高地應力雙隧道施工圍巖應力變化規(guī)律數(shù)值模擬研究

康躍明

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

高埋深隧道具有高地應力、高溫、高滲流性等顯著性特點，開挖施工會對其安全性產(chǎn)生較大影響。如果圍巖應力規(guī)律掌握不準確，造成應力積累和突然釋放，造成巖爆發(fā)生，不僅容易造成經(jīng)濟的損失，而且會使整個隧道陷入困境，甚至造成人員傷亡。因此，開展對高地應力隧道開挖圍巖應力研究，不僅可以對圍巖應力變化規(guī)律有更清晰的認識，而且能為隧道開挖圍巖應力理論和支護技術(shù)方面提供更可靠、更全面的資料。當前，對于圍巖應力研究方法較多，主要包括理論研究、數(shù)值分析和實測數(shù)據(jù)分析等研究。楊友彬等[1]基于位移釋放率和應力釋放率相近原理，得出體積損失率和應力釋放率間轉(zhuǎn)換方法。周飛等[2-5]基于大量現(xiàn)場圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了作用于初襯支護上的圍巖壓力，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析圍巖穩(wěn)定狀態(tài)；趙勇等[6-8]通過模型試驗，對開挖過程中的圍巖荷載釋放過程進行研究，揭示了不同施工階段的圍巖壓力釋放率。房倩等[9-12]基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了圍巖變形和圍巖壓力間關(guān)系，并得出圍巖級別越高，圍巖變形值越大。任洋等[13]基于水壓致裂法地應力實測數(shù)據(jù)，對地應力特征和分布規(guī)律以及圍巖變形進行分析。王飛陽等[14-15]通過模擬研究手段，分析了圍巖應力變化規(guī)律，得出在應力集中區(qū)域易發(fā)生巖爆[16-20]。因此，基于模型試驗和數(shù)值模擬研究隧道開挖進尺對圍巖豎向和水平應力的影響規(guī)律，根據(jù)影響程度來劃分影響等級。該研究成果可以較好地用于指導現(xiàn)場施工和巖爆預防工作。

1 工程概況

安石隧道位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村—勐佑鎮(zhèn)中河村，隧址區(qū)僅有狹窄山路通過，通行條件較差。該隧道區(qū)屬中山地貌，地形起伏較大，最大埋深約453.11 m。該隧道為分離式特長隧道，雙向長度分別為5 338 m和5 263 m。隧址區(qū)下伏基巖前半段為燕山期侵入花崗巖，后半段為石英片巖等，殘積土及全風化、強風化層厚度大，未見中風化基巖露頭。隧址區(qū)未見影響隧道穩(wěn)定的區(qū)域性斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)較穩(wěn)定隧道圍巖中殘存的構(gòu)造應力在隧道開挖中易使堅硬巖石產(chǎn)生巖爆。

2 圍巖應力數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型建立

三維有限差分元計算模型如圖1所示。其中，Y方向為地鐵隧道走向，X方向為垂直隧道走向方向，Z方向為埋深方向。為消除尺寸效應的影響，模型采用1∶1比例建設(shè)，模型長100 m、寬150 m、厚410 m。

為精確計算圍巖巖層變形，并提高計算的精度，網(wǎng)格采用“1網(wǎng)格/m”劃分。分別采用實體單元、襯砌單元和錨桿單元模擬地基巖層、初襯、錨桿支護。模型四周設(shè)置為X方向或Y方向的雙向約束，Z方向單向約束。

2.2 計算參數(shù)選取

巖體本構(gòu)采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，錨桿和初襯采用線彈性本構(gòu)模型?；疚锢砹W指標見表1。

表1 基本物理力學指標Tab.1 Basic physical and mechanical parameters

2.3 施工模擬步驟及監(jiān)測點布設(shè)

工程施工步驟分為3個部分：①左右隧道開挖施工；②初襯施工；③錨桿施工。左右隧道開挖縱向間距50 m。可通過設(shè)定網(wǎng)格單元的鈍化和激活、邊界和荷載條件的施加和消除來模擬具體的施工操作。具體為：①計算初始地應力場，并設(shè)置位移清零，消除地應力的影響；②模擬隧道開挖施工；③依次模擬襯砌施工和錨桿施工，此次模擬只考慮隧道開挖和初襯錨桿施工的影響。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 拱腰圍巖豎向應力分析

初始應力平衡后應力云圖如圖2所示。通過分析應力隨開挖變化，可得知應力變化表現(xiàn)形式主要可分為3種類型：①“逐漸增大最終趨于穩(wěn)定型”，對應監(jiān)測點為1、2、10和11監(jiān)測點，此表現(xiàn)型主要分布于到隧道周邊距離大于10 m以外。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨著隧道巖體的開挖，打破原有地應力平衡，應力分散于隧道周邊，從而造成大于10 m以外周邊巖體應力增加。②“先增加后快速下降再緩慢增加型”，對應監(jiān)測點為5和6監(jiān)測點，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中間巖體。造成這種現(xiàn)象的主要原因是隨左隧道巖體的開挖，應力分散于隧道周邊和左右隧道中間巖體，從而造成左右隧道中間巖體應力增加，接著當右隧道開挖后打破原有平衡使其左右隧道中間巖體應力快速釋放，出現(xiàn)快速下降趨勢，當中間巖體逐漸平衡后此時開始承擔隨左右隧道開挖釋放的應力，出現(xiàn)逐漸緩慢增加趨勢。③“先增加后快速下降至0型”，對應監(jiān)測點為3、4、7和8監(jiān)測點，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中巖體。由于左右隧道巖體的開挖，工作面越接近于監(jiān)測點位置，承受的累計應力釋放值越大，從而造成應力值逐漸增加，當工作面通過監(jiān)測點位置，此時隧道中部巖體已開挖，不再承受周圍巖體施加的壓力，此時應力值為0。

圖2 應力云圖Fig.2 Stress cloud

2.4.2 拱頂及拱頂上部圍巖豎向應力分析

通過分析整個施工階段不同開挖進尺條件下相對應的拱頂及拱頂上部巖層豎向應力。得知，豎向應力表現(xiàn)形式主要可分為3大類：①“簡易型”。對應測線A和測線B，2條測線上測點變化趨勢相同，都為逐漸增加到穩(wěn)定，此測線分布于隧道拱頂150 m以上巖層。②“較復雜型”。對應測線C、測線D和測線E，測線C測點表現(xiàn)形式有2種，逐漸增加后逐漸下降、逐漸下降后逐漸增加。測線D和測線E上測點表現(xiàn)形式有3種，逐漸增加后逐漸下降、逐漸下降后逐漸增長、逐漸下降到平穩(wěn)。③“復雜型”。對應測線F，測線F上測點表現(xiàn)形式有3種，逐漸增加后逐漸穩(wěn)定、逐漸增加后突然下降到基本穩(wěn)定和逐漸增加到較快速下降再逐漸增加到穩(wěn)定。此測線位于拱頂上方位置，應力釋放對其影響程度最大，造成巖層豎直應力快速釋放再到平衡。

通過以上分析可知，拱頂上方0～50 m巖層屬于應力釋放“高影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度較大，應力釋放值較為突出，此部巖層的穩(wěn)定程度決定其隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。拱頂上方50～150 m巖層屬于應力釋放“次影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度無高影響區(qū)大，應力釋放值也變形較緩。拱頂上方150 m以上巖層屬于應力釋放“緩影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度可忽略不計，對其巖層的穩(wěn)定性和隧道的穩(wěn)定幾乎無影響。

3 圍巖應力相似模擬結(jié)果分析

3.1 相似模擬試驗平臺建立

試驗采用地下工程綜合模擬二維試驗臺，試驗臺長1 200 mm、寬800 mm、高1 000 mm。相似模擬平臺如圖3所示，此模擬平臺包含應力監(jiān)測系統(tǒng)和降雨模擬系統(tǒng)。

圖3 相似模擬平臺Fig.3 Similar simulation platform

3.2 相似材料配比

設(shè)計模型高度為60 cm(實際巖層總厚度為400 m)，其中強風化碎屑花崗巖巖層高度為40 cm，相似模擬強風化碎屑花崗巖高度為6 cm，花崗巖巖層高度為360 m，相似模擬強風化碎屑花崗巖高度為54 cm。相似模擬骨料為砂子，膠結(jié)物采用水泥。強風化碎屑花崗巖采用細砂∶石灰∶水配比為12∶1∶1；花崗巖采用細砂∶石灰∶水配比為10∶5∶1。

3.3 施工模擬步驟和傳感器布設(shè)方案

工程施工步驟分為3個部分：①先開挖右隧道20 cm；②開挖左隧道10 cm、右隧道10 cm；③以此開挖逐漸完成，開挖采用鉆頭模擬開挖，現(xiàn)場開挖如圖4所示。此次總共布設(shè)3條縱斷面監(jiān)測線，每條縱斷面監(jiān)測測線公布設(shè)8個土壓力傳感器，其中拱

圖4 現(xiàn)場開挖示意Fig.4 Site excavation diagram

腰位置傳感器監(jiān)測水平應力，拱頂和拱頂上方監(jiān)測豎向應力，監(jiān)測點布設(shè)如圖5所示，監(jiān)測線橫向布設(shè)如圖6所示。

圖5 監(jiān)測點布設(shè)Fig.5 Layout of monitoring points

圖6 監(jiān)測線橫向布設(shè)示意Fig.6 Schematic diagram of horizontal layout of monitoring line

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 拱腰和拱頂圍巖應力分析

整個施工階段不同開挖進尺條件下相對應的拱頂巖層豎向及拱腰水平應力分布曲線如圖7所示，總共18個監(jiān)測點。可見，位于開挖工作面?zhèn)惹胺焦绊斬Q向應力隨工作面開挖表現(xiàn)為增大趨勢，對應監(jiān)測點為502、511和520，且對離開挖面較近的側(cè)方圍巖拱頂應力影響最大，越遠影響程度呈現(xiàn)下降趨勢；位于工作面前方拱頂豎向應力隨工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢，對應監(jiān)測點為505、514和523，且對離開挖面較近的前方圍巖拱頂應力影響最大，越遠影響程度呈現(xiàn)下降趨勢。位于開挖工作面?zhèn)惹胺焦把綉﹄S工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢，對應監(jiān)測點為501、503、510、512、519和521，且對離開挖面較近的側(cè)方圍巖拱腰水平應力下降速率較大；位于工作面前方拱腰水平應力隨工作面開挖表現(xiàn)為下降趨勢，對應監(jiān)測點為504、506、513、515、522和524，越遠影響程度呈現(xiàn)下降趨勢，且拱腰水平應力由于受開挖的影響，多表現(xiàn)為波浪型波動，總體表現(xiàn)為下降趨勢。

3.4.2 拱頂上部圍巖豎向應力分析

整個施工階段不同開挖進尺條件下相對應的拱頂上方巖層豎向應力分布曲線如圖8所示，總共8個監(jiān)測點。

圖8 拱頂上方應力曲線Fig.8 Stress curve of above vault

由圖8可知，位于開挖左右隧道拱頂上方中間部位的巖體隨左右隧道的開挖，豎向應力整體呈現(xiàn)增大趨勢，對應的監(jiān)測點為508傳感器和517傳感器；位于開挖左右隧道拱頂上方部位的巖體隨左右隧道的開挖，豎向應力整體呈現(xiàn)波動趨勢，右隧道開挖會造成左隧道上方巖層豎向應力出現(xiàn)增大趨勢，左隧道開挖會造成右隧道上方巖層豎向應力出現(xiàn)增大趨勢。

4 結(jié)論

(1)拱頂上方0～50 m巖層屬于應力釋放“高影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度較大。拱頂上方50～150 m巖層屬于應力釋放“次影響區(qū)”，此部分巖層受其影響程度無高影響區(qū)大，應力釋放值也變形較緩。拱頂上方150 m以上巖層屬于應力釋放“緩影響區(qū)”。

(2)整個施工階段不同開挖進尺條件下相對應的拱腰豎向應力分布曲線，主要可分為3種類型：“逐漸增大最終趨于穩(wěn)定型”，此表現(xiàn)型主要分布于到隧道周邊距離大于10 m以外、“先增加后快速下降再緩慢增加型”，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中間巖體和“先增加后快速下降至0型”，此表現(xiàn)型主要分布于左右隧道中巖體。

(3)位于開挖左右隧道拱頂上方中間部位巖體隨左右隧道的開挖，豎向應力整體呈現(xiàn)增大趨勢。