深部巖體隧洞巖爆災(zāi)害影響因素分析

于洋+刁心宏+趙秀紹+朱陳

摘要：深部巖體隧洞施工過程中頻發(fā)的巖爆災(zāi)害時常會造成大量的人員傷亡以及巨大的財產(chǎn)損失?；谀乘娬?條引水隧洞開挖過程中的大量的巖爆實例，以數(shù)值運算為主要研究手段，從能量的角度出發(fā)對影響巖爆災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵性因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：相同長度的隧洞開挖過程中隨著單循環(huán)開挖步長的增大，微震能量釋放值不斷增大，巖爆的發(fā)生頻次具有增加的趨勢；當(dāng)開挖速度控制在合理范圍內(nèi)時，圍巖穩(wěn)定性可以得到有效控制，當(dāng)其突破到臨界狀態(tài)以上時，巖爆的發(fā)生頻次具有顯著增加的特征；在一定埋深范圍內(nèi)隨著埋深的增加，巖爆發(fā)生的頻率、強度具有明顯增加的趨勢；上述研究結(jié)果可以為高地應(yīng)力條件下地下隧洞開挖過程中巖爆的預(yù)測與防治提供合理的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水電站；引水隧道；巖爆；數(shù)值模擬；微震能量

中圖分類號：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0183-07

Abstract：Rockbursts in tunnels can be a significant hazard.Based on a large amount of micro-seismic information and hundreds of rockbursts that occurred in four deep headrace tunnels at a hydropower station in Sichuan province，China，we combined numerical calculation with micro-seismic monitoring in order to study the evolution processes of rockbursts.The achieved results are as follows：the excavation scheme，speed，and buried depth can affect the stability of the surrounding rocks in deep，hard-rock tunnels during construction.As the excavation step length，speed，and buried depth increase，the micro-seismic energy rises，and so do the frequency and intensity of rockbursts.The results can provide reasonable and scientific basis for prediction and prevention of rockbursts during underground tunnel excavation under high geostress.

Key words：hydropower station；headrace tunnel；rockburst；numerical calculation；micro-seismic energy

在高地應(yīng)力條件下，開挖卸荷作用可引起硬脆性巖體內(nèi)部集聚的彈性應(yīng)變能突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來，從而造成巖爆現(xiàn)象的發(fā)生，時常會造成大量的人員傷亡以及巨大的財產(chǎn)損失。

數(shù)值計算分析是巖爆災(zāi)害特征研究的重要手段：齊慶新[1]采用數(shù)值計算手段對沖擊地壓與巖爆現(xiàn)象進(jìn)行對比分析，指出它們的異同，在此基礎(chǔ)上建議對“沖擊地壓”、“巖爆”和“礦震”這3個術(shù)語區(qū)別使用；周瑞忠[2]根據(jù)巖爆過程中的靜力平衡、強度破壞和斷裂破壞三者的區(qū)別與聯(lián)系，通過對發(fā)生巖爆的掘進(jìn)面上兩種計算模型的斷裂力學(xué)研究，確定出判別巖爆發(fā)生的力學(xué)機理和臨界條件，從而對巖爆發(fā)生的總體規(guī)律作了定量解釋；郭長寶[3]根據(jù)大瑞鐵路高黎貢山深埋隧道，采用ANSYS軟件模擬了在現(xiàn)今構(gòu)造地應(yīng)力場中，在褶皺和走滑斷層等不同構(gòu)造部位的巖體中進(jìn)行隧道開挖所引起的應(yīng)力重分布特征，對在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造地區(qū)擠壓和剪切構(gòu)造環(huán)境下深埋隧道的巖爆特征進(jìn)行了深入分析和研究，并就可能發(fā)生巖爆的部位和巖爆強度進(jìn)行了預(yù)測。

Durrheim等[4]率先在南非通過微震實時監(jiān)測過程中獲得的微震信息，對深部礦山開采過程中巖爆的發(fā)生展開了研究；我國的多個金屬礦山、煤礦開采過程中，同樣對微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了運用了，對開采活動誘發(fā)的巖體破壞、巖爆、沖擊地壓等災(zāi)害的孕育及發(fā)生進(jìn)行了分析與研究。研究結(jié)果均表明，巖爆發(fā)生前，微震活動性及能量釋放在時間、空間上均有一個迅速增加的過程[5-12]。

目前，運用數(shù)值計算與微震監(jiān)測相結(jié)合的手段對于深埋線性隧洞開挖巖爆災(zāi)害影響因素方面的研究卻鮮有報道。本文以某水電站埋深隧洞的開挖過程為工程背景，基于數(shù)值計算結(jié)合現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場巖爆發(fā)生情況對開挖方案、開挖速度及埋深條件等影響隧洞開挖過程中圍巖穩(wěn)定性的重要因素進(jìn)行了研究與分析，其結(jié)果可以為深部巖體地下隧洞工程施工過程中巖爆風(fēng)險的控制提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 工程概述

某水電站深埋隧洞主要由圖1所示的5條相互平行的隧洞組成，分別為：1號-4號引水隧洞直徑為 13 m，上斷面為圓形，下斷面為馬蹄形；施工排水洞P號直徑為8 m，斷面為圓形。隧洞平均長度約為17.3 km，埋深超過1 500 m的洞段占總長度的80%左右，其中最大埋深為2 525 m，隧洞圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ類大理巖，巖石堅硬完整致密，單軸抗壓強度55～114 MPa，彈性模量為25～40 GPa，變形模量為8～16 GPa，圍巖具有較強的自承載能力，成洞條件良好[13]。

本論文主要針對該水電站1號-4號引水隧洞施工過程開展研究，隧洞開挖方式為鉆爆法，分上下兩臺階進(jìn)行開挖（每天爆破1～2 次，每次爆破進(jìn)尺2.5～3 m）。上述隧洞施工期間發(fā)生大量不同等級的巖爆（典型巖爆案例見圖2（a），圖2（b），圖2（c）），對施工的安全及工程進(jìn)度造成了很大的影響。巖爆主要以輕微巖爆為主，巖爆發(fā)生區(qū)占隧洞總長的11.43%；中等巖爆次之，巖爆發(fā)生區(qū)占隧洞總長的4.42%；強烈?guī)r爆相對較少，巖爆發(fā)生區(qū)分別占隧洞總長的1.46%；極強巖爆相對較少，巖爆發(fā)生區(qū)分別占隧洞總長的0.16%；縱觀整個引水隧洞的開挖過程，其發(fā)生各等級巖爆的累計長度達(dá)8 km以上，其中，發(fā)生輕微-中等巖爆的區(qū)域累計長度達(dá)到6 km、強烈為2 km、極強為0.4 km。

2 深埋隧洞開挖過程中巖爆的影響因素

2.1 開挖方案及速度的影響

根據(jù)該水電站2號引水隧洞K10+230至K10+260開挖段建立數(shù)值計算模型，該開挖段垂直埋置深度為2 525 m，地處高地應(yīng)力區(qū)。本次數(shù)值計算本構(gòu)模型采用一種彈脆塑性本構(gòu)模型——黏聚力弱化摩擦強化模型（CWFS），它在針對高地應(yīng)力下硬巖脆性破壞區(qū)方面的模擬研究方面具有較好的效果[14-15]。基于1 m、3 m、6 m、10 m、15 m、30 m為開挖方案，根據(jù)該水電站大理巖力學(xué)參數(shù)（表1）以及2號引水隧洞K10+230至K10+260開挖段的初始地應(yīng)力分布特征（表2），對上述所選取洞段上臺階的開挖過程運用FLAC3d數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)值計算分析。不同開挖方案下圍巖的塑性區(qū)范圍見圖3、表3。

結(jié)合圖3及表3可以看出，隨著開挖步長的增加，累計塑性區(qū)體積隨開挖步長的增加變化不大，主要分布在2.46×103～2.18×103 m3的范圍內(nèi)。圖4為不同開挖方案下的能量釋放情況，從圖4（a），圖4（b）中可以看出對于相同長度的隧道來說，累計釋放能以及塑性范圍的平均釋放能均隨著開挖步長的增大呈增加的趨勢，分別由方案1的1.23×107 J（5.08×103 J/m3）不斷增加為方案6的7.98×107 J（36.61×103 J/m3），能量釋放是評價圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)[16-17]，能量釋放越大巖爆發(fā)生的可能性就越大[18-20]。綜上所述，隨著單次開挖步長的增加，圍巖穩(wěn)定性總體上呈逐漸降低的趨勢。

運用南非ISS微震監(jiān)測系統(tǒng)，對水電站1號-4號引水隧洞的整個開挖過程進(jìn)行了連續(xù)性實時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及監(jiān)測過程詳見文獻(xiàn)[7]所述。圖5為上述4條隧洞施工過程中的三個典型開挖段（開挖速度分別為4 m/d、10 m/d、16 m/d）施工過程中圍巖巖體的微震活動性（圖5中每一的圓球代表一個微破裂事件，其顏色表示破裂發(fā)生時所釋放能量的log值）。結(jié)合圖5（a），圖5（b），圖5（c）可以看出，隨著開挖速度的加快微震活動性及微震輻射能均具有明顯增加的趨勢。

基于上述特點，本研究對該水電站深埋隧洞工程施工過程中，不同開挖速度條件下的微震活動性及巖爆發(fā)生頻次進(jìn)行了全面的統(tǒng)計分析，其結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出，高地應(yīng)力情況下的深埋隧洞開挖過程中微震活動性隨著開挖速度的加快具有呈指數(shù)函數(shù)增加的趨勢；與之相對應(yīng)，其巖爆發(fā)生頻次在開挖速度在10 m/d以內(nèi)時（統(tǒng)計值分別為4 m/d、6 m/d、8 m/d、10 m/d）時變化不大，而當(dāng)開挖速度大于10 m/d時（統(tǒng)計值分別為12 m/d、14 m/d、16 m/d）巖爆發(fā)生頻次迅速增加。綜上所述，針對深埋隧道巖體工程，應(yīng)該在采用“短進(jìn)尺，多循環(huán)”開挖方式的基礎(chǔ)上，合理的控制其開挖速度，巖爆發(fā)生頻率、強度均會有一定程度的降低。對于該水站深埋隧洞工程來說，每日最佳進(jìn)尺為10 m。

2.2 埋深的影響

受到圍巖應(yīng)力的影響，隧洞在不同埋深條件下的開挖過程中，破壞發(fā)生的程度以及能量釋放均有所不同，基于該水電站1號至4號引水隧洞500～2 525 m埋深條件下的初始地應(yīng)力情況（考慮構(gòu)造應(yīng)力，見表4）。以5 m為開挖步長對長度為30 m的隧洞開挖過程進(jìn)行計算分析，對比分析不同開挖深度情況下圍巖累計塑性區(qū)體積的計算結(jié)果見表5。

從表5可以看出：當(dāng)隧道埋深在小于等于1 500 m的范圍內(nèi)，累計塑性區(qū)體積具有隨埋深的增大而顯著增加的趨勢（從500埋深條件下的8.03×102 m3增加到1 500埋深條件下的24.49×102 m3），分析其原因在于隨著隧洞埋深的增大，隧洞開挖過程中的圍巖應(yīng)力不斷增加，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象就越明顯，促使隧洞開挖過程中的圍巖巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)的能力也就越強；當(dāng)隧道埋深在大于1 500 m時，累計塑性區(qū)體積變化不明顯（主要在2.49×103～2.594×103 m3范圍內(nèi)上下浮動），分析其原因在于當(dāng)隧洞埋深達(dá)到一定條件時，由于圍巖壓力拱的形成，即使其埋深進(jìn)一步增加，圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有進(jìn)一步發(fā)展，因此圍巖巖體塑性范圍體積變化差異性也相對不明顯。

與之相對應(yīng)，能量釋放值同樣隨著隧洞埋深的增加表現(xiàn)出相似的特征（圖7）。隧洞開挖過程中的累計釋放能及塑性范圍的平均釋放能分別由500 m埋深情況下的3.75×106 J（4.67×103 J/m3）增加到1 500 m埋深情況下的24.49×106 J（12.79×103 J/m3）；當(dāng)隧道埋深大于1 500 m時，累計釋放能及塑性范圍的平均釋放變化相對穩(wěn)定，增加趨勢不明顯。

綜上所述，并結(jié)合前文中所述應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，隧洞埋深與巖爆的發(fā)生情況應(yīng)具有下列關(guān)系：當(dāng)隧洞在1 500 m埋深范圍內(nèi)時，隨著隧洞埋深的增加巖爆發(fā)生情況應(yīng)具有明顯增加的趨勢；當(dāng)隧洞埋深增加到一定限值以上時，其埋深對巖爆的影響相對減弱。本次研究記錄了該水電站1號-4號引水隧洞各等級巖爆共300余次，對不同埋深條件下的微震儀器所監(jiān)測到的微破裂活動性（圖8）以及現(xiàn)場巖爆的發(fā)生情況（圖9）進(jìn)行綜合分析，其結(jié)果對上述觀點進(jìn)行了證實：（1）500～2 000 m埋深范圍內(nèi)的微震活動性（每米范圍內(nèi)的2.7個上升到11.2個）及巖爆發(fā)生的頻率、強度均隨著埋深的增加表現(xiàn)出明顯增強的趨勢。（2）埋深為2 000～2 525 m時，微震活動性（保持在每米范圍內(nèi)11.5個左右）及巖爆發(fā)生的頻率、強度隨著埋深的增加增加趨勢不明顯，表現(xiàn)出相對平穩(wěn)的變化特征。數(shù)值計算所界定埋深影響閾值為1 500 m，與微震監(jiān)測及現(xiàn)場巖爆觀測結(jié)果的2 000 m有所差異，分析其原因是由于數(shù)值計算無法模擬施工環(huán)境的復(fù)雜性以及其他因素（施工方案、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、地下水等）的影響所導(dǎo)致的。

開挖方案選擇、開挖速度的確定及埋深條件是影響深部巖體隧道圍巖穩(wěn)定性的重要因素，在深埋隧洞開挖過程中，隨著開挖步長的增加、開挖速度的加快及隧洞埋深的增加巖爆災(zāi)害的發(fā)生頻率具有不斷增加的趨勢。在具體施工過程中，要根據(jù)不同埋深情況下隧洞開挖段的應(yīng)力情況選擇與其相適的開挖方案、速度才能在保證施工過程安全開展的前提下，使得隧道工程可以快速、高效的順利展開。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值計算及微震監(jiān)測的方法，對某水電站深埋線性隧洞開挖過程中巖爆的發(fā)生進(jìn)行了分析與研究，獲得下列研究成果。

（1）開挖方案、開挖速度、埋深情況是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素；相同長度的隧洞開挖過程中隨著單循環(huán)開挖步長的增加，能量釋放值不斷增大，巖爆的發(fā)生頻次具有增加的趨勢。

（2）當(dāng)開挖速度控制在10 m/d的范圍內(nèi)時，圍巖穩(wěn)定性可以得到有效控制；隨著開挖速度的增加，當(dāng)其突破到此臨界狀態(tài)以上時，巖爆的發(fā)生頻次具有顯著增加的特征。

（3）當(dāng)隧洞在小于1 500 m的埋深范圍內(nèi)時，隨著埋深的增加，單位長度隧洞開挖的累計塑性區(qū)體積、能量釋放值以及微震活動性均不斷增大，同時巖爆發(fā)生的頻率、強度同樣具有明顯增加的趨勢；當(dāng)隧洞埋深增加到2 000 m以上時，其埋深對巖爆的影響相對減弱。

致謝

本文中所涉及的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于中科院武漢巖土所錦屏二級水電站微震監(jiān)測項目部。在此衷心感謝中科院武漢巖土所馮夏庭研究員、陳炳瑞研究員、李邵軍研究員、肖亞勛博士和豐光亮博士在研究過程中的辛苦努力和有意義的建議！

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