川藏鐵路巴玉隧道開挖二次應(yīng)力分布特征與巖爆風(fēng)險分析

吳春成

(中國鐵路青藏集團有限公司,西寧 810007)

引言

川藏鐵路沿線穿越8座高山和7大山河，全線隧道共計198座，總長1 223.5 km，占線路總長的70.2%，其中，35座為高地應(yīng)隧道，最大埋深近2 600 m[1]。目前已開挖完成的拉林段深埋超長隧道(如巴玉隧道[2，3]、桑珠嶺隧道等)均遭受了嚴(yán)重的巖爆災(zāi)害，而待建的林康段高地應(yīng)力巖爆問題將更為突出。巖爆是地下工程施工過程中典型的動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著隧道的施工安全[4]。因此，有必要深入研究以巴玉隧道為典型代表的高應(yīng)力隧道巖爆發(fā)生的應(yīng)力特征與規(guī)律，為即將開工的林康鐵路強巖爆洞段安全建設(shè)提供科學(xué)支撐。

巖爆是在開挖或其他外界擾動下，地下工程巖體中聚積的彈性變形勢能突然釋放，導(dǎo)致圍巖爆裂、彈射的動力現(xiàn)象[5]。地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的控制性因素[6-7]。隧道開挖后，地應(yīng)力發(fā)生重分布，形成沿洞周的切向應(yīng)力，所以也叫開挖二次應(yīng)力。國內(nèi)外學(xué)者如Hoek和Brown[8]、Barton和Grimstad[9]、Russenes[10]、徐林生和王蘭生[11]等都建立了基于隧道開挖后切向應(yīng)力的巖爆評估判據(jù)。巴福隆[12]采用應(yīng)力解除法測試洞壁二次應(yīng)力，基于切向應(yīng)力判據(jù)預(yù)測了九嶺山隧道巖爆情況。宋章等[13]在地應(yīng)力測試的基礎(chǔ)上，揭示了成蘭鐵路某隧道巖爆成因機制，并對其他洞段巖爆等級進行了預(yù)測。切向應(yīng)力在許多模型如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14-15]、功效系數(shù)法[16]等模型中獲得應(yīng)用。王慶武[17]等基于早期的地應(yīng)力測試進行了地應(yīng)力反演，并利用修改后的谷-陶巖爆判據(jù)評估了巴玉隧道的巖爆，表明隧道開挖過程中隧道邊墻和拱腳為潛在巖爆主要發(fā)生部位。但由于地應(yīng)力測試結(jié)果的影響，巖爆主要發(fā)生部位與實際有所偏差。

另外，隧道分合修的比選同樣是施工設(shè)計所需要考慮的問題[18]。學(xué)者常常從防災(zāi)救援、運營維修、空氣動力學(xué)、施工組織及工程投資等方面對分合修方案進行比較。巖爆同樣是隧洞分合修設(shè)計中需要考慮的因素。高應(yīng)力環(huán)境下，采用分修方案可以減小隧道斷面面積，有效降低開挖過程中的巖爆風(fēng)險。但隧道分修不可避免帶來隧道超前與滯后掘進(平行錯開掘進)，進而影響巖爆的發(fā)生情況。巴玉隧道在正洞旁超前施工平導(dǎo)，形成類似于隧道分修的設(shè)計，二者施工過程中的相互影響尚不明確。

本文基于巴玉隧道初始地應(yīng)力場反演成果，結(jié)合典型聲波測試結(jié)果驗證數(shù)值模型，分析該隧道強巖爆洞段的開挖過程不同階段二次應(yīng)力分布特征，評估巖爆潛在發(fā)生的主要斷面部位，并分析隧道平行錯開掘進對正洞及平導(dǎo)巖爆風(fēng)險的影響。

1 巴玉隧道概況及其初始地應(yīng)力特征

1.1 工程概況

巴玉隧道位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)，是新建川藏鐵路拉林段的三大控制性工程之一(圖1)。隧道走向為104°，正洞全長13 073 m，進、出口平導(dǎo)共計8 131 m，沿雅魯藏布江峽谷區(qū)布設(shè)。隧道工程大部分為中粒角閃黑云花崗巖(E2R)，部分區(qū)段夾有極少量的偉晶巖脈，構(gòu)造發(fā)育輕微，里程DK200+006左右有近垂直藏木斷層，斷層破碎帶寬30～50 m，工程區(qū)地面高程3 260～5 500 m，屬于典型的高山峽谷地貌。隧道埋深最大的位置位于DK195-DK196，最大埋深達2 080 m[4]。該隧道正洞和平導(dǎo)平行錯開掘進，隧道正洞與平導(dǎo)中心線間距為30 m，其中平導(dǎo)超前開挖200～300 m[19]。

圖1 巴玉隧道進口位置

1.2 初始地應(yīng)力場特征

巴玉隧道DK194+200和DK201+468地應(yīng)力測點結(jié)果[19-20]表明：初始應(yīng)力場的最大主應(yīng)力近似于水平方向且基本垂直于隧道走向，中間主應(yīng)力近似于垂直方向，最小主應(yīng)力近似水平且平行于隧道走向?；谠摐y試結(jié)果的地應(yīng)力反演分析表明：巴玉隧道主應(yīng)力值與埋深呈正相關(guān)關(guān)系[20]，最大主應(yīng)力最大值可達58 MPa，中間主應(yīng)力最大值為45.6 MPa，最小主應(yīng)力最大值為29.9 MPa。

2 巴玉隧道開挖響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

為研究巴玉隧道開挖二次應(yīng)力分布特征，在大型復(fù)雜山體模型的基礎(chǔ)上，建立了隧道開挖的子模型，其基本思想就是先進行大范圍的地應(yīng)力場反演，獲取所要研究區(qū)域的邊界條件，建立針對此區(qū)域的精細(xì)模型，從而研究此局部區(qū)域開挖二次應(yīng)力分布特征。

考慮到模型網(wǎng)格劃分及計算機計算能力的限制，建立如圖2所示三維數(shù)值模擬模型，正洞為三心拱形，寬為8.16 m，高為9.78 m，平導(dǎo)為半圓拱形，正洞與平導(dǎo)中心線間距30 m。為研究隧道周邊損傷區(qū)分布，對隧道周圍4 m范圍內(nèi)網(wǎng)格細(xì)化處理，網(wǎng)格尺寸0.5 m，模型尺寸為200 m(長)×150 m(寬)×100 m(高)，模型網(wǎng)格為451 900，節(jié)點數(shù)目為464 814，X方向為隧道掘進方向。模型底部添加垂直位移約束，上表面為自由面，通過施加豎向載荷模擬上覆巖層作用力，側(cè)面施加水平位移約束并通過施加側(cè)向應(yīng)力模擬水平方向上的構(gòu)造應(yīng)力擠壓作用。豎向應(yīng)力及邊界側(cè)向應(yīng)力可通過地應(yīng)力反演得到。模型建模時采用彈性本構(gòu)模型，開挖采用莫爾庫倫本構(gòu)模型，巖體力學(xué)參數(shù)見表1所列。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

DK195～DK196為隧道埋深最大位置，為分析掘進該洞段時的應(yīng)力分布及塑性區(qū)分布特征，結(jié)合現(xiàn)場測試以及地應(yīng)力反演，確定上覆巖層作用力為45.6 MPa，Y向水平應(yīng)力為58 MPa，X向水平應(yīng)力為26.8 MPa。

為分析正洞與平導(dǎo)平行錯開掘進的相互影響，設(shè)計模型開挖方案，如圖3(a)所示，受限于計算機運算能力的限制，平導(dǎo)開挖180 m，正洞開挖84 m，平導(dǎo)超前了96 m。在平導(dǎo)掌子面后方4 m，正洞掌子面后方4 m及遠(yuǎn)離掌子面的后方布置3個監(jiān)測斷面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分別研究平導(dǎo)掌子面超前掘進、正洞掌子面滯后掘進及開挖平衡后的應(yīng)力與損傷分布特征。

為分析平導(dǎo)超前開挖對正洞掌子面的卸壓作用，設(shè)計正洞獨頭掘進的開挖方案，如圖3(b)所示。平導(dǎo)無開挖，正洞開挖84 m，在正洞掌子面后方4 m布置監(jiān)測斷面Ⅳ，與監(jiān)測斷面Ⅱ形成對比，分析超前開挖平導(dǎo)對正洞的卸壓作用。

圖3 模型開挖方案(單位：m)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 開挖二次應(yīng)力場分布特征

如圖4所示，分別為監(jiān)測斷面Ⅰ～Ⅳ的開挖二次應(yīng)力場分布特征云圖。圖5為正洞與平導(dǎo)間巖柱最大主應(yīng)力分布情況。

圖4 隧道開挖后最大主應(yīng)力分布特征

圖5 平行掘進隧道巖柱主應(yīng)力分布情況

(1)平導(dǎo)超前掘進后，掌子面后方4 m最大主應(yīng)力為121.26 MPa，見圖4(a)，分布于隧道頂?shù)装迳疃?.5～2.0 m處，從頂板到拱肩到洞壁，相同深度主應(yīng)力逐漸減小。隧道圍巖表面發(fā)生應(yīng)力松弛，邊墻卸載區(qū)域較大，卸載程度高，不易發(fā)生巖爆，但容易發(fā)生開裂。拱肩及拱頂應(yīng)力較高，卸載區(qū)較小，極易發(fā)生巖爆。正洞最大主應(yīng)力分布位置與平導(dǎo)基本一致。所以巴玉隧道即時型巖爆[21]主要發(fā)生于拱頂及拱肩，邊墻巖爆風(fēng)險較低。

(2)正洞滯后掘進，掌子面后方4 m最大主應(yīng)力為125.4 MPa，與其相同位置的平導(dǎo)最大主應(yīng)力升高，達到138.46 MPa，見圖4(b)。與此同時，正洞與平導(dǎo)中間巖柱出現(xiàn)了大范圍的“馬鞍形”應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力值為64.8 MPa，從而引起平導(dǎo)邊墻的破壞，甚至引起平導(dǎo)時滯型巖爆[22]，見圖5。

(3)遠(yuǎn)離掌子面的位置，雖然其最大主應(yīng)力較高(見圖4(c))，但積聚的彈性能已通過破裂釋放完成，無發(fā)生巖爆的能量。正洞與平導(dǎo)中間巖柱雖然還有“馬鞍形”主應(yīng)力，但其最大值下降至56.6 MPa，見圖5，表明遠(yuǎn)離掌子面的位置發(fā)生巖爆的風(fēng)險較小。

(4)對比監(jiān)測斷面II和IV可知，超前開挖平導(dǎo)，正洞掌子面最大主應(yīng)力為125.4 MPa，見圖4(b)。而正洞獨頭掘進時，掌子面最大主應(yīng)力為129.5 MPa，見圖4(d)。由此可知，超前開挖平導(dǎo)，可以降低正洞掌子面的應(yīng)力，達到卸壓的目的，進而降低巖爆。而平導(dǎo)斷面小于正洞，最大主應(yīng)力為121.26 MPa。從這個角度來說，超前開挖平導(dǎo)可以達到降低施工期巖爆的目的。

2.2.2 損傷區(qū)分布特征

圖6為隧道開挖過程中監(jiān)測斷面Ⅰ和監(jiān)測斷面Ⅱ塑性區(qū)分布特征。由圖6可知，平導(dǎo)超前掘進時，塑性區(qū)范圍為1 m。受正洞開挖的影響，平導(dǎo)塑性區(qū)范圍擴展至1.5 m，而正洞塑性區(qū)范圍為1.5～2 m。隧道底板和邊墻的表面多表現(xiàn)為拉伸和剪切破壞，拱肩及拱頂位置主要為剪切破壞，圍巖深部同樣表現(xiàn)為剪切破壞。結(jié)合開挖二次應(yīng)力場結(jié)果可知，拱頂及拱肩由于剪切作用易發(fā)生巖爆，而邊墻則容易發(fā)生拉剪破壞。

圖6 隧道監(jiān)測斷面塑性區(qū)分布特征

在平導(dǎo)典型洞段兩側(cè)底板上方1.5 m位置進行了鉆孔聲波測試，圖7為正洞掘進過后的聲波測試所獲得的波速-深度曲線，由圖7可知，損傷區(qū)寬度約為1.5 m，與圖6所示塑形區(qū)寬度基本相符，驗證了數(shù)值模擬的可靠性，應(yīng)力在1.9～2.1 m位置集中，此應(yīng)力為作用于洞壁的切向應(yīng)力。

圖7 波速-深度曲線

3 巴玉隧道開挖巖爆風(fēng)險分析

以上采用數(shù)值模擬研究了巴玉隧道開挖過程圍巖二次應(yīng)力分布。Hoek和Brown總結(jié)南非石英巖隧洞圍巖脆性破壞案例(巖爆、片幫和剝落)，基于開挖洞周最大切向應(yīng)力評估巖爆風(fēng)險，考慮了隧道開挖對巖爆的影響，同時采用隧道軸線應(yīng)力評估圍巖脆性破壞，結(jié)果較為可靠。因此，采用Hoek判據(jù)評估了巴玉隧道正洞開挖斷面上不同位置巖爆發(fā)生等級和脆性破壞情況。Hoek判據(jù)如表2所列，表2中σmax為圍巖的最大切向應(yīng)力；σv為隧洞垂向作用應(yīng)力；σc為巖石單軸抗壓強度。根據(jù)Hoek判據(jù)確定的巴玉隧道開挖拱頂/拱肩與邊墻巖爆風(fēng)險如圖8所示。其中不同里程段的切向應(yīng)力與本文相同，即將不同里程段的地應(yīng)力反演結(jié)果賦予模型邊界，獲得開挖后的二次應(yīng)力。限于篇幅，不再具體列出。

表2 Hoek判據(jù)判別式及判別閥值

受地應(yīng)力影響，巴玉隧道開挖過程中圍巖最大切向應(yīng)力σmax為Y向水平應(yīng)力，其作用于拱頂及拱肩，引起拱頂及拱肩的片幫及巖爆，隧洞垂向作用應(yīng)力σv為垂直應(yīng)力，作用于邊墻，引起邊墻的片幫及巖爆，由圖8可知，拱肩/拱頂巖爆風(fēng)險遠(yuǎn)大于邊墻，拱肩/拱頂有強烈?guī)r爆，邊墻部分多表現(xiàn)為剝落與片幫破壞。

另外，結(jié)合數(shù)值模擬可知，正洞滯后掘進的擾動作用引起平導(dǎo)的最大主應(yīng)力增加，同時隧道間的巖柱的最大主應(yīng)力升高，會誘發(fā)平導(dǎo)的時滯型巖爆，主要表現(xiàn)為板狀劈裂破壞。

圖8 巴玉隧道正洞開挖過程巖爆風(fēng)險評估

4 巴玉隧道巖爆與破壞發(fā)生情況

4.1 巖爆發(fā)生的位置情況

白國峰[2]統(tǒng)計了巴玉隧道巖爆的發(fā)生特征。從巖爆類型來看，巴玉隧道巖爆災(zāi)害類型主要有即時型和時滯型，且主要為即時型巖爆，即主要發(fā)生于掌子面或掌子面后面5 m范圍。同時發(fā)生少量的時滯型巖爆，與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致。

從巖爆在斷面上的位置來看，巴玉隧道巖爆主要發(fā)生于拱頂和拱肩(圖9)。統(tǒng)計結(jié)果也表明，接近80%的巖爆發(fā)生于拱頂和拱肩(圖10)，發(fā)生于邊墻的巖爆僅占8%。

圖9 巴玉隧道強烈?guī)r爆

圖10 巴玉隧道巖爆發(fā)生位置統(tǒng)計[2]

4.2 巴玉隧道邊墻破壞情況

對巴玉隧道正洞邊墻的破壞形式進行了調(diào)查。如圖11所示，隧道開挖過后，巴玉隧道邊墻發(fā)生片幫與開裂，巖體成板狀或薄片，厚度0.3～2 cm。從其破壞形式來看，邊墻巖爆較少，主要表現(xiàn)為由拉伸作用導(dǎo)致的巖板彎曲鼓折，由剪切作用導(dǎo)致的巖片剝落，與數(shù)值模擬及評價結(jié)果較為一致。

圖11 巴玉隧道邊墻的片幫與開裂

5 結(jié)論

針對川藏鐵路巴玉隧道施工過程中巖爆頻發(fā)的現(xiàn)狀，采用數(shù)值模擬方法研究了巴玉隧道施工過程中的二次應(yīng)力及損傷分布情況，并采用Hoek判據(jù)對巖爆風(fēng)險進行了分析，結(jié)論如下。

(1)巴玉隧道開挖響應(yīng)數(shù)值模擬平導(dǎo)塑性區(qū)范圍為1～1.5 m，和聲波測試獲得的損傷區(qū)結(jié)果一致，表明反演結(jié)果可靠。

(2)巴玉隧道開挖后掌子面及圍巖最大主應(yīng)力分布于拱頂及拱肩，所以巴玉隧道即時型巖爆主要發(fā)生于拱頂及拱肩?；贖oek判據(jù)評估巴玉隧道開挖過程中拱肩及拱頂存在強烈?guī)r爆風(fēng)險，實際接近80%的巖爆發(fā)生于拱頂和拱肩，與現(xiàn)場巖爆實際發(fā)生情況一致。

(3)巴玉隧道邊墻卸載區(qū)域較大，卸載程度高，不易發(fā)生巖爆。損傷模擬表明，邊墻表面多表現(xiàn)為拉伸和剪切破壞?；贖oek判據(jù)評估巴玉隧道邊墻部分為剝落與片幫破壞。實際中，邊墻發(fā)生了由拉伸作用導(dǎo)致的巖板彎曲鼓折和由剪切作用導(dǎo)致的巖片剝落。

(4)相比獨頭掘進，巴玉隧道超前開挖平導(dǎo)，正洞掌子面最大主應(yīng)力由129.5 MPa下降為125.4 MPa。說明超前開挖平導(dǎo)可以降低正洞掌子面的應(yīng)力，達到卸壓的目的，進而降低正洞掌子面即時型巖爆。但正洞的滯后掘進，引起與其相同位置的平導(dǎo)最大主應(yīng)力升高，正洞與平導(dǎo)中間巖柱出現(xiàn)了大范圍的“馬鞍形”應(yīng)力升高區(qū)，從而引起平導(dǎo)邊墻的破壞，甚至誘發(fā)平導(dǎo)時滯型巖爆。

本文采用數(shù)值模擬方法分析了巴玉隧道開挖過程的巖爆風(fēng)險，不可避免的參數(shù)和地應(yīng)力反演誤差一定程度上會影響開挖二次應(yīng)力數(shù)值的準(zhǔn)確性，但其應(yīng)力集中區(qū)域、塑性破壞模式以及應(yīng)力變化規(guī)律是正確的，同時數(shù)值模擬方法帶來的誤差會影響部分處于臨界閾值段的巖爆風(fēng)險，但其主要為強烈?guī)r爆的評估結(jié)果是準(zhǔn)確的。結(jié)合開挖二次應(yīng)力分布特征模擬，給出了巖爆在斷面發(fā)生位置，以及脆性破壞的模式。