硬巖豎井爆破損傷區(qū)探測及襯砌荷載*

蒲 松，張 睿，方 勇，余 濤，方曉峰，田青峰

(1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031； 2.四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618300； 3.天津大學(xué)，天津 300352)

0 引言

目前，豎井作為一種大型通風(fēng)道廣泛應(yīng)用于長大隧道的建設(shè)中[1-3]。豎井除了通風(fēng)作用，還可以增加主洞開挖工作面，故而許多長大隧道為了縮短工期，常常在靠近隧道中部位置修建豎井[4]。近幾年隧道的需求量越來越大，硬巖豎井的數(shù)量逐漸增多，目前國內(nèi)外學(xué)者針對硬巖豎井的受荷特性及穩(wěn)定性展開了多方面研究。吳懷俊[5]結(jié)合彈性理論、溫度應(yīng)力場理論、熱脹冷縮原理,對豎井井壁破壞應(yīng)力進行了較為精確的理論分析,給出了豎井井壁應(yīng)力分布規(guī)律的解析式；劉金龍等[6]研究發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)力是導(dǎo)致豎井破裂的重要因素，在溫度應(yīng)力影響下，豎井內(nèi)壁最先破裂；周曉敏等[7]根據(jù)井壁厚度、剪切模量進行分組，采用模型試驗研究不同圍巖條件對豎井井壁承載力的影響；郭繼林等[8]結(jié)合福建漳(州)永(安)官田隧道通風(fēng)豎井工程實際，研究發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)巖深豎井圍巖壓力的大小不受豎井內(nèi)徑大小影響；吳迪[9]利用大型有限元軟件ANSYS研究分析了豎井在開挖與支護過程中的圍巖壓力分布規(guī)律以及圍巖破壞情況；羅禮等[10]通過研究巖石與支護之間的相互作用原理來分析豎井的穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)可通過豎井圍巖泊松比值大小初步判定最大主應(yīng)力方向。

上述研究在硬巖豎井的受荷特性及其穩(wěn)定性方面取得了一定的成就，而硬巖豎井的設(shè)計荷載問題尚不明確。本文依托米倉山公路隧道通風(fēng)硬巖豎井工程，主要通過聲波探測手段，確定豎井圍巖損傷范圍和損傷程度，進而對損傷區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)進行標(biāo)定，最后利用數(shù)值模擬分析爆破損傷區(qū)圍巖應(yīng)力情況以及對襯砌結(jié)構(gòu)荷載的影響，為類似工程條件下襯砌結(jié)構(gòu)荷載計算及設(shè)計提供一定的參考依據(jù)。

1 工程背景

米倉山特長高速公路隧道位于四川省和陜西省交界位置，左線長13 833 m(ZK39+699～ZK53+532)，右線長13 792 m(ZK39+734～ZK53+526)。米倉山通風(fēng)豎井位于隧道中部，其設(shè)計深度為435.76 m，開挖直徑為10.2 m，凈直徑為9 m，整個工程的地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)概況Fig.1 Map of engineering geology

豎井圍巖以石英閃長巖為主，采用MTS 815型巖石三軸電液伺服剛性試驗機以及配套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等對石英閃長巖的基本力學(xué)性能進行測試，基本巖石力學(xué)參數(shù)見表1。水壓致裂法地應(yīng)力測試不同深度下的主應(yīng)力大小見表2。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Diagram of rock mechanics parameters

表2 現(xiàn)場測試主應(yīng)力結(jié)果Table 2 Diagram of in-situ stress information

2 豎井開挖方式及損傷區(qū)范圍

2.1 開挖方式

目前常用的建井方法主要有長段單行作業(yè)法、反井鉆機法、短段掘砌+模筑單層混凝土襯砌的混合作業(yè)法[11-13]。目前，大多數(shù)的豎井施工還是采用短段掘砌+模筑單層混凝土襯砌的混合作業(yè)法，該方法有成井速度快，安全可靠，不受主洞工期影響等優(yōu)勢，在豎井施工中使用頻率越來越高[14]。米倉山硬巖豎井同樣采用短段掘砌+模筑單層混凝土襯砌的混合作業(yè)法，施工作業(yè)中，每個掘進循環(huán)包括鉆孔、爆破及通風(fēng)、出渣、澆筑襯砌4個步驟，每個循環(huán)進尺4 m，作業(yè)時間大約24 h。

2.2 損傷區(qū)探測

采用鉆爆法進行豎井施工時爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波會引起開挖面附近圍巖原始裂縫的擴展和新裂縫的產(chǎn)生，導(dǎo)致巖體劣化，從而形成一定范圍的損傷區(qū)，損傷區(qū)范圍內(nèi)的巖體強度和完整性遠(yuǎn)低于未破壞時巖體強度和完整性。

為獲得豎井爆破損傷區(qū)范圍，在施工過程中開展了超聲波探測，測孔布置如圖2所示，自井口向下每隔100 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共設(shè)4個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)4個測孔，每個測孔深2 m。在第1次出渣完成后，采用人工鉆孔的方式在井壁圍巖上鉆孔，并利用高壓風(fēng)進行吹孔，然后依次放入發(fā)射器和接收器，同時灌入水作為耦合劑進行測試，現(xiàn)場利用RSM-RCT(B)測試系統(tǒng)探測豎井開挖時圍巖的損傷區(qū)深度，設(shè)置激發(fā)頻率為50 kHz。

圖2 爆破損傷區(qū)探測Fig.2 Detection of blasting damage zone

2.3 測試結(jié)果

豎井開挖后可根據(jù)P波波速變化將圍巖分為損傷區(qū)和較完整區(qū)2個區(qū)域，P波在損傷區(qū)傳播速度約為2.8 km/s，在損傷區(qū)外的波速約為5.3 km/s，略低于完整巖石中的波速5.7 km/s，這種差異可能是現(xiàn)場損傷區(qū)范圍外巖體中其他節(jié)理、裂紋等不連續(xù)面的存在降低了波的傳播速度，超聲波測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，從不同斷面波速突變位置基本可以確定圍巖損傷區(qū)范圍為1.1～1.4 m，且在100，200，300，400 m不同埋深下?lián)p傷區(qū)范圍趨于一致；豎井圍巖為堅硬石英閃長巖，原巖應(yīng)力場隨埋深變化時并不會導(dǎo)致巖體產(chǎn)生較大劣化，所以損傷區(qū)大小與埋深基本無關(guān)。從1～4號測孔波速結(jié)果可以看出硬巖豎井的損傷區(qū)范圍與其地應(yīng)力條件基本無關(guān)，這表明開挖爆破是圍巖損傷的主要影響因素。同時P波波速在損傷區(qū)內(nèi)基本呈現(xiàn)線性梯度變化，開挖爆破對巖體破壞程度不同導(dǎo)致其波速變化梯度的不同，損傷程度越小，波速變化梯度越快，損傷程度越大，波速變化梯度越緩。

圖3 現(xiàn)場超聲波測試結(jié)果Fig.3 Results of ultrasonic testing on site

3 圍巖損傷區(qū)力學(xué)參數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)對現(xiàn)場荷載設(shè)計和安全評估具有重要參考意義，完整的巖石力學(xué)參數(shù)可通過三軸或剪切試驗等實驗室測試確定，但是對于損傷區(qū)內(nèi)圍巖很難通過試驗來得到相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。Hoek,Barton等[15-16]提出了經(jīng)驗公式來估算巖體的彈性模量，并將彈性模量和縱波速度聯(lián)系起來得到了式(1)所示的巖體彈性模量計算公式。

E=10(VP-0.5)/3

(1)

式中：E為彈性模量，GPa；VP為縱波平均波速，km/s。根據(jù)上一節(jié)中測得損傷區(qū)的縱波平均波速為2.83 km/s，再結(jié)合式(1)可得到損傷區(qū)內(nèi)巖體的彈性模量為6 GPa。

Hoek在1994年提出的地質(zhì)強度指標(biāo)(GSI)是1種巖體分類方法，主要描述巖體結(jié)構(gòu)特征，對于爆破損傷區(qū)圍巖的殘余地質(zhì)強度指標(biāo)GSIr，Cai等[17]根據(jù)經(jīng)驗建議用GSI峰值函數(shù)表達(dá)殘余GSIr值，如式(2)所示。

GSIr=GSI·exp(-0.013 4GSI)

(2)

根據(jù)式(2)，可以估算出爆破損傷區(qū)巖石的殘余GSIr，未受損傷巖體的GSI峰值為72 GPa，此時對于損傷區(qū)殘余GSIr值為27 GPa。Hoek,申艷軍[18-19]在2002年引入了擾動系數(shù)D來反映爆破沖擊波對巖體的擾動程度。由于擾動系數(shù)D值在實際過程中很難量化，因此，通過殘余地質(zhì)強度指標(biāo)GSIr(D=0)來反映現(xiàn)場受爆破影響巖體的損傷程度。

4 數(shù)值模擬

4.1 材料參數(shù)及本構(gòu)模型

收斂約束法廣泛用于計算支護結(jié)構(gòu)上作用的圍巖荷載，本節(jié)則在考慮爆破損傷區(qū)的影響下，通過收斂約束法計算作用在襯砌上的徑向載荷。通過FLAC3D模型計算以獲得豎井石英閃長巖巖體的收斂約束曲線，同時采用Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則來表示巖體的強度。利用式(3)[18]來計算未損壞巖體的靜態(tài)變形模量。

(3)

式中：D為巖體擾動系數(shù)，對于不完整巖體，D取0；σci為完整巖體的單軸抗壓強度，MPa。

通過式(2)可以得到的巖體損傷區(qū)GSIr和mi值，再利用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則計算巖體常數(shù)mb，s和a值，見式(4)，(5)。

(4)

(5)

式中：閃長巖的mi值為25，當(dāng)GSI大于0.5時，a值取0.5。

4.2 模型建立

考慮到工程現(xiàn)場結(jié)構(gòu)及荷載的對稱性，建立1/4豎井模型，將主應(yīng)力方向設(shè)置為沿X軸方向，豎井埋深方向為Z軸，為減少邊界條件對模型計算的影響，建立的模型高度為450 m，寬度為200 m，并對X，Y方向邊界固定，如圖4所示。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

4.3 計算結(jié)果分析

在數(shù)值模擬過程中，通過改變開挖面環(huán)向等效內(nèi)壓Pi并監(jiān)測圍巖位移UR得到收斂約束曲線，進而分析井壁襯砌所受到的徑向載荷。根據(jù)前文中損傷區(qū)圍巖力學(xué)參數(shù)，在開挖面通過后，其后方的圍壓插入爆破損傷區(qū)以模擬巖體破壞狀況，得到豎井存在爆破損傷區(qū)時圍巖徑向位移與載荷的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 圍巖徑向位移與不同方向巖體內(nèi)部壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between radial displacement of surrounding rock and internal pressure of rock mass in different directions

圖5表明，圍巖損傷區(qū)存在與否對豎井的收斂約束曲線影響很大，圍巖無損傷區(qū)時，其位移-載荷是線彈性關(guān)系，內(nèi)壓P相同時，Y(最小主應(yīng)力)方向的徑向位移遠(yuǎn)小于X(最大主應(yīng)力)方向的位移，在Y方向上位移隨著內(nèi)壓的減小釋放的速率更慢；埋深越大徑向位移越大，在同一方向上曲線的斜率基本一致。

當(dāng)圍巖出現(xiàn)損傷區(qū)時，曲線可分為彈性和塑性2個階段，二者交點對應(yīng)的內(nèi)壓為臨界壓力P*，當(dāng)圍巖內(nèi)壓大于臨界壓力P*，內(nèi)壓P與徑向位移UR呈線性關(guān)系，直線段部分斜率基本相同與埋深和主應(yīng)力方向無關(guān)；如果內(nèi)壓P小于臨界壓力P*，由于損傷區(qū)巖體的強度較低，將有塑性區(qū)產(chǎn)生，此時圍巖位移隨著內(nèi)壓降低將快速增大，所以支護壓力需大于臨界壓力以防損傷劣化成塑性區(qū)后，圍巖位移急劇增大。在最小主應(yīng)力方向釋放較小的位移時，圍巖就進入塑性狀態(tài)，而最大主應(yīng)力則需要釋放更多的位移，導(dǎo)致在同一斷面處Y方向臨界壓力普遍大于X方向臨界壓力。

埋深300 m處(斷面3)的剪應(yīng)力分布如圖6所示，最大主應(yīng)力沿X方向，所以在該方向豎井邊界將受到更大的剪應(yīng)力。圍巖無損傷區(qū)的情況下，最大剪應(yīng)力為18 MPa，并出現(xiàn)在襯砌邊界位置；而當(dāng)圍巖有損傷區(qū)時，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在損傷區(qū)與未破壞巖體之間的邊界，最大剪應(yīng)力為16 MPa，受爆破影響，豎井圍巖抗剪強度降低且最大剪應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。

圖6 斷面3圍巖剪應(yīng)力分布(MPa)Fig.6 Shearstress distribution of surrounding rock in section 3(MPa)

如圖7和圖8所示，襯砌最大主應(yīng)力處與X軸成90°，同時也是圍巖受剪應(yīng)力最大的位置。同一斷面處有損傷區(qū)時襯砌的最大主應(yīng)力均大于無損傷的最大主應(yīng)力，這是因為存在損傷區(qū)的圍巖會產(chǎn)生更大的位移，襯砌在抵抗圍巖變形時將受到更大的荷載。

圖7 無損傷區(qū)時襯砌最大主應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of maximum principal stress of lining without damage zone

圖8 存在損傷區(qū)時襯砌最大主應(yīng)力分布Fig.8 Distribution map of maximum principal stress of lining with damage zone

4.4 襯砌安全系數(shù)計算

安全系數(shù)是評估混凝土襯砌穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，可以通過式(6),(7)[20]計算：

K=φαRabh/N，e0≤0.20h

(6)

(7)

式中：K為襯砌強度安全系數(shù)；N為軸向力,N；b為截面的寬度,mm；h為截面的厚度,mm；Ra為極限抗壓強度,MPa；R1為極限抗拉強度,MPa；φ為縱向彎曲系數(shù)；e0為偏心率；α為偏心影響系數(shù)，可以通過式(8)計算：

(8)

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，計算襯砌的安全系數(shù)，計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，安全系數(shù)隨著豎井深度增加而減小，但最小安全系數(shù)為6.01，仍大于臨界安全系數(shù)2.4。結(jié)果表明，損傷區(qū)導(dǎo)致圍巖變形量增大，襯砌荷載增加，但是計算結(jié)果表明豎井襯砌是比較安全的。同時，可根據(jù)豎井的深度調(diào)整襯砌參數(shù)，在較深的豎井可采用分區(qū)段支護形式，豎井上區(qū)段可采用較薄的襯砌，一方面滿足施工安全，另一方面降低投資成本，達(dá)到優(yōu)化支護的目的。

圖9 襯砌安全系數(shù)Fig.9 Liningsafety factor

5 結(jié)論

1)硬巖豎井受爆破擾動影響形成損傷區(qū)，通過現(xiàn)場聲發(fā)射測試發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)P波平均速度大約是未損壞巖石質(zhì)量的1/2，損傷區(qū)范圍為1.1～1.4 m，米倉山硬巖豎井損傷區(qū)與其地應(yīng)力條件基本無關(guān)。

2)通過殘余地質(zhì)強度指標(biāo)，對爆破損傷區(qū)圍巖的力學(xué)參數(shù)進行標(biāo)定，數(shù)值模擬得到圍巖有無損傷區(qū)的收斂約束曲線，有損傷區(qū)時，曲線可根據(jù)臨界壓力分為彈性階段和塑性階段，支護壓力需大于臨界壓力以防圍巖損傷加劇劣化成塑性區(qū)后，圍巖位移急劇增大。

3)豎井周邊出現(xiàn)損傷區(qū)時其抗剪強度降低且最大剪應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在損傷區(qū)與未破壞巖體之間的交界處且最大剪應(yīng)力為16 MPa，襯砌最大主應(yīng)力截面與地層最大主應(yīng)力方向垂直同時也是圍巖最大剪應(yīng)力位置。

4)通過不同深度襯砌安全系數(shù)計算表明現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)比較安全，同時可根據(jù)豎井深度調(diào)整襯砌參數(shù)，進行分區(qū)段支護，保障施工安全的同時降低投資成本。