微上臺階開挖法在甘姆奇克隧道巖爆段的應用

焦 雷，鄒 翀，李紅軍，劉洪震，郭志武

(1.中鐵隧道勘測設計研究院，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

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微上臺階開挖法在甘姆奇克隧道巖爆段的應用

焦 雷1，鄒 翀1，李紅軍2，劉洪震1，郭志武2

(1.中鐵隧道勘測設計研究院，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009)

為了研究一種既能保證隧道巖爆段施工進度，又能降低圍巖能量釋放劇烈程度的應力釋放方法，結合烏茲別克斯坦安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆大部分出現(xiàn)在拱頂—拱腰段的特征，制定了微上臺階開挖法的應力釋放方案。通過數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場應用效果分析，該方案能夠實現(xiàn)拱頂和拱腰處圍巖應力的釋放和轉移，使圍巖應力集中區(qū)提前得以消散，有效地降低了圍巖發(fā)生巖爆的程度。同時，通過該方案的初步現(xiàn)場施工實踐，證明：相對于其他應力釋放措施(如應力釋放孔、超前導洞等)，微上臺階法在形成首次微臺階后基本不改變原有施工方案和工序，無額外工期，能夠實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，可為類似工程巖爆防治提供理論依據(jù)和有益借鑒。

微上臺階開挖法；甘姆奇克隧道；巖爆

0 引言

巖爆的發(fā)生是多種因素共同作用的結果，由于其高度復雜性，至今仍是巖石力學界的世界級難題之一。從國內外研究現(xiàn)狀來看，無論是巖爆的判據(jù)和分級標準，還是巖爆的預測方法和防治措施，目前都沒有公認的、成熟的理論和方法。在分析、總結前人研究成果的基礎上，針對工程的具體特點提出相應的巖爆判據(jù)和分級標準、巖爆預測、預報方法和綜合防治措施仍然是目前控制巖爆的主要途徑[1-2]。

隧道和地下洞室施工中巖爆的防治，目前國內外采取的措施主要有：1)在掌子面和洞壁經(jīng)常噴灑冷水，降低表層圍巖強度；2)控制光面爆破效果，減小圍巖表層應力集中；3)采取超前鉆孔、松動爆破或振動爆破等方法解除應力，使巖體應力降低,在開挖前釋放部分能量；4)根據(jù)巖爆的程度施作適宜的支護。

胡威東等[3]在總結錦屏輔助洞巖爆規(guī)律的基礎上，分析了影響巖爆特征的主要因素，并針對巖爆烈度分級探討了巖爆綜合防治措施；李忠等[4]根據(jù)重慶陸家?guī)X隧道施工中發(fā)生的巖爆，從地質工程角度提出了掌子面噴水、布設釋放地應力錨桿、減少隧道壁聚能結構等巖爆防治措施；呂慶等[5]從隧道圍巖的巖體特征和初始應力場2方面著手，對蒼嶺隧道巖爆的發(fā)生進行了探討；汪波等[6]從應力釋放方法探討了隧道巖爆預測的數(shù)值分析及初期支護時機；邱道宏等[7]運用可拓理論對深埋隧道的巖爆防治措施進行了研究；汪洋等[8]針對錦屏二級引水隧洞巖爆的特點，提出采用快速應力釋放的方法防治巖爆，并采用數(shù)值模擬的方法優(yōu)選了傾斜輻射爆破孔方案；吳德興等[9]結合室內巖石試驗和不同巖爆判據(jù)，得出了勘察設計階段本區(qū)將產(chǎn)生低—中等巖爆的結論，并在設計中提出了相應的對策；張文東等[10]將微震監(jiān)測技術應用于引水隧洞工程施工中，實現(xiàn)對微震活動的全天候連續(xù)監(jiān)測分析，并對微震的時空演化與巖爆之間的關系進行初步探討；楊健等[11]采用單向和三向應力狀態(tài)下的巖石聲發(fā)射測試技術，對不同巖性巖石的巖爆機制進行了系統(tǒng)的試驗研究；吳文平等[12]提出了針對有巖爆傾向性洞段的調控策略，如優(yōu)化循環(huán)進尺、斷面尺寸與形狀、應力爆破孔深和吸能錨桿長度等，有效地降低了深埋硬巖隧洞開挖過程中圍巖能量釋放的劇烈程度，減小了巖爆風險。

盡管這些研究在巖爆的形成、發(fā)生機制及防治措施上取得了進展，但都沒有從根本上解決隧道巖爆問題，特別是在本文依托的安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆基本都出現(xiàn)在拱頂—拱腰段，采用超前導洞、超前應力釋放孔等常規(guī)的巖爆防治措施對施工進度影響較大。鑒于此，制定了微上臺階開挖法的應力釋放方案，該方法在形成首次微臺階后基本不改變原有施工方案和工序，無額外工期，能夠實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。通過數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場應用效果分析，驗證了微上臺階開挖法在甘姆奇克隧道巖爆治理中的可行性。

1 工程概況

有“中亞第一長隧”之稱的甘姆奇克隧道是安琶鐵路全線的控制性工程，由主隧道和安全隧道組成，主隧道長19 200 m，安全隧道長19 268 m，兩隧中心距離29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超過700 m的地段總長達7 km。隧道大埋深地段圍巖為石英斑巖、花崗斑巖、花崗正長巖等脆性巖層。隧址區(qū)地質構造主要在海西造山運動時形成，其后，受阿爾卑斯山造山運動以及地質構造運動的影響，隧址區(qū)發(fā)育了與隧道軸線基本平行或呈小角度相交的西北走向大斷裂帶。Ⅲ級圍巖隧道斷面形式如圖1所示。開挖面積46.4 m2，微臺階法試驗段隧道埋深400 m左右。

圖1 隧道MⅢa型復合式襯砌斷面(單位：cm)

由于安琶鐵路甘姆奇克隧道地區(qū)無實測地應力資料，所以只能根據(jù)區(qū)域地質資料進行分析。隧道所在區(qū)域的斷裂帶都是與隧道軸線基本平行或呈小角度相交的西北走向斷裂帶，隧址區(qū)的斷層都是傾角大于70°的陡傾逆斷層。按照構造地質學中斷層的形成機制，隧址區(qū)構造應力的方向為：1)水平方向為最大主應力σ1和中間主應力σ2的方向，豎直方向為最小主應力σ3的方向；2)最大主應力σ1的方向與隧道軸線接近垂直，中間主應力σ2的方向與隧道軸線接近平行。

2 安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆特征

從2014年2月隧道進口出現(xiàn)巖爆開始，隧道各工作面相繼發(fā)生了不同程度的巖爆。巖爆幾乎成為該隧道施工中的常態(tài)，對施工安全和進度造成了嚴重影響。

通過對甘姆奇克隧道施工過程中發(fā)生的巖爆進行統(tǒng)計分析，總結出巖爆具有以下特征。

1)不同部位巖爆出現(xiàn)次數(shù)的統(tǒng)計表明，95%以上的巖爆出現(xiàn)在拱頂—拱腰段，只有少量巖爆出現(xiàn)在隧道邊墻，也就說明地應力最大主應力的方向為近水平方向。

2)甘姆奇克隧道巖爆段巖性為花崗閃長巖和正長斑巖，巖塊單軸抗壓強度Rc≥120 MPa，強度最高的接近200 MPa，屬典型的硬巖。

3)巖爆段巖體結構有2種類型：①巖體完整，結構面不發(fā)育，巖爆以片狀巖塊剝落、彈射為主；②巖體發(fā)育2組結構面，結構面密閉，其中一組與隧道縱向或橫向接近平行，另一組接近水平，以板狀巖體彎拆爆出或塊狀巖石崩出為主。

4)甘姆奇克隧道的巖爆按其形成機制可分為完整巖體的薄片狀彈射(輕—中巖爆)、近水平向層狀巖體折斷崩落(中巖爆)、巖塊崩出+周邊圍巖塌落(中—強巖爆)以及邊墻板狀巖體折斷崩出(強巖爆)4種模式。

3 安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆段應力釋放試驗研究

由于巖爆是巖石中儲存的一種高地應力的釋放過程，所以巖爆的治理應以加速這種高地應力的釋放或使應力提前釋放為前提。本文結合安琶鐵路甘姆奇克隧道巖爆特征和現(xiàn)場施工情況，提出微上臺階開挖試驗方法，通過數(shù)值計算和現(xiàn)場測試驗證，評價該方案的應用效果和優(yōu)缺點，為現(xiàn)場巖爆段的治理提供技術支持。

3.1 微上臺階開挖法施工方案

在甘姆奇克隧道3#斜井正洞進口方向MK52+476處，隧道開挖后在出渣及支護過程中，巖石崩落現(xiàn)象明顯。為此制定了微上臺階開挖法對隧道圍巖進行超前應力釋放，該方案在施作超前導管加拱架支護后、巖爆仍較強烈的情況下采用。

具體施工方法如下：隧道采用臺階一次開挖法進行施工，為便于施工，上臺階高度同臺架的第3層高度，上臺階長度應能保證挖掘機順利扒渣，施工中采用1 m左右的上臺階(保證能形成臺階，方便上臺階施工)，采用毫秒微差技術，上臺階先于下臺階150 ms爆破開挖進尺2.5 m。臺階布設如圖2所示。

圖2 微上臺階布設示意圖(單位：m)

采用微上臺階法可有效降低拱部巖爆的強度，降低巖爆的發(fā)生，分析因素如下。

1)根據(jù)彈性理論的計算，隧道外圍巖中應力集中最嚴重的區(qū)域為1.5倍的開挖洞徑以內，若隧道開挖斷面減小，則隧道外圍巖中的應力集中區(qū)域也會減小，圍巖中釋放彈性能的區(qū)域也會相應減小，有利于抑制巖爆或降低其程度[13]。

2)多數(shù)經(jīng)驗研究結果表明，巖爆的發(fā)生與切向應力σθ和巖石抗壓強度Rc的比值有關，有：

σθ/Rc<0.20(無巖爆)；

0.20≤σθ/Rc<0.30(弱巖爆)；

0.30≤σθ/Rc<0.55(中巖爆)；

σθ/Rc≥0.55(強巖爆)。

式中：σθ為洞室的最大切向應力；Rc為巖石單軸抗壓強度。

根據(jù)經(jīng)驗，在巖石強度不變的情況下，切向應力降低可減弱巖爆的強度[14]。

3)下臺階開挖過程中隧道圍巖應力分布如圖3所示。從圖3(a)到圖3(d)，隨著下臺階的開挖，下臺階提供的反作用力逐漸減弱，拱頂受力分析體所受切向應力σθ增大。根據(jù)巖爆發(fā)生機制，采用如圖2所示的臺階法形式，勢必會減小拱部發(fā)生巖爆的強度。同樣道理，減小進尺也會在相對較短的時間內降低拱頂受力分析體所受的切向應力σθ，從而降低拱部發(fā)生巖爆的強度[15]。

(a) 下臺階開挖前 (b) 下臺階開挖1/3

(c) 下臺階開挖2/3 (d) 下臺階開挖完成

圖3 下臺階開挖過程中隧道圍巖應力分布

Fig.3 Stress distribution of surrounding rocks during lower bench excavation

3.2 微上臺階開挖法數(shù)值模擬計算

3.2.1 模型建立

選取甘姆奇克隧道3#斜井正洞進口方向MK52+476附近的典型斷面進行分析。由于本次分析主要研究微上臺階開挖對圍巖應力的釋放效果，所以模型采用50 m×50 m×10 m，計算區(qū)域劃分為29 836個單元，6 418個節(jié)點，保證計算結果具有足夠的精度。其約束條件如下：兩側邊界水平方向約束，鉛直方向自由；底部邊界鉛直方向約束，水平方向自由；頂部為自由表面，上表面根據(jù)埋深增加圍巖自重荷載。具體模型如圖4所示。

圖4 整體有限元模型

地應力的施加如下：第1主應力與水平面平行，與隧道軸線接近垂直，σ1=60 MPa；第2主應力與隧道軸線接近平行，σ2=34 MPa；第3主應力沿豎直方向，σ3=26 MPa。

材料參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖及材料基本力學參數(shù)

3.2.2 結果分析

圖5為微上臺階開挖后圍巖最大主應力云圖。從圖5可以看出，上臺階開挖后，在隧道左右兩側拱肩處形成了有效的應力松弛區(qū)，應力松弛區(qū)的影響范圍達到了隧道輪廓線外5 m左右的深部；此外，隧道拱肩兩側的應力松弛區(qū)在環(huán)向貫通，隧道開挖完成區(qū)域最大主應力值顯著減小。同時，從圖5還可以看出，在微上臺階左、右側拱肩處最大主應力由12 MPa左右分別減小至3.1 MPa和4.4 MPa，說明在高圍巖應力區(qū)域，可以在隧道開挖輪廓內上部先行開挖一個斷面較小的上臺階，實現(xiàn)圍巖應力釋放和轉移，進而證明微上臺階開挖法在治理巖爆上的理論可行性。

(a) 開挖前

(b)開挖后

圖5 微上臺階開挖后最大主應力等值線分布圖(正視圖)(單位：kN/m2)

Fig.5 Maximum principal stress contour maps before and after top heading excavation (front view)(kN/m2)

3.3 微上臺階開挖法現(xiàn)場應用效果

在隧道拱部布設孔徑為5 cm、孔深為2.5 m、外插角為20°的應力監(jiān)測孔，用于檢驗微上臺階開挖法的應力釋放效果。采用孔徑應變計監(jiān)測孔內應力變化，孔徑應變計放置在孔深2 m處。放炮前安置好應力監(jiān)測計，然后開始采集數(shù)據(jù)，采集頻率為1次/s，連續(xù)采集，至放炮結束后趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場監(jiān)測圖如圖6所示。

在埋設時，孔徑應變計的2個頂針位于水平方向，從而能夠準確測量水平方向的地應力變化，如圖7所示。記錄起爆時間為采集啟動后59 s，900 s后，挖掘機找頂，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，結束采集。

圖8中頂針1和頂針3變化量之和代表豎直方向應力變化所產(chǎn)生的孔徑變化量。從圖8可以看出，豎直方向鉆孔直徑變化較小，說明應力釋放措施對該方向的地應力影響較小，豎直方向地應力基本無減小。

圖6 孔徑應變計現(xiàn)場監(jiān)測圖

圖7 孔徑應變計孔內布設示意圖(假定向右、向上變形為正)

圖8 頂針1和頂針3應變歷時曲線圖

Fig.8 Time-dependent strain curves monitored at monitoring thimbles No.1 and No.3

圖9中頂針2和頂針4變化量之和代表水平方向應力變化所產(chǎn)生的孔徑變化量。從圖9可以看出，水平方向頂針2應變量約為8，水平方向頂針4應變量約為6，則水平方向鉆孔直徑應變?yōu)?4。根據(jù)室內試驗標定系數(shù)k及地質資料，可計算出地應力減小量。取花崗巖彈性模量為10×104MPa，孔徑為0.05 m，k=1.672×10-6，則p=k×14×10.0×104/(4×0.05)=11.7 MPa。

以上監(jiān)測數(shù)據(jù)說明采用微上臺階開挖法可以明顯降低拱頂和拱肩處的水平方向地應力以及隧道拱部圍巖切向應力，對于減弱巖爆的強度有明顯的效果。

圖9 頂針2和頂針4應變歷時曲線圖

Fig.9 Time-dependent strain curves monitored at monitoring thimbles No.2 and No.4

現(xiàn)場施工證明：在實施微上臺階開挖法前，掌子面巖爆較為嚴重，前一循環(huán)在鉆孔過程中，掌子面出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，崩落渣堆約有150 m3，需采用拱架及小導管支護；實施微上臺階開挖法后，掌子面巖爆現(xiàn)象明顯減弱，只需增設超前小導管進行支護。采用微上臺階和短進尺，未改變原有開挖方案，可繼續(xù)按全斷面施工，無額外工期，僅需增加臺架與上臺階的連接，就可連續(xù)作業(yè)，加快了施工速度。

通過現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，微上臺階法在中巖爆及以下區(qū)段具有較好的治理效果，但是對于甘姆奇克隧道的強巖爆及以上區(qū)段采取了以下綜合防治措施：1)掌子面前方施作超前正面漲殼式中空預應力錨桿，錨桿長度一般為2倍的爆破進尺深度；2)采用超前導洞法和水平地應力隔斷法進行超前應力釋放；3)采用臺階法施工，開挖循環(huán)進尺0.5 m；4)加強光面爆破技術管理，達到開挖周邊輪廓線圓順光滑；5)每循環(huán)開挖前，拱部180°范圍內打設φ32超前小導管，并進行注漿固結；6)開挖面采用φ32鋼管灌注水泥漿，3 m/根，間距2 m×2 m，梅花形布置，1.5 m/循環(huán)，漿液比例1∶0.5；7)采用I18a工字鋼拱架，間距0.5 m；8)襯砌采用鋼筋混凝土，厚度35 cm。

4 結論與討論

1)針對甘姆奇克隧道巖爆主要受高水平地應力控制，且基本都發(fā)生在拱頂—拱腰段的特征，制定微上臺階開挖法的應力釋放方案，有效地改變了圍巖的應力狀態(tài)，達到了預防巖爆的目的。

2)采用數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場應用測試的方法，分析了微上臺階開挖對拱頂和拱肩處圍巖應力釋放的效果，說明該方案能夠實現(xiàn)圍巖應力的釋放和轉移，同時使圍巖應力集中區(qū)提前得以消散，有效地降低了圍巖發(fā)生巖爆的可能。

3)通過微上臺階開挖法的初步現(xiàn)場施工實踐證明，相對于其他應力釋放措施(如應力釋放孔、超前導洞等)，微上臺階法在形成首次微臺階后基本不改變原有施工方案和工序，無額外工期，能夠實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

4)本文所述的微上臺階開挖法適用于中巖爆及以下區(qū)段，但對于強巖爆及以上區(qū)段，僅采取微上臺階開挖這一措施并不能有效降低強巖爆帶來的風險，施工中應根據(jù)現(xiàn)場應用效果確定巖爆治理的綜合措施(如初期支護加強、爆破設計優(yōu)化、開挖進尺調整、局部水脹式錨桿施作等)。

下一步應在微上臺階開挖法的適用條件規(guī)范化上做深入研究，以進一步提升高地應力巖爆隧道的技術水平。

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Application of Small Cross-section Top Heading Excavation Method to Rockburst Section of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan

JIAO Lei1,ZOU Chong1,LI Hongjun2,LIU Hongzhen1,GUO Zhiwu2

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The small cross-section top heading excavation method is adopted in rockburst section of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan,so as to guarantee the construction schedule of rockburst section and reduce the stress releasing strength of surrounding rocks.The above-mentioned method can realize the stress releasing and transferring of surrounding rocks at crown top and arch waist,dissipate the stress concentration zone of surrounding rocks,and further reduce the rockburst risk of surrounding rocks.The construction practice shows that the small cross-section top heading excavation method is superior to other methods,such as stress releasing holes and advance heading,in terms of construction efficiency.The results can provide reference for rockburst prevention of similar projects in the future.

small cross-section top heading excavation method; Qamchiq Tunnel; rockburst

2016-05-25;

2016-07-08

中鐵隧道集團科技創(chuàng)新計劃重大課題(隧研合2014-23)

焦雷(1985—)，男，河南洛陽人，2010年畢業(yè)于石家莊鐵道大學，巖土工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事隧道與地下工程科研和設計工作。E-mail：jiaolei159@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.016

U 455

B

1672-741X(2016)10-1263-06