岩爆灾害防治措施的数值分析

项国

岩爆灾害防治措施的数值分析

项国

随着我国经济快速发展，对各项基础设施的需求越来越大，特别是对交通运输设施的需求，这就刺激了对铁路、公路等重大基础设施投资的大量增长。而铁路、公路的修建，不可避免的要穿越高大山区，导致一批深埋长大隧道的出现。深埋长大隧道以埋深大、线路长为特点，其中又蕴藏一些难以预料的风险，导致设计、施工难度的大大增加，往往成为一条线路上的关键控制性工程。在深埋长大隧道中，岩爆是工程开挖过程中常遇到的工程地质灾害，是一种人类活动诱发的地质灾害。一般认为岩爆是地下工开挖过程中在高地应力条件下，硬脆性围岩因开挖卸荷导致洞壁应力分异，储存于岩体中的弹性应变能突然释放，因而产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全、影响工程进度，己成为世界性的地下工程难题之一，亟待广大工程技术人员的解决。

数值分析；防治措施

一、计算模型及参数

控制隧道岩爆灾害的主要措施是采用锚杆喷射混凝土、超前应力释放钻孔、注水软化围岩，不同的措施有其优劣性，工程中目前用得较多的是锚杆喷射混凝土。岩爆的防治应根据不同的地质条件和潜在的岩爆烈度采用不同的防治措施，针对雪峰山1号隧道的具体条件，结合隧道初衬支护采用锚杆喷射混凝土措施为宜。为了进一步阐述锚喷措施的作用机理，将采用FLAC3D数值分析软件进行模拟分析。选取具有代表性的DK247+000、DK247+750为典型断面进行分析，锚杆长度分别拟定为2.5m、3m、3.5m和4m，就1m、1.5m和2m两种间距进行比较分析。隧道衬砌和初次支护参数如表3所示。建立的数值分析模型见图1、图2，边界条件为，模型左侧和底面法向约束，右侧和项部为应力边界条件，按照地应力小模型在开挖前左可加应力约束，上部采用应力约束，底边界采用双向位移约束；开挖后采用上边界为自由面，左右为水平单向约束，底边为双向位移约束。所采用的介质参数如表1、表2所示。

表1 DK247+000断面材料物理力学参数

表2 DK247+750断面材料物理力学参数

表3 隧道正洞初期支护和二次衬砌参数

图1 模型开挖前的网格划分 图2模型开挖后的网格划分

二、计算结果及分析

（一）DK247+000断面计算结果及分析

以下各等值线图中的单位均为MPa。

图3 开挖后无支护σx等值线

图4 开挖后无支护σz等值线

1.锚杆间距为1m时计算结果分析

锚杆间距为1m，长度分别为2.5m、3.0m、3.5m和4.0m时，围岩边壁附近单元的应力等值线如图3、图4所示。图示表明隧道侧壁和顶部的应力集中明显，有可能会产生岩爆。

图3 2.5米锚杆的σx等值线

图4 2.5米锚杆的σz等值线

以隧道外接圆中心为参考，在侧壁0°，起拱点的45°和顶部的90°附近洞壁选取单元，利用计算出的围岩应力分量，计算最大及最小主应力及其两者的差值列于表4中。

表4 间距1.0m锚喷情况隧道边壁主应力计算结果

由表4所示结果表明，采用间距为1.0m的锚杆，不同长度对隧道围岩边壁应力状态的影响特征如下：

（1）随着锚杆长度的增加，断面最大主应力降低，其中起拱点降低最大，为1.02MPa。

（2）随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中起拱点增加最多，为0.19PMa。

（3）如图3、4和表4所示，随着锚杆长度的增加，主应力差减少。长度为4.0m时，典型部位最大主应力平均值最小，最小主应力平均值最大，平均主应力差最小，由此说明从工程技术的角度来说，4.0m锚杆喷射混凝土效果最好。

（二）DK247+750断面计算结果及分析

图5 开挖后无支护σx等值线

图6 开挖后无支护σz等值线

1.锚杆间距为1.0m时计算结果分析

锚杆间距为1m，长度分别为2.5m、3.0m、3.5m和4.0m时，围岩边壁附近单元的应力等值线如图7、图8所示。图示表明隧道侧壁和顶部的应力集中明显，有可能会产生岩爆。

图7 2.5米锚杆的σx等值线

图8 2.5米锚杆的σz等值线

表8 间距1.0m锚喷情况隧道边壁主应力计算结果

由表8所示结果表明，采用间距为1.0m的锚杆，不同长度对隧道围岩边壁应力状态的影响特征如下：

（1）随着锚杆长度的增加，断面最大主应力降低，其中起拱点降低最大，为0.76MPa。

（2）随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中侧壁增加最多，为0.16PMa。

（3）如图7、图8和表8所示，随着锚杆长度的增加，主应力差减少。长度为4.0m时，典型部位最大主应力平均值最小，最小主应力平均值最大，平均主应力差最小。由此说明从工程技术的角度来说，4.0m锚杆喷射混凝土效果最好。

2.锚杆间距为1.5m时计算结果分析

锚杆间距为1.5m，长度分别为2.5m、3.0m、3.5m和4.0m时，围岩边壁附近单元的应力等值线如图9、图10所示。图示表明隧道侧壁和顶部的应力集中明显，有可能会产生岩爆。

图9 2.5米锚杆的σx等值线

图10 2.5米锚杆的σz等值线

表9 间距1.5m锚喷情况隧道边壁主应力计算结果

由表9所示结果表明，采用间距为1.5m的锚杆，不同长度对隧道围岩边壁应力状态的影响特征如下：

（1）随着锚杆长度的增加，断面最大主应力降低，其中起拱点降低最大，为0.69MPa。

（2）随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中侧壁增加最多，为0.12PMa。

（3）随着锚杆长度的增加，主应力差减少。长度为4.0m时，典型部位最大主应力平均值最小，最小主应力平均值最大，平均主应力差最小。由此说明从工程技术的角度来说，4.0m锚杆喷射混凝土效果最好。

表10 间距2.0m锚喷情况隧道边壁主应力计算结果

由表10所示结果表明，采用间距为2.0m的锚杆，不同长度对隧道围岩边壁应力状态的影响特征如下：

（1）随着锚杆长度的增加，断面最大主应力降低，其中侧壁降低最大，为0.55MPa。

（2）随着锚杆长度的增加，最小主应力增加，其中侧壁增加最多，为0.1PMa。

[1]马少鹏，王来贵，章梦涛，李功伯.加拿大岩爆灾害的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，1998，9（3）.

[2]谭以安.岩爆类型及防治[J].现代地质，1991，5（4）.

[3]汪泽斌.岩爆实例、岩爆术语及分类的建议[J].工程地质，1988，（03）.

[4]王兰生，徐林生，李天斌等.深埋长隧道高地应力与围岩稳定问题，1998.

项国，北京交通大学博士研究生。

F062.4

A

1008-4428（2015）07-104-02