移最大，為6.6 mm。由圖9 可得，隨著開挖進(jìn)尺的增加，拱頂沉降也隨之增大。不同開挖進(jìn)尺下的拱頂沉降及拱腰水平收斂最大值如圖10所示，可以看出，不同工況下圍巖變形關(guān)系基本一致。隨著開挖進(jìn)尺逐漸增大，拱頂及拱腰的變形位移呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)，拱頂變形以縱向位移為主，當(dāng)開挖進(jìn)尺為1.0 m時(shí)，最大位移主要集中在10.7～11.1 mm；當(dāng)開挖進(jìn)尺為3.0 m 時(shí)，最大位移主要集中在11.6～12.1 mm；拱腰變形以橫向位移為主，隨著開挖進(jìn)尺的增加，水平收斂從5.5 mm增至6.6 mm。

由于篇幅有限，本文僅選取開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度分別為1.0 m和3.0 m時(shí)的應(yīng)力及能量分布云圖進(jìn)行比較，圖11 為開挖進(jìn)尺分別取1.0 m 和3.0 m 時(shí)的主應(yīng)力差（最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差，主應(yīng)力差值可以較好地反映圍巖的應(yīng)力集中程度）分布云圖，可以看出，隨著開挖進(jìn)尺的增加，隧道圍巖周圍主應(yīng)力差逐漸增大，開挖進(jìn)尺取1.0 m 時(shí)拱頂附近最大主應(yīng)力差值為30 MPa；當(dāng)開挖進(jìn)尺取3.0 m 時(shí)，拱頂附近最大值達(dá)到35 MPa。遠(yuǎn)離圍巖時(shí)主應(yīng)力差逐漸減小，且在遠(yuǎn)離洞室處有較大范圍的主應(yīng)力差保持定值約25.0 MPa。圖12 為開挖進(jìn)尺分別取1.0 m 和3.0 m 時(shí)的彈性應(yīng)變能密度分布云圖，可以看出，能量較大值主要集中在拱頂中部、拱腳兩側(cè)。開挖進(jìn)尺為1.0 m時(shí)，圍巖附近能量最大值為62.5 kJ/m3，當(dāng)開挖進(jìn)尺增加到3.0 m 時(shí)，能量最大值約為75.5 kJ/m3，相比之下洞室周邊各部位能量均有較大程度的增加，且能量在遠(yuǎn)離圍巖區(qū)域同樣有小幅增加。

綜上所述，隨著開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度的增加，圍巖能量聚集程度逐漸增加，導(dǎo)致圍巖能量數(shù)值以及峰值范圍均有增加，主應(yīng)力差值同樣受到開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度取值的影響，不同進(jìn)尺主要影響主應(yīng)力差值的范圍，進(jìn)尺越大，主應(yīng)力差峰值影響范圍越大。因此，采用小進(jìn)尺開挖能有效地降低圍巖積累的彈性應(yīng)變能，同時(shí)減小主應(yīng)力差和圍巖位移，對(duì)圍巖應(yīng)力接種及能量聚積影響范圍具有較好的控制效果。當(dāng)圍巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量達(dá)到一定程度發(fā)生巖爆現(xiàn)象時(shí)控制開挖進(jìn)尺的方法也可以主動(dòng)且有效地預(yù)防巖爆發(fā)生或削弱巖爆發(fā)生等級(jí)。

4 結(jié) 論

以米倉(cāng)山隧道巖爆段為工程依托，采取全斷面開挖法，采用數(shù)值模擬手段分析開挖后掌子面周圍圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)分布規(guī)律，分析圍巖截面巖爆發(fā)生具體位置，進(jìn)一步對(duì)該標(biāo)段采取改變開挖進(jìn)尺的方法，研究不同開挖進(jìn)尺對(duì)圍巖穩(wěn)定性及巖爆傾向性的影響，驗(yàn)證了隧道優(yōu)化開挖進(jìn)尺作為巖爆防治措施的有效性。

（1）編寫fish 語言將彈性應(yīng)變能密度編入三維離散元仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬開挖，隧道圍巖的最大主應(yīng)力以及彈性應(yīng)變能密度峰值均分布在隧道拱頂及拱肩位置，具有較強(qiáng)的巖爆傾向性。

（2）隨著開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度的增加，隧道圍巖拱頂沉降及拱腰收斂均逐漸增加，改變開挖進(jìn)尺可以有效阻止圍巖發(fā)生位移，控制圍巖發(fā)生變形，對(duì)施工階段圍巖穩(wěn)定性具有良好的控制效果。

（3）伴隨開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度的增加，隧道圍巖周圍的主應(yīng)力差值明顯減小，控制開挖進(jìn)尺的方法可以有效避免開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的圍巖局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；隧道圍巖彈性應(yīng)變能峰值明顯減小，高應(yīng)變能分布范圍有所縮減，改變開挖進(jìn)尺可以有效分散并轉(zhuǎn)移巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能，能夠有效削弱巖爆等級(jí)。