基于堆體坍塌機制的隧道災變安全控制分析

蒯　磊　李仕雄　劉年平　李倩倩

(西南科技大學環(huán)境與資源學院)

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基于堆體坍塌機制的隧道災變安全控制分析

蒯磊李仕雄劉年平李倩倩

(西南科技大學環(huán)境與資源學院)

摘要通過一系列堆體實驗，從輸入物質能量、內部結構和邊界條件三方面分析堆體的坍塌機制，指出隧道施工系統(tǒng)中災變發(fā)生的表現(xiàn)形式，并給出相應控制災變發(fā)生的安全管理與施工防護措施建議，為有效預防和減少隧道災害事故提供一定的理論基礎和指導依據(jù)。

關鍵詞施工隧道堆體實驗坍塌機制災害防治

隨著經(jīng)濟水平不斷的提高，為了促進地質條件較為復雜的偏遠山區(qū)發(fā)展，國家不斷加大該地區(qū)的交通建設，尤其是隧道建設。由于隧道工程施工的地質條件的特殊性，使其具有工期長、技術要求高、經(jīng)費多等特點，同時隧道工程在施工過程中常常面臨滑坡、涌水、巖溶塌陷等地質災害以及人員傷害、設備損壞等事故的發(fā)生。這一系列的災害事故都是在災害系統(tǒng)內發(fā)生的，有必要去探究復雜系統(tǒng)的災變機制。李仕雄等人利用沙堆和米堆簡化模型實驗研究了系統(tǒng)自組織臨界性、導致災害的因素以及災害的演化預測[1-3]；李潔、黃琳等用系統(tǒng)控制的觀點分別將此研究成果應用于電力系統(tǒng)和地下巖土工程[4-5]；然而他們缺乏更全面地分析沙堆和米堆的災變機制。一個系統(tǒng)的演化機制包括增長機制和連鎖反應機制，而災變機制屬于連鎖反應機制。系統(tǒng)災變的安全控制是要控制這種連鎖反應發(fā)生的條件，這是事故預防的基礎?；蛘咴谶@種連鎖反應的過程中切斷連鎖反應的鏈條，就能夠減輕事故導致的損失。李仕雄等人之前提出影響沙堆坍塌的因素是結構、狀態(tài)和外界擾動，由于沙堆狀態(tài)和外界擾動因素屬于內部結構和物質能量輸入的一部分，因此，基于以上普適性因素理論，他又新提出探究堆體的災變機制須從輸入物質能量、內部結構、邊界條件三大影響因素出發(fā)。故本文通過堆體實驗從這3個方面探究系統(tǒng)的坍塌機制，并將其運用在隧道施工系統(tǒng)中，指導和控制系統(tǒng)的安全管理和防護。

1堆體坍塌機制實驗

1.1實驗裝置

本實驗堆體顆粒物分別為大米、蕎麥、芝麻(粒徑由大到小)；所用的圓盤規(guī)格分別為150(φ17 cm),226(φ24 cm),269 g(φ34 cm);2臺精密電子稱(1#、2#)；高度可調的斜坡裝置。實驗裝置見圖1。

圖1　實驗裝置

1.2實驗方法

物質能量輸入輸出是通過加入不同質量(77，127，427 g)的顆粒物，加入同種質量的實驗次數(shù)均為150次。實驗步驟：①稱量出圓盤的質量，設定首次坍塌顆粒物的質量為0 g；②由另一臺電子稱每次稱量77 g的顆粒物，通過斜坡面均勻地加入到圓盤中間，并讀取圓盤和顆粒物的總質量，用前一個質量加上77 g減去本次讀取的數(shù)值即為顆粒物此次坍塌的質量；③重復②步驟150次，記下每次坍塌顆粒物的質量數(shù)據(jù)；④改變添加顆粒物質量為127和427 g，按照步驟①～③分別進行150組實驗。結構的變化是通過改變顆粒物的種類(大米、蕎麥、芝麻)實現(xiàn)的，加入量均為77 g，實驗步驟參照上述①～③。邊界條件的變化是通過改變顆粒物加入的不同直徑圓盤實現(xiàn)的，每次加入顆粒物的量均為77 g。開始時將顆粒物加入到φ17 cm的圓盤中并按照步驟①～③進行150次實驗，然后將φ17 cm圓盤及顆粒物一并加入到φ24 cm的圓盤中，同樣進行150組實驗，最后再變換到φ34 cm圓盤中進行150組實驗。

1.3實驗結果與分析

1.3.1物質能量輸入輸出變化對堆體坍塌的影響

圖2為加入77，127和427 g米粒的崩塌序列圖?？梢钥闯觯舷抡鹗幍那€里相鄰點之間有高、有低，表示每次堆體坍塌的規(guī)模。相鄰點之間震蕩曲線越高表示坍塌越多，反之越少。在開始加入時，曲線出現(xiàn)了負值，表示實驗中的小誤差，隨后輸入量越大，崩塌的規(guī)模就越大。當每次加入米粒77 g時，米堆發(fā)生大規(guī)模坍塌次數(shù)要比加入米粒127和427 g時要少很多。由此可以得到，堆體系統(tǒng)的坍塌受其物質能量輸入輸出的影響，若堆體的物質能量輸入越高，堆體發(fā)生坍塌的幾率越高，整個堆體偏離平衡態(tài)的幾率就越高。

圖2　不同輸入量米粒的崩塌序列

1.3.2結構變化對堆體坍塌的影響

不同顆粒物輸入量為77g的崩塌序列見圖3?？梢缘贸?，與蕎麥、芝麻相比較，米粒的粒徑是最大的，在這種情況下堆體系統(tǒng)發(fā)生坍塌的規(guī)模也是最大的。因此，若堆體中組元結構越大，堆體越容易發(fā)生大的坍塌。芝麻的粒徑最小，但在芝麻組成的堆體中小的坍塌事件極其頻繁?？梢则炞C出堆體的內部結構對其自身的穩(wěn)定性有著重要的影響，組元的大小與其自身平衡狀態(tài)有著密切的關系。

圖3　不同顆粒物輸入量為77 g的崩塌序列

1.3.3邊界條件的變化對坍塌的影響

不同邊界條件輸入量為77 g蕎麥粒的崩塌序列見圖4?？梢钥闯觯瑢嶒為_始時圓盤中的顆粒物不斷增加，只有極少量的顆粒物蹦出圓盤之外。隨著實驗的持續(xù)進行，發(fā)生第一次大的崩塌事件，此后每一次的輸入都會發(fā)生大小不同的崩塌事件。當圓盤直徑不斷變大，堆體從極少量的坍塌到大規(guī)模的坍塌，崩塌量越來越大。由此可得，堆體中若邊界發(fā)生大的改變，堆體發(fā)生崩塌的幾率將增加，且對整個堆體的破壞也將增大。

圖4　不同邊界條件輸入量為77 g蕎麥的崩塌序列

2隧道系統(tǒng)安全控制

通過對輸入物質能量、內部結構和邊界條件分析堆體的坍塌機制，探討施工隧道系統(tǒng)中的災變表現(xiàn)形式，并提出相應的安全控制措施及建議。

2.1物質能量輸入輸出方面控制

上述堆體實驗結果顯示，當加入77 g顆粒時堆體的坍塌幾率會減少，而當逐漸增大輸入時，堆體的坍塌幾率就越高，說明大的輸入會有大的坍塌規(guī)模，小的輸入坍塌規(guī)模就小，因此，在控制災變系統(tǒng)時，應盡量控制小的輸入以減弱物質能量的輸入對災變的影響。大部分隧道是以巖石類為主的施工工程，通常采用新奧法進行施工，需要鉆孔爆破，炸藥爆炸會在極短時間內產(chǎn)生高溫高壓的氣體，體積急劇擴大，由此產(chǎn)生能量形成巨大的沖擊波使周圍的巖石被擊碎[6]。這是整個正在施工的隧道系統(tǒng)主要的物質能量輸入。爆破對隧道圍巖產(chǎn)生的危害：首先，周圍輪廓的圍巖會受到爆破的直接作用，通過爆破產(chǎn)生的裂隙進入圍巖中，貫穿天然裂隙和節(jié)理，“氣楔效應”使裂隙擴張；其次，在表層的圍巖會受到表層波和反射拉伸波的作用導致形成的裂隙進一步擴展，甚至影響周圍的塊體，更有可能影響到控制關鍵穩(wěn)定的塊體導致坍塌事件的發(fā)生；最后，爆破產(chǎn)生的應力波、氣體沖擊波及飛石對于未達到設計強度混凝土初噴層及錨桿產(chǎn)生一定的破壞作用導致初噴層粘結性變差，錨固體、錨桿及孔壁之間產(chǎn)生裂隙。因此，針對隧道爆破災變從物質能量輸入輸出方面來控制，減弱爆破對圍巖震動帶來的影響，可以控制炸藥爆破速度，比如鉆孔內采用不耦合裝藥結構；還可以采用控制單響起爆藥量、多分段起爆、光面爆破和預裂爆破的方法[7]，通過控制小的輸入量以削弱爆破振動對圍巖的影響。

2.2內部結構方面控制

結構變化對坍塌影響的實驗結果顯示，不改變邊界和輸入量，對于粒徑相對較大米粒堆體，發(fā)現(xiàn)其坍塌的規(guī)模大，但是坍塌的頻率會相應地減少；反之，對于粒徑最小的芝麻粒堆體，其坍塌的規(guī)模最小，但是其坍塌的頻率會相應地增多。在施工隧道中，詳細分析開挖隧道段的圍巖分級及對較軟弱圍巖及時支護就很重要。圍巖級別分類基本是以穩(wěn)定性為基礎和按彈性縱波的方法進行組合分級[8]。把不同的圍巖級別當作是整個施工隧道系統(tǒng)內部結構的改變，而影響該系統(tǒng)內部結構的主要因素有巖石材料的質量、巖體的完整性、地質構造的特征、地下水的活動以及地應力等。如何對內部結構改變進行有效控制，保持其穩(wěn)定性是減少災變發(fā)生的關鍵。在隧道的施工過程中，需要做到以下幾個方面：①針對隧道地質圍巖比較差的地方可以使用超前錨桿支護，進而對系統(tǒng)內部結構起到先前穩(wěn)固的作用；②針對地質條件較差的軟弱圍巖洞口，先使用管棚法穩(wěn)固開挖隧道圍巖，再采用中隔壁法進行開挖；③針對圍巖結構已經(jīng)發(fā)生改變的，需要對使用的鋼拱架、鋼筋網(wǎng)以及鋼纖維做出相應的改變以滿足隧道內圍巖穩(wěn)定的需求；④針對不同的隧道系統(tǒng)內部結構，改變其噴漿厚度和二襯施工中混凝土強度及厚度，對內部結構進一步穩(wěn)固。以上措施只是圍巖穩(wěn)固的幾種常見方式，可以有效地控制施工隧道系統(tǒng)內部結構的穩(wěn)定性，達到減少災害事故的目的。

2.3邊界條件方面控制

邊界條件變化對坍塌影響的實驗結果顯示，在不改變輸入量和內部結構的情況下，當圓盤直徑變大，其堆體坍塌的規(guī)模越大，直徑很小時，堆體坍塌規(guī)模就減小，在實際情況中還應該研究邊界條件變小的情況，本實驗只探究了施工中不同開挖斷面對整個施工隧道系統(tǒng)的影響，所以沒有必要再考慮邊界條件變小的情況。在隧道施工過程中，應盡量控制一個合理的邊界條件，即針對不同的圍巖等級選擇合理的開挖方法。例如：在Ⅴ級圍巖區(qū)洞口段易采用管棚法進洞，后續(xù)可實行中隔壁法開挖；在Ⅳ級圍巖或Ⅴ級圍巖區(qū)域可使用臺階法施工，而在Ⅲ級圍巖區(qū)域則可使用全斷面法施工。之所以針對不同的圍巖級別實行不同的開挖方法，主要是考慮到在隧道系統(tǒng)中若比較差的內部結構再有大的邊界改變可能會導致大的災變發(fā)生。所以隧道開挖方法的選擇其實質上是為了控制整個施工隧道系統(tǒng)的邊界條件來防止災害事故的發(fā)生。

2.4在時間和空間上組合控制

以上是從隧道系統(tǒng)的3個因素單獨進行分析和控制，然而施工隧道這一動態(tài)系統(tǒng)往往需要將這三者在時間和空間上進行組合才能對其實現(xiàn)更加有效的安全控制。從時間上來說，在隧道開挖前，可先進行超前預報，以此探知即將開挖隧道系統(tǒng)的內部結構，并據(jù)此選擇合理的開挖方式和預防災變的措施；在對隧道進行爆破時，需實時監(jiān)測以便及時反應圍巖爆破面的情況，而在爆破完成后，需立即清除石渣、石塊以便及時對圍巖噴錨支護，維持圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)；在隧道進行初襯和二襯時，需相隔一定時間使其強度達到要求并及時監(jiān)測其強度變化。從空間上來說，在爆破過程中，應控制每一排炮的進尺；在支護過程中，須控制工字鋼之間及錨桿之間的距離；在開挖過程中，須控制施工的安全距離，若實行上下臺階法施工，須使臺階與掌子面之間保持在一定的范圍內。這種從時間和空間上進行組合并實時監(jiān)測的方法才會使整個隧道施工系統(tǒng)處于更安全、更穩(wěn)定狀態(tài)。因此，必須遵循“弱爆破、少擾動、短開挖、強支護、勤量測、緊襯砌”的原則。

3結論

通過堆體實驗，從輸入物質能量、內部結構和邊界條件3個因素探究堆體的坍塌機制，得到堆體的物質能量輸入量越高，堆體發(fā)生坍塌的幾率越高，整個堆體偏離平衡態(tài)的幾率也就越高；堆體內部結構組元越大，越容易發(fā)生大的坍塌事件，組元越小，發(fā)生小的坍塌事件越頻繁；堆體的邊界發(fā)生大的改變時，發(fā)生崩塌的幾率將增加，且對整個堆體的破壞也將增大。將堆體坍塌機制運用在隧道施工災變系統(tǒng)中，指出控制爆破是隧道施工系統(tǒng)中控制能量輸入的最主要方式，詳細的圍巖級別鑒定和及時性支護方式是控制其內部結構改變的主要方法,在邊界條件方面選擇合適的開挖方法是控制隧道發(fā)生災變的有效方式。控制災變發(fā)生的相應安全管理與施工防護措施建議為有效預防和減少隧道災害事故提供一定的指導依據(jù)。

參考文獻

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[5]黃琳.地下巖土工程事故系統(tǒng)化控制模式與方法[D].綿陽：西南科技大學，2009.

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[8]傅鶴林,趙朝陽.隧道安全施工[M].北京:人民交通出版社，2010.

(收稿日期2015-12-11)

蒯磊(1988—)，男，碩士研究生，621010 四川省綿陽市。