基于巖體開挖卸荷效應(yīng)的巖爆機(jī)理研究

，，，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

地下硐室是水利水電、公路鐵路、礦山等基本地下開挖工程，其穩(wěn)定性是工程順利進(jìn)展的必須條件。由于地下巖體受到自重和構(gòu)造力的作用，內(nèi)部存在初始應(yīng)力，當(dāng)巖體工程開挖后，由于卸荷作用使原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，空區(qū)部分巖體所承受的應(yīng)力就轉(zhuǎn)移到周邊的巖體：徑向應(yīng)力(σr)隨著向自由表面接近逐漸減小至洞壁處變?yōu)榱?；而切向?yīng)力(σθ)的變化有不同的情況，在一些部位越接近自由表面切向應(yīng)力越大，并于洞壁處達(dá)到最高值(即產(chǎn)生壓應(yīng)力集中現(xiàn)象)，在另一些部位，越接近自由表面切向應(yīng)力越小，有時(shí)在洞壁處甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力(即產(chǎn)生拉應(yīng)力集中現(xiàn)象)?？傮w來講，在開挖工程導(dǎo)致硐室周邊的應(yīng)力重新分布，在圍巖中引起強(qiáng)烈的應(yīng)力分異現(xiàn)象，并使被開挖巖體中的應(yīng)力在硐室周邊形成應(yīng)力集中區(qū)，這種應(yīng)力集中區(qū)往往是開挖工程破壞主要原因。而埋深較大、原巖應(yīng)力較高、巖石又致密、堅(jiān)硬的隧洞或巷道往往容易發(fā)生諸如巖爆類的沖擊性破壞。近些年來，隨著水電開挖、跨流域調(diào)水、交通和采礦等領(lǐng)域深埋長(zhǎng)大隧洞的增多，深埋高地應(yīng)力條件下硬巖地下工程開挖過程中出現(xiàn)的巖爆問題越來越突出，因其在發(fā)生時(shí)間上具有突然性，空間上具有隨機(jī)性，形式上常表現(xiàn)為爆裂彈射，具有極大的危害性，從而受到許多學(xué)者的關(guān)注。

近十余年來，隨著巖石力學(xué)研究的深入發(fā)展和工程實(shí)際的需要，在巖爆的破壞過程、形成機(jī)理及預(yù)測(cè)、巖石卸荷破壞與加荷破壞對(duì)比條件下巖爆模擬等方面取得了很大的進(jìn)展。王賢能選取西康鐵路秦嶺深埋隧道的混合花崗巖、含綠色礦物混合花崗巖、攀枝花石灰礦的灰?guī)r做了卸荷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了模擬硐室開挖過程的三軸卸荷實(shí)驗(yàn)，探討了巖石在2種卸荷速率條件下的變形破壞特征以及與巖爆的關(guān)系[1]。徐林生按照地下硐室開挖過程中圍巖的實(shí)際受力狀態(tài)，采用卸荷三軸試驗(yàn)方法，探討了巖爆巖石的變形破壞特征和巖爆形成力學(xué)機(jī)制問題[2-3]。張黎明對(duì)粉砂巖試樣進(jìn)行了保持軸向變形不變的卸圍壓試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)果分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)卸荷導(dǎo)致的巖爆進(jìn)行了研究。研究表明，處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下的巖體，如果某一方向的應(yīng)力突然降低造成的巖石在較低應(yīng)力水平下破壞，那么原巖儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能會(huì)對(duì)外釋放，釋放的能量將轉(zhuǎn)換為破裂巖塊的動(dòng)能，進(jìn)而可能引起巖爆[4-5]。

開挖是一切工程(無論是地表工程還是地下工程) 建設(shè)的前提。工程巖體是否產(chǎn)生巖爆取決于開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)，這種卸荷效應(yīng)將引起巖體產(chǎn)生一系列與加荷狀態(tài)下不同的新的巖爆效應(yīng)。因此，對(duì)待工程中的巖爆問題，應(yīng)從卸荷效應(yīng)去考慮，這才能作出符合工程實(shí)際的決定。鑒于此，本文以錦屏二級(jí)水電站引水隧洞開挖過程中發(fā)生的巖爆問題為工程背景，通過采用切縫局部應(yīng)力解除法測(cè)量地下硐室開挖卸荷區(qū)巖壁上的二維應(yīng)力狀態(tài)，并采用數(shù)值模擬研究卸荷范圍和卸荷程度對(duì)巖爆的影響效應(yīng)，分析深部巖體開挖卸荷效應(yīng)與巖爆的相關(guān)性。

2 基于卸荷效應(yīng)的巖爆機(jī)理研究

2.1 卸荷區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

課題組曾采用切縫局部應(yīng)力解除法在錦屏二級(jí)水電站4#引水洞開展了卸荷區(qū)應(yīng)力測(cè)試研究[6]。測(cè)試得出強(qiáng)卸荷區(qū)的豎向應(yīng)力僅為17.4～26.8 MPa，水平向應(yīng)力僅為13.9～18.4 MPa。弱卸荷區(qū)的豎向應(yīng)力增加至32～41 MPa之間，其量值約為強(qiáng)卸荷區(qū)應(yīng)力量值的1.6倍左右。此外，根據(jù)鉆孔巖芯揭示和聲波測(cè)試成果，將洞壁圍巖沿深度分布劃分為3個(gè)區(qū)域：0～0.4 m左右可歸為強(qiáng)卸荷區(qū)，0.4～1 m左右可歸為弱卸荷區(qū)，1 m以后可歸為原巖區(qū)。強(qiáng)卸荷區(qū)巖體模量約為40 GPa，弱卸荷區(qū)巖體模量約為55 GPa。后者是前者的1.4倍。

測(cè)試結(jié)果表明：高應(yīng)力條件下硐室開挖后，受開挖卸荷和爆破損傷作用多種因素影響，洞壁淺部巖體開挖卸荷效應(yīng)明顯。

2.2 數(shù)值模擬

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算采用的開挖模型如圖1所示，模型長(zhǎng)(Y方向)取30 m，寬(X方向)和高(Z方向)均取60 m，計(jì)算區(qū)域劃分成57 600個(gè)單元，61 456個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠保證計(jì)算具有足夠的精度。其約束條件為：兩側(cè)及底部邊界均為法向約束，頂部為自由表面，在模型體內(nèi)考慮重力梯度，根據(jù)埋深2 000 m結(jié)合圍巖重度(2 750 kg/m3)施加自重荷載，初始地應(yīng)力場(chǎng)按第一主應(yīng)力：與水平面成83°傾角，63 MPa；第二主應(yīng)力：與水平面成7°傾角，34 MPa；第三主應(yīng)力：沿洞軸線方向，26 MPa來施加[7]。巖石的破壞準(zhǔn)則采用張拉剪切組合的摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

表1 巖體參數(shù)隨體積應(yīng)變?cè)隽孔兓P(guān)系

首先建立未開挖的模型，給定本構(gòu)關(guān)系、邊界條件及加載條件進(jìn)行計(jì)算，直到達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。當(dāng)體系最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率小于定值10-5，則停止計(jì)算，認(rèn)為模型已經(jīng)達(dá)到了靜力平衡狀態(tài)。接下來進(jìn)行引水隧洞的開挖，開挖洞徑為10 m，每次開挖進(jìn)尺3 m，開挖后對(duì)模型重新計(jì)算一定時(shí)步后再進(jìn)行下一次開挖，直至開挖完畢。最后對(duì)開挖后的模型重新進(jìn)行計(jì)算，直到達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，或者總也無法達(dá)到平衡(塑性流動(dòng)，最大不平衡力一直不小于設(shè)定的值)。計(jì)算過程中通過不同的塑性體積應(yīng)變?cè)隽孔兓瘏^(qū)間來對(duì)應(yīng)巖體的不同力學(xué)參數(shù)，針對(duì)隧洞開挖后不同卸荷區(qū)域巖體采用表1中的巖體力學(xué)參數(shù)，來刻畫硐室周圍巖體的開挖卸荷狀態(tài)。

2.3 卸荷范圍對(duì)巖爆的影響

為了分析硐室開挖后圍巖卸荷范圍對(duì)巖爆的影響效應(yīng)，按下列3種卸荷區(qū)范圍設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行計(jì)算：①卸荷工況1，洞壁圍巖沿深度分布0～1 m為強(qiáng)卸荷區(qū)，1～2 m為弱卸荷區(qū)，2 m以后可歸為原巖區(qū)；②卸荷工況2，洞壁圍巖沿深度分布0～2 m為強(qiáng)卸荷區(qū)，2～4 m為弱卸荷區(qū)，4 m以后可歸為原巖區(qū)；③卸荷工況3，洞壁圍巖沿深度分布0～3 m為強(qiáng)卸荷區(qū)，3～5 m為弱卸荷區(qū)，5 m以后可歸為原巖區(qū)；

針對(duì)不同卸荷區(qū)域的巖體，通過單元塑性體積應(yīng)變?cè)隽孔兓瘏^(qū)間與表1中不同卸荷區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)的一一對(duì)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)在開挖卸荷過程中的演化[8]。

近幾十年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖爆的研究中做了大量的工作，提出了許多應(yīng)力判據(jù)[9-12]，本文選用水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287—2006)[13]，采用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σm(Rb為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，本文根據(jù)文獻(xiàn)[14]，將巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度綜合取值為100 MPa，σm為最大主應(yīng)力)的大小進(jìn)行巖爆等級(jí)的判別。

圖2為不同卸荷范圍下洞壁周圍巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布圖，圖2(a)至圖2(c)分別對(duì)應(yīng)前文中提到的3種卸荷范圍下巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布情況以及潛在的巖爆動(dòng)力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離。從圖中可以看出：隨著圍巖卸荷區(qū)范圍的增大，雖然洞壁附近圍巖可能發(fā)生的巖爆等級(jí)沒有減小，但洞壁附近圍巖可能發(fā)生輕微巖爆等級(jí)(巖爆等級(jí)判別系數(shù)為7的區(qū)域)的范圍在增大，也就是說洞壁附近淺表層應(yīng)力降低型破壞區(qū)在增大；潛在的巖爆動(dòng)力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離分別為4.67,5.90和6.65 m，其位置逐步向深部轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步降低了地下硐室開挖后發(fā)生巖爆的可能性。

圖2 不同卸荷范圍下巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布

2.4 卸荷程度對(duì)巖爆的影響

為了分析硐室開挖后圍巖卸荷程度對(duì)巖爆的影響效應(yīng)，在考慮卸荷范圍對(duì)巖爆影響工況2的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整卸荷區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)卸荷巖體卸荷程度的變化，即針對(duì)卸荷范圍對(duì)巖爆影響工況2所劃分的不同卸荷區(qū)域分別取表2中方案2對(duì)應(yīng)的卸荷巖體力學(xué)參數(shù)(原巖區(qū)、弱卸荷區(qū)、強(qiáng)卸荷區(qū)的彈性模量分別取50,30,20 GPa；泊松比分別取0.2,0.25,0.28；以此類推)和方案3對(duì)應(yīng)的卸荷巖體力學(xué)參數(shù)(原巖區(qū)、弱卸荷區(qū)、強(qiáng)卸荷區(qū)的彈性模量分別取50,20,10 GPa；泊松比分別取0.2，0.28，0.30；以此類推)進(jìn)行計(jì)算。

圖3為同一卸荷范圍、不同卸荷程度下洞壁周圍巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布圖，圖3(a)和圖3(b)分別對(duì)應(yīng)表2中方案2和方案3兩種卸荷巖體力學(xué)參數(shù)情形下巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布情況以及潛在的巖爆動(dòng)力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離。從圖中可以看出：在圍巖卸荷范圍一定的情況下，隨著圍巖卸荷程度的增加，洞壁附近圍巖可能發(fā)生的巖爆等級(jí)迅速減小，從方案1可能發(fā)生輕微巖爆等級(jí)(巖爆等級(jí)判別系數(shù)為7)變成方案2不發(fā)生巖爆(巖爆等級(jí)判別系數(shù)為12)和方案3不發(fā)生巖爆(巖爆等級(jí)判別系數(shù)為25)，原巖儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能釋放效果明顯；與此同時(shí)，潛在的巖爆動(dòng)力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離由方案1的5.90 m逐漸增大到方案2的7.26 m和方案3的8.34 m，有效地抑制了地下硐室開挖后發(fā)生巖爆的可能性。

圖3 不同卸荷程度下巖爆等級(jí)判別系數(shù)分布

3 工程例證

地下工程的開挖卸荷造成圍巖中應(yīng)變能的釋放，同時(shí)也正是由于這種應(yīng)力的調(diào)整，在很多情況下會(huì)造成開挖區(qū)域附近巖體應(yīng)變能的積聚。隨著掌子面的推進(jìn)、巖體的開挖，伴隨著開挖面上地應(yīng)力的卸除，聚集在圍巖中的彈性應(yīng)變能向臨空面方向釋放，若采用爆破方法開挖，由于開挖速度快，應(yīng)力調(diào)整劇烈，這種高應(yīng)變能的突然釋放就會(huì)誘發(fā)巖爆災(zāi)害。

二灘水電站地下廠房開挖過程中，因?yàn)榇笠?guī)模的底板爆破貫通，引起底板巖體應(yīng)力(開挖荷載)的快速釋放，導(dǎo)致圍巖瞬態(tài)卸荷回彈、突發(fā)大變形，進(jìn)而誘發(fā)了鄰近圍巖的劇烈?guī)r爆：第1次是由2號(hào)尾調(diào)室南端高程1 010～989 m底板與下部已開挖尾水洞一次性貫穿所引起，造成了2號(hào)尾調(diào)室上游邊墻中上部巖體變形量突增30～60 mm，同時(shí)誘發(fā)附近巖體大范圍開裂及巖爆；第2次是由2號(hào)機(jī)窩從高程998.0～979.8 m的一次性貫穿引起的，誘發(fā)鄰近巖體大變形，即巖爆，最大變形突變量達(dá)到24～41.5 mm[14-15]。

表2 卸荷巖體力學(xué)參數(shù)變化

錦屏二級(jí)水電站1 900～2 525 m埋深處4條引水隧洞和施工排水洞(樁號(hào)分別為K5+500至K6+230和K7+374至K9+100，長(zhǎng)度累計(jì)約10 km)大量巖洞段在TBM和鉆爆法施工過程中，由于開挖卸荷和爆破動(dòng)力擾動(dòng)等多種因素誘發(fā)的巖爆災(zāi)害發(fā)生了上百次。其中最具代表性的是2010年2月4日，2#引水隧洞K11+070～006洞段發(fā)生的極強(qiáng)巖爆，該次巖爆導(dǎo)致正在出渣作業(yè)的施工車輛被巖爆沖擊波推轉(zhuǎn)90°，車身嚴(yán)重受損。巖爆造成南側(cè)邊墻、拱腳部位巖體彈出、垮塌外，還造成上臺(tái)階底板出現(xiàn)3條裂縫，其中1條深約1m、寬約10cm的裂縫從南側(cè)拱腳延伸至北側(cè)拱腳，完全橫向貫穿隧洞[16-17]。

另外，許多已建和在建的水電站地下廠房也發(fā)生過類似的事故，嚴(yán)重威脅施工人員和機(jī)械的安全，影響工程進(jìn)度。因此，如何合理控制深部地下工程開挖卸荷效應(yīng)，進(jìn)而防止開挖卸荷過程積聚的高應(yīng)變能的突然釋放而誘發(fā)巖爆災(zāi)害顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

(1)工程巖體是否產(chǎn)生巖爆取決于開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)，高地應(yīng)力區(qū)深部巖體開挖過程中發(fā)生的巖爆，是一種典型的卸荷破壞現(xiàn)象。

(2)切縫局部應(yīng)力解除方法能夠直接測(cè)定地下工程開挖卸荷區(qū)洞壁關(guān)鍵部位的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果可為地下工程圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和巖爆預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。

(3)隨著圍巖卸荷范圍和卸荷程度的增大，潛在的巖爆動(dòng)力源區(qū)逐步向圍巖深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生巖爆的可能性進(jìn)一步減小。相比較而言，圍巖的卸荷程度比圍巖的卸荷范圍對(duì)巖爆的影響效果更為顯著。

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