深埋長大公路隧洞巖爆預(yù)測及防治措施

袁 海 波

(中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410117)

深埋長大公路隧洞巖爆預(yù)測及防治措施

袁 海 波

(中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410117)

基于陶振宇判據(jù)，從地應(yīng)力大小和圍巖條件兩方面考慮，對昌寧高速雩山隧道開展了巖爆預(yù)測和防治，判定結(jié)果表明雩山隧道以無巖爆為主，局部洞段可能發(fā)生輕微巖爆。

隧道，巖爆，數(shù)值模擬，防治

0 引言

巖爆是深埋地下工程常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，其主要是由于完整的脆性圍巖在高地應(yīng)力條件下，在隧道的開挖擾動下，發(fā)生的一種動力失穩(wěn)破壞。巖爆的發(fā)生具有突發(fā)性和不確定性，常常給地下施工帶來巨大的危害。由于巖爆發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，大量的學(xué)者對其從各個方面進(jìn)行了研究，雖然得出了一些有益的結(jié)果，但還沒有統(tǒng)一的共識，目前巖爆預(yù)測和防治仍是一個世界性的難題。

雩山隧道是昌寧高速中最長的隧道，隧道長度大于5 000 m，而且埋深大，最大埋深超過600 m，圍巖巖性主要以砂巖為主，巖石強(qiáng)度高，脆性大，具有較高的發(fā)生巖爆的可能性。另外考慮到工期的因素，需提前對隧道可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，做到未雨綢繆。因而對雩山隧道進(jìn)行了巖爆預(yù)測，并對可能出現(xiàn)的巖爆提出合理可靠的巖爆防治措施具有重要的意義。

1 工程概況

文中研究的雩山隧道位于江西省境內(nèi)，為昌寧高速公路的控制性工程。隧道區(qū)域處于中、低山丘陵地貌，地表植被發(fā)育，表層巖石分化嚴(yán)重。洞身最高點高程約1 160 m，地形起伏大，山勢較陡峻。隧道進(jìn)出洞口地形較陡，植被發(fā)育，出洞口風(fēng)化層厚。雩山隧道位于揚子準(zhǔn)地臺之江南臺隆的豐城—樂平凹斷束及華南褶皺系之贛中南褶隆的武功山—玉華山隆斷束、大湖山—芙蓉山壟斷束、寧都—南昌拗?jǐn)嗍鴺?gòu)造區(qū)。

現(xiàn)場采用剛性試驗機(jī)對雩山隧道砂巖巖樣進(jìn)行單軸力學(xué)試驗，得到巖樣全過程的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖1所示。由圖1可知，該洞段巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較高，可達(dá)到140 MPa以上。并且從破壞的全過程曲線來看，峰值達(dá)到一定強(qiáng)度以后，巖石呈突然破壞，未有較明顯的屈服過程，可見巖石的脆性較大，具有較大的發(fā)生巖爆的可能性。

根據(jù)江西昌寧高速雩山隧道的地勘報告及隧道施工后的實際現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況，將雩山隧道分為5個研究地質(zhì)段，具體樁號范圍為：YK190+508～YK191+048，YK191+048～YK191+662，YK191+662～YK192+108，YK192+108～YK192+378，YK192+378～YK192+750。

2 硐室應(yīng)力場分布計算和巖爆預(yù)測

2.1 隧道開挖后周邊應(yīng)力場分布情況

隧道開挖后二次應(yīng)力場的計算采用大型通用有限元軟件Ansys進(jìn)行計算，有限元計算模型采用5倍的影響范圍進(jìn)行計算。模型采用平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析，計算模型采用二維分析。在模型的底邊界采用固定約束，左、右邊界根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場的大小施加線性變化的荷載，頂邊界根據(jù)埋深施加豎向的荷載。其中右線K191+360洞段開挖后隧洞周邊二次應(yīng)力場分布情況如圖2所示。

由隧道開挖后的最大主應(yīng)力云圖可得，隧道開挖后隧道周邊的應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力集中和應(yīng)力分異，但隧道周邊的應(yīng)力主要以壓應(yīng)力為主。其中拱頂部位的應(yīng)力最大，也是最有可能發(fā)生巖爆的部位。圖2為典型洞段的計算結(jié)果，其他洞段的計算結(jié)果可能存在差異，但應(yīng)力的變化趨勢還是基本一致的。

2.2 雩山隧道巖爆預(yù)測及防治措施

現(xiàn)有巖爆研究結(jié)果表明，影響巖爆發(fā)生強(qiáng)度的主要因素為圍巖的強(qiáng)度條件和地應(yīng)力的大小。依據(jù)這兩個主要因素，學(xué)者們提出了很多巖爆預(yù)測判據(jù)，其中主要以陶振宇判據(jù)最具代表性。陶振宇判據(jù)如表1所示。其中，σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σ1為最大主應(yīng)力。

將隧道的圍巖強(qiáng)度分析結(jié)果和圍巖應(yīng)力的計算結(jié)果應(yīng)用于陶振宇判據(jù)，可以得出雩山隧道的巖爆強(qiáng)度，如表2所示。由表2的判斷結(jié)果可知雩山隧道的巖爆等級主要以輕微巖爆為主，局部為中等巖爆。

表1 陶振宇判據(jù)

表2 雩山隧道各段巖爆預(yù)測結(jié)果

對于中等巖爆的防治措施可以采用先對掌子面進(jìn)行高壓噴水，軟化圍巖，并加強(qiáng)光面爆破，或采用預(yù)裂爆破來降低爆破對圍巖的擾動。支護(hù)方式可采用掛網(wǎng)噴錨支護(hù)法。錨桿采用φ25，@1.2 m×1.2 m，L=4.0 m～4.5 m，梅花形布置方案，加墊板。洞壁噴15 cm厚C20混凝土或鋼纖維混凝土；掛網(wǎng)：φ6.5 mm，@15 cm×15 cm。打脹殼式錨桿。對于輕微巖爆區(qū)域，可采用放炮開挖后進(jìn)行高壓噴水，軟化圍巖的方法。

3 結(jié)論和建議

根據(jù)陶振宇巖爆預(yù)測判據(jù)綜合，雩山隧洞巖爆預(yù)測分析結(jié)果為：YK190+508～YK191+048，YK191+662～YK192+108，YK192+378～YK192+750不會發(fā)生巖爆，YK191+048～YK191+662，YK192+108～YK192+378可能發(fā)生輕微巖爆。

考慮到影響巖爆發(fā)生的因素眾多，在現(xiàn)場的巖爆預(yù)測中，應(yīng)結(jié)合隧道開挖后的實際地質(zhì)情況，進(jìn)行巖爆的現(xiàn)場識別。如圍巖情況干燥完整，則參考文中巖爆預(yù)測的結(jié)果，如圍巖條件較差且裂隙水發(fā)育，則實際巖爆強(qiáng)度應(yīng)降級處理。

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[5] 吳世勇,王 堅,王 鴿.錦屏水電站輔助洞工程地下水及治理對策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007(10)：36.

[6] 何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(16)：2803-2813.

[7] 姜繁智，向曉東，朱東升.國內(nèi)外巖爆預(yù)測的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2003，29(8)：19-22.

Rock burst prediction and preventive measures of deep-embedded long highway tunnel

Yuan Haibo

(ChinaRailway5thBureauGroup1stEngineeringCo.,Ltd,Changsha410117,China)

Based on Taozhenyu criteria, considering from two aspects of stress and surrounding conditions, the paper launches rock burst prediction and prevention of Yushan tunnel of Chang-Ning highway. The identification results show that: Yushan tunnel takes no rock burst as the orientation; local karst may lead to light rock burst.

tunnel, rock burst, numerical simulation, prevention

2015-01-05

袁海波(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0183-02

U455.6

A