鉆孔套心應力解除法在米倉山隧道中的應用

李黎龍

(巴陜高速公路有限責任公司， 四川巴中 636000)

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鉆孔套心應力解除法在米倉山隧道中的應用

李黎龍

(巴陜高速公路有限責任公司， 四川巴中 636000)

【摘要】隧道開挖產生臨空面，在初始高地應力作用下圍巖向臨空面產生變形，軟巖隧道面臨大變形、坍塌，硬巖隧道面臨巖爆、掉塊等施工風險，兩者均對隧道施工帶來了極大的安全隱患。準確的獲得隧址區(qū)地應力分布特征，評價圍巖穩(wěn)定性，指導隧道工程設計和施工，是保證工程安全高效的必要途徑。

【關鍵詞】公路隧道；地應力；套心法；隧道施工

儲存在巖體內部未受到擾動的應力稱之為地應力，地應力可以分為兩類，原地應力和誘發(fā)應力，而原地應力主要來自五個方面：巖體自重、地質構造活動、萬有引力、封閉應力和外部荷載。地應力具有多來源性且受到多種因素的影響，特別是地質活躍地區(qū)和板塊鄰接地區(qū)，地殼巖體地應力分布復雜多變[1-4]。

而隨著交通工程的長足發(fā)展，隧道在公路及鐵路建設中，以減少行車距離、縮短運行時間、提高行車安全、節(jié)約地面用地等優(yōu)勢日益成為交通工程中重要的線型方式。地應力是隧道圍巖壓力產生的根本來源，特別是深埋隧道，地應力與深度呈線性比例增大，地質條件惡化，破碎體增多，帶來了深部地壓、作業(yè)面環(huán)境惡化等一系列問題。隧道穿越高地應力區(qū)域，開挖引起大變形、坍塌、掉塊、巖爆等隱患的幾率大大增加，嚴重影響施工安全與效率。所以準確獲得深埋隧道的原地應力狀態(tài)，并指導設計和施工，是確保工程施工安全、高效的必要途徑[5-6]。

1工程概況

米倉山隧道位于國高網(wǎng)G69銀川至百色高速公路，四川巴中至陜西漢中段川陜交界位置，穿越米倉山國家森林公園，為左右行分離的特長隧道，里程長約13.8km，單洞雙車道凈寬10.25m，為目前西南地區(qū)最長的公路隧道，是本項目出川的咽喉工程。

隧址區(qū)屬中深切割的侵蝕-構造剝蝕地貌，呈塊狀山地形，海拔約835～2 200m，相對高差約1 365m，屬高中山地形地貌。區(qū)內閃長巖山體陡峻，山頂呈尖峰；沉積巖山峰一般渾圓，在山體上橫向沖溝發(fā)育，形成峽谷、陡崖等地貌。地形地貌受地層巖性和地質構造控制，在隧道中部一帶多形成寬緩的溶蝕、剝蝕槽狀地形，在兩側白云巖、變質砂巖分布地帶常形成鰭脊陡坡、懸崖。隧道進口帶自然斜坡坡角一般20～51°，出口帶自然坡度26～49°，局部地形上形成高約45～200m的懸崖、陡壁。

為獲得隧道圍巖的地應力狀態(tài)，評價圍巖穩(wěn)定性，指導隧道工程施工，特對米倉山隧道進行地應力測量。

2地應力測量原理和實施

2.1原理方法

套心法的全稱為鉆孔套心應力解除法?；驹硎窃阢@孔中安裝變形或應變測量元件(位移傳感器或應變計)，通過量測套心應力解除前后，鉆孔孔徑變化或孔底應變變化或孔壁表面應變變化值來確定天然應力的大小和方向。

2.2儀器

套心法所采用的儀器型號及規(guī)格如表1所示。

表1　試驗檢測設備

2.3地應力現(xiàn)場測量實施

2.3.1應力計的結構

應力計是由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個電阻應變片組成，將3枚應變花(每枚應變花有4個應變片)沿環(huán)氧樹脂筒園周相隔120°粘貼，如圖1所示，然后再用環(huán)氧樹脂澆注外層，使電阻應變片嵌在筒壁內。環(huán)氧樹脂圓筒有一個用來裝粘結劑的內腔和一個環(huán)氧樹脂柱塞。使用前需對應力計加密封圈。使用時，將圓筒內腔裝滿粘結劑，然后將柱塞插入內腔約2cm深處，用鋁絲穿過固定銷小孔將其固定(圖2)。柱塞的另一端有一導向定位棒，以使應力計順利安裝在所需要的位置上。安裝時要保證應變花A與定向銷子的母線之間夾角為90°。將應力計送入鉆孔中指定位置后，用力推動安裝桿，可使鋁絲切斷，繼續(xù)推進可使粘結劑經柱塞小孔流出，進入應力計和小孔孔壁之間的間隙里。經過一定的時間粘結劑固化后，即可進行套芯解除。

圖1　應變花位置分布

1、電纜：2、定向銷；3、8、密封圈；4、環(huán)氧樹脂筒；5、粘膠劑；6、固定銷；7、栓塞；9、導向桿；10、應變玫瑰花圖2　KX-81型應力計結構示意

2.3.2鉆孔套芯應力解除步驟

套芯應力解除法的過程是：在需要測量應力的地方，打一個φ130mm的鉆孔，至13m時，將孔底磨平，再打一個喇叭孔(起導正作用)，在大孔中心鉆一個φ36～36.5mm的測量小孔，測量孔的深度約為290mm，然后在測孔中安裝測量探頭，探頭引線與孔外測量儀器相接，測得初始值。絕對應力測量在測量小孔外，再用φ130mm口徑的鉆頭同心鉆進，開挖應力解除槽，在鉆進過程中，導線從鉆桿中心穿過，由水節(jié)頭處引出與測量儀器相連，監(jiān)視解除過程中的變化，隨著應力解除槽的加深，巖芯逐漸與外界應力場相隔離，巖芯發(fā)生彈性恢復，儀器測值隨著發(fā)生變化，直至儀器讀數(shù)不再變化時，停止鉆進，取出巖芯。

2.3.3鉆孔要求

在進行地應力測量的地方，打一個φ130mm的鉆孔，鉆孔水平向上，傾角為5°。鉆孔鉆至10m時，將孔底磨平，再打一個喇叭孔(起導正作用)，在大孔中心鉆一個φ36～36.5mm的測量小孔，測量孔的深度約為290mm，然后在測孔中安裝測量探頭，探頭引線與孔外測量儀器相接，測得初始值。如果是進行相對值測量，設備安裝工作就此結束，此后間隔

一段時間再測探頭的數(shù)值，就可測出應力隨時間的變化情況。絕對應力測量是在測量小孔外，再用φ130mm口徑的鉆頭同心鉆進，開挖應力解除槽(圖3)。

圖3　鉆孔示意

3米倉山工程實例

3.1現(xiàn)場測試

測量位置位于陜西省漢中市南鄭縣桃巴高速公路米倉山隧道JC1標段主洞左線ZK40+770右側，地面標高1 446m，設計高度943m左右，埋深503m?？咨?0.27m，安裝角度153.8°。鉆孔的傾角為3°，鉆孔方位角為240°?，F(xiàn)場測試鉆孔布置如圖4所示。

圖4　鉆孔布置

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔測點所記錄的數(shù)據(jù)，并繪制應力解除曲線。根據(jù)應力解除曲線測得12枚應變片的穩(wěn)定應變值，如圖5所示。

從應力解除曲線可以得到測點12個應變計穩(wěn)定的應變值如表2所示。

表2　測點12個應變計穩(wěn)定的應變值

圖5　應力解除曲線

3.2三維主應力計算

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中εθ、εz、γθz分別為空心包體應力計中的應變計的環(huán)向應變、軸向應變和剪切應變； 為與鉆孔軸即Z軸成ε±45°方向的應變；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx為6個原巖應力分量。

主應力由式(1)～式(4)迭代法求解，計算結果如表3所示。

從測試結果可知，該測點有兩個主應力方向接近于水平，其與水平方向夾角不大于10°，另有一主應力方向接近于垂直，其與垂直方向夾角不大于10°。

4結論及施工建議

對飽水狀態(tài)下的試件進行單軸壓縮實驗，獲得ZK40+770處巖石飽和單軸抗壓強度Rc=78.7MPa，Rc/σmax=3.2，因此主洞左線ZK40+770處屬于極高應力區(qū)。

表3　三維主應力計算結果

注：地應力分量以大地坐標系為參考，大地坐標為Z軸向上，Y軸向北，X軸向東，主應力方位由北起順時針計算，傾角上傾為正，下傾為負。

為使隧道能夠正常施工，防止巖爆的發(fā)生，建議采取如下措施：

(1)加強監(jiān)測預報、嚴格施工管理措施。

①在高風險地段加強巖爆地質分析超前預報預測工作；

②加強施工組織與管理，提高安全防范意識;及時清除危石，加強人員設備的防護措施；

③針對巖爆災害，制定突發(fā)性事件應急預案。

(2)改善圍巖物理力學特性及其應力條件。

①巖爆地段進行鉆爆法施工時，應短進尺掘進，減小藥量和爆破頻率，并控制光爆效果，以減少圍巖表層應力集中現(xiàn)象。

②在掌子面采用超前注水應力解除，即在下一循環(huán)開挖前，先沿掌子面布置一定數(shù)量鉆孔，并向孔內注高壓水，使圍巖深部裂隙進一步擴展，減少巖石內部應力，且鉆孔長度應超前循環(huán)進尺5～6m。同時為保證效果，可在孔底小爆破后，注入高壓水，使其能沿鉆孔裂隙進入巖體降低其強度，使之軟化增加巖石變形能力，易于能量緩慢釋放。在孔底小爆破可將應力轉移到巖體深處，防止開挖面引力集中。

③開卸壓槽，如果巷道兩邊墻上應力較高而集中，可在兩邊墻上開鑿一個槽。由于該槽的存在，圍巖變形可向槽中擴展。增大圍巖變形能力。使巷遭周圍應力有剃于穩(wěn)定緩慢變化。應力峰值轉移至巖體深處。而且也可緩解頂扳上的應力集中。

(3)錨噴柔性支護

預防巖爆發(fā)生的初期支護采用掛網(wǎng)錨噴支護。錨桿能迅速提高表層圍巖的徑向應力，提高圍巖的自穩(wěn)能力；掛網(wǎng)的主要作用是與錨桿、混凝土、格柵鋼架形成一個整體，增加整體的支撐力；噴射混凝土的主要作用是及時封閉圍巖，防止圍巖風化，同時提供一定的支護力，使圍巖在約束狀態(tài)下緩慢變形從而釋放巖體中的部分能量，降低巖爆發(fā)生的可能性。

參考文獻

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[作者簡介]李黎龍(1983～)，男，本科，工程師，從事隧道施工管理。

【中圖分類號】U455.49

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-03-01