某引水隧洞深埋段花崗巖巖爆演化規(guī)律研究

伍達(dá)富，王琴

（黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程與設(shè)計系，貴州 都勻 558022 ）

巖爆是高地應(yīng)力條件下掌子面或洞壁出現(xiàn)巖塊爆裂、剝落、彈射、氣浪、震動、發(fā)聲甚至產(chǎn)生的震動現(xiàn)象。巖爆是隧洞開挖后，圍巖應(yīng)力強(qiáng)烈釋放的一種現(xiàn)象，在高地應(yīng)力情況下（包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力），洞室開挖后巖體釋放儲藏的能量。巖爆的發(fā)生具有一定的條件，通常是隧洞處于構(gòu)造強(qiáng)烈地層，埋深超過一定深度，且?guī)r體強(qiáng)度高、整體性好的情況。巖爆對于隧洞工程的破壞按照其釋放能量的等級，可以分為輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆。其中以劇烈?guī)r爆破壞最強(qiáng)，劇烈?guī)r爆對于正在施工的隧洞存在極大的安全隱患，如錦屏二級電站引水隧洞在修建過程中發(fā)生劇烈?guī)r爆，造成已施作襯砌段發(fā)生嚴(yán)重塌方施工[1]。巖爆對于隧洞工程的影響除了初始應(yīng)力場這一客觀因素外，還與隧道的開挖手段有關(guān)[2]。采用TBM（全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)Tunnel Boring Machine）施工時，由于隧洞斷面是一次性開挖成型且對圍巖幾乎沒有擾動，因此巖體的能力釋放并未得到“削弱”，使得巖爆對TBM 施工隧洞影響要相應(yīng)地比鉆爆法大得多[3]。

有許多學(xué)者對TBM 施工的隧道巖爆問題進(jìn)行了研究，劉健[4]分別對灰?guī)r、花崗巖和紅砂巖三種圍巖進(jìn)行了不同孔隙結(jié)構(gòu)巖石巖爆傾向機(jī)理與破裂特征的研究，指出致密性和硬脆性越強(qiáng)的巖石儲能特性越好，巖爆傾向性越強(qiáng)。張曉君等[5]通過模型試驗研究應(yīng)力松弛巖爆試驗，從巖爆的發(fā)生機(jī)理出發(fā)得到應(yīng)力松弛巖爆的演化規(guī)律。嚴(yán)孝海等[6]依托四川康定某深埋隧道，利用真三軸巖爆實驗系統(tǒng)，開展不同深度下的花崗巖巖爆物理模擬實驗，得到了花崗巖巖爆的三種不同破壞形式。周亞萍等[7]針對深埋高地應(yīng)力水工隧洞巖爆脆性破壞深度進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了巖爆破壞深度相關(guān)結(jié)論。

上述學(xué)者采用試驗或數(shù)值模擬手段對巖爆的發(fā)生機(jī)理及破壞形式等做了大量研究工作，得到了較多具有參考價值的結(jié)論?；诖?，本文針對TBM 方法施工的圓形斷面引水隧洞，運(yùn)用ANSYS 有限元分析軟件，考慮在不同水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，隨著隧洞埋深的增加，隧洞巖爆的區(qū)域演化、巖爆破壞深度以及巖爆等級的發(fā)展規(guī)律。

1 工程概況

某引水隧洞全長17.223km，樁號0+000～17+223，采用TBM 開挖，隧洞直徑10m，隧洞最大埋深1000m。隧洞橫穿博羅科努復(fù)背斜，地層走向近東西或北西，傾角中等～較陡。巖層擠壓褶皺強(qiáng)烈，次級褶皺和斷層發(fā)育，背向斜構(gòu)造形跡不完整。隧洞位于復(fù)雜東西向構(gòu)造帶中，斷層發(fā)育。輸水隧洞地區(qū)地應(yīng)力高，沿線分布多種硬脆性巖石，具備發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。綜合判定，大部分相對完整圍巖洞段具備輕微巖爆條件，部分巖體完整洞段具備中等巖爆條件，局部洞段具備強(qiáng)烈?guī)r爆的地質(zhì)條件。

隧洞TBM 掘進(jìn)樁號1+311～1+424 段巖性為花崗巖，塊狀構(gòu)造，巖石堅硬、性脆，洞室段干燥無水，埋深500m 左右，發(fā)生輕微～中等巖爆，巖爆的發(fā)生，先是聽到巖體深部有炮聲，近處巖體表面有撕裂聲，大約3分鐘后一塊厚20～28 cm，長寬30×60cm 的巖石從母巖中彈出，并伴隨一聲巨響。由于拱架支撐，此巖石坐落在拱架上。巖石彈出后，仍聽到巖體深處有轟鳴聲傳出。如下圖1 所示。

圖1 某引水隧洞巖爆破壞圖

2 巖爆分級理論

地下洞室的開挖，其本質(zhì)是將具有一定應(yīng)力履歷的巖體，通過一定的手段形成巖體的臨空面，而巖體的應(yīng)力重新發(fā)生應(yīng)力改變并達(dá)到再次平衡的過程。巖體的受力過程可以用下圖來表示，其中水平向為構(gòu)造應(yīng)力，豎向上的為巖體自重應(yīng)力如圖2 所示。

圖2 巖體受力示意圖

圖3 某引水隧洞幾何模型尺寸圖

本文以應(yīng)力判據(jù)理論中公路隧洞設(shè)計規(guī)范（JTG 3370.1-2018）巖爆的分級公式：

σθmax/Rc ＜0.3，無巖爆；

0.3≤σθmax/Rc＜0.5，輕微巖爆；

0.7≤σθmax/Rc＜0.9，強(qiáng)烈?guī)r爆；

0.9≤σθmax/Rc劇烈?guī)r爆。

上式中，σθmax——圍巖最大切向應(yīng)力；Rc——巖石單軸抗壓強(qiáng)度值。根據(jù)（4）式確定某引水隧洞采用TBM 施工，遇花崗巖圍巖段，洞室的巖爆等級。在本文中，為了方便敘述，引入巖爆分級計算值k，巖爆分級公式如下：

上式中，k——巖爆分級計算值。

3 某引水隧洞巖爆模擬過程

3.1 巖爆分析模型相關(guān)參數(shù)

某引水隧洞采用TBM 施工（一次性開挖成型），隧洞直徑為10m。發(fā)生巖爆段，圍巖級別：Ⅱ～Ⅲ，微風(fēng)化花崗巖，巖體完整，脆性，無地下水。以某平面尺寸為50m×50m 表示地層范圍，埋深轉(zhuǎn)化為豎向荷載?；◢弾r巖體力學(xué)參數(shù)如下：重度γ=24KN/m3、彈性模量E=50Gpa、泊松比μ=0.2、單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=80Mpa、粘聚力c=10Mpa、內(nèi)摩擦角φ=55°。引水隧洞幾何模型尺寸如下圖所示。

采用二維平面應(yīng)變分析模型，將上覆巖體重量考慮為均布荷載施加在模型上，同時對數(shù)值模型施加二維平面上的側(cè)向水平應(yīng)力來模擬地層受到的構(gòu)造應(yīng)力，并用字符“λ”表示側(cè)向壓力系數(shù)，且令：

在進(jìn)行ANSYS 模型計算時，選擇隧洞埋深h 從300 米到700 米按公差100 米進(jìn)行遞增變化，同時側(cè)向壓力系數(shù)從0 到2.0 按公差為0.2 遞增變化。

3.2 計算結(jié)果分析

本文中某引水隧洞圍巖巖性為花崗巖，單軸抗壓強(qiáng)度Rc=80Mpa。按照巖爆等級計算公式，可得到不同工況開挖后，洞室的巖爆等級。

對于埋深300m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為無巖爆-輕微巖爆，其中無巖爆工況占比72.3%，輕微巖爆工況占比為27.7%，且只有當(dāng)側(cè)向壓力系數(shù)λ大于1.6 時才會發(fā)生輕微巖爆，輕微巖爆在實際工程中表現(xiàn)為少量片幫，對工程威脅較小。

對于埋深400m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為無巖爆-輕微巖爆-中等巖爆，其中無巖爆工況占比18.2%，輕微巖爆工況占比63.6%，中等巖爆工況占比18.2%。發(fā)生中等巖爆時，側(cè)壓力系數(shù)λ 大于1.8。

對于埋深500m，花崗巖洞室開挖后巖爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強(qiáng)烈?guī)r爆，其中輕微巖爆工況占比72.7%，中等巖爆工況占比18.2%，強(qiáng)烈?guī)r爆占比9.6%。

對于埋深600m，花崗巖洞室?guī)r爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強(qiáng)烈?guī)r爆，其中輕微巖爆工況占比54.5%，中等巖爆工況占比27.3%，強(qiáng)烈?guī)r爆占比18.2%。

對于埋深700m，花崗巖洞室?guī)r爆等級分布為輕微巖爆-中等巖爆-強(qiáng)烈?guī)r爆-劇烈?guī)r爆。其中輕微巖爆工況占比18.2%，中等巖爆工況占比54.5%，強(qiáng)烈?guī)r爆占比9.1%，劇烈?guī)r爆占比18.2%。

4 結(jié)論

根據(jù)應(yīng)力判據(jù)理論，以TBM 方法開挖的花崗巖隧洞，考慮在不同埋深條件及不同水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，采用ANSYS 有限元分析軟件分析隧洞開挖后圍巖最大主應(yīng)力的分布形態(tài)，分析不同工況下隧洞的巖爆等級，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力等于自重應(yīng)力時，圍巖的最大主應(yīng)力值，達(dá)到最小值，此時水平構(gòu)造應(yīng)力對于圍巖受力有改善的作用。

（2）花崗巖洞室開挖時，當(dāng)隧洞埋深不超過300m，不存在巖爆，只有當(dāng)?shù)貙訕?gòu)造特別強(qiáng)烈時會發(fā)生輕微巖爆。埋深在400～500m 時的花崗巖洞室開挖，巖爆等級以輕微巖爆為主，當(dāng)?shù)貙訕?gòu)造強(qiáng)烈時，會發(fā)生中等-強(qiáng)烈?guī)r爆。埋深超過600m 時的花崗巖洞室開挖，發(fā)生輕微巖爆與中等-強(qiáng)烈?guī)r爆的情況均有可能發(fā)生。當(dāng)埋深超過700m 時的花崗巖洞室開挖，巖爆等級以中等巖爆為主，當(dāng)?shù)貙訕?gòu)造強(qiáng)烈時發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆或劇烈?guī)r爆，對工程危害很大。因此在埋深超過700m，且?guī)r性為花崗巖等強(qiáng)度很高的洞室開挖時，在設(shè)計階段做好巖爆的防治措施。