微上台阶开挖法在甘姆奇克隧道岩爆段的应用

焦 雷，邹 翀，李红军，刘洪震，郭志武

(1.中铁隧道勘测设计研究院，河南 洛阳 471009；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)



微上台阶开挖法在甘姆奇克隧道岩爆段的应用

焦 雷1，邹 翀1，李红军2，刘洪震1，郭志武2

(1.中铁隧道勘测设计研究院，河南 洛阳 471009；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

为了研究一种既能保证隧道岩爆段施工进度，又能降低围岩能量释放剧烈程度的应力释放方法，结合乌兹别克斯坦安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆大部分出现在拱顶—拱腰段的特征，制定了微上台阶开挖法的应力释放方案。通过数值模拟计算和现场应用效果分析，该方案能够实现拱顶和拱腰处围岩应力的释放和转移，使围岩应力集中区提前得以消散，有效地降低了围岩发生岩爆的程度。同时，通过该方案的初步现场施工实践，证明：相对于其他应力释放措施(如应力释放孔、超前导洞等)，微上台阶法在形成首次微台阶后基本不改变原有施工方案和工序，无额外工期，能够实现连续作业，可为类似工程岩爆防治提供理论依据和有益借鉴。

微上台阶开挖法；甘姆奇克隧道；岩爆

0 引言

岩爆的发生是多种因素共同作用的结果，由于其高度复杂性，至今仍是岩石力学界的世界级难题之一。从国内外研究现状来看，无论是岩爆的判据和分级标准，还是岩爆的预测方法和防治措施，目前都没有公认的、成熟的理论和方法。在分析、总结前人研究成果的基础上，针对工程的具体特点提出相应的岩爆判据和分级标准、岩爆预测、预报方法和综合防治措施仍然是目前控制岩爆的主要途径[1-2]。

隧道和地下洞室施工中岩爆的防治，目前国内外采取的措施主要有：1)在掌子面和洞壁经常喷洒冷水，降低表层围岩强度；2)控制光面爆破效果，减小围岩表层应力集中；3)采取超前钻孔、松动爆破或振动爆破等方法解除应力，使岩体应力降低,在开挖前释放部分能量；4)根据岩爆的程度施作适宜的支护。

胡威东等[3]在总结锦屏辅助洞岩爆规律的基础上，分析了影响岩爆特征的主要因素，并针对岩爆烈度分级探讨了岩爆综合防治措施；李忠等[4]根据重庆陆家岭隧道施工中发生的岩爆，从地质工程角度提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等岩爆防治措施；吕庆等[5]从隧道围岩的岩体特征和初始应力场2方面着手，对苍岭隧道岩爆的发生进行了探讨；汪波等[6]从应力释放方法探讨了隧道岩爆预测的数值分析及初期支护时机；邱道宏等[7]运用可拓理论对深埋隧道的岩爆防治措施进行了研究；汪洋等[8]针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点，提出采用快速应力释放的方法防治岩爆，并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案；吴德兴等[9]结合室内岩石试验和不同岩爆判据，得出了勘察设计阶段本区将产生低—中等岩爆的结论，并在设计中提出了相应的对策；张文东等[10]将微震监测技术应用于引水隧洞工程施工中，实现对微震活动的全天候连续监测分析，并对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨；杨健等[11]采用单向和三向应力状态下的岩石声发射测试技术，对不同岩性岩石的岩爆机制进行了系统的试验研究；吴文平等[12]提出了针对有岩爆倾向性洞段的调控策略，如优化循环进尺、断面尺寸与形状、应力爆破孔深和吸能锚杆长度等，有效地降低了深埋硬岩隧洞开挖过程中围岩能量释放的剧烈程度，减小了岩爆风险。

尽管这些研究在岩爆的形成、发生机制及防治措施上取得了进展，但都没有从根本上解决隧道岩爆问题，特别是在本文依托的安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆基本都出现在拱顶—拱腰段，采用超前导洞、超前应力释放孔等常规的岩爆防治措施对施工进度影响较大。鉴于此，制定了微上台阶开挖法的应力释放方案，该方法在形成首次微台阶后基本不改变原有施工方案和工序，无额外工期，能够实现连续作业。通过数值模拟计算和现场应用效果分析，验证了微上台阶开挖法在甘姆奇克隧道岩爆治理中的可行性。

1 工程概况

有“中亚第一长隧”之称的甘姆奇克隧道是安琶铁路全线的控制性工程，由主隧道和安全隧道组成，主隧道长19 200 m，安全隧道长19 268 m，两隧中心距离29 m，隧道最大埋深1 275 m，埋深超过700 m的地段总长达7 km。隧道大埋深地段围岩为石英斑岩、花岗斑岩、花岗正长岩等脆性岩层。隧址区地质构造主要在海西造山运动时形成，其后，受阿尔卑斯山造山运动以及地质构造运动的影响，隧址区发育了与隧道轴线基本平行或呈小角度相交的西北走向大断裂带。Ⅲ级围岩隧道断面形式如图1所示。开挖面积46.4 m2，微台阶法试验段隧道埋深400 m左右。

图1 隧道MⅢa型复合式衬砌断面(单位：cm)

由于安琶铁路甘姆奇克隧道地区无实测地应力资料，所以只能根据区域地质资料进行分析。隧道所在区域的断裂带都是与隧道轴线基本平行或呈小角度相交的西北走向断裂带，隧址区的断层都是倾角大于70°的陡倾逆断层。按照构造地质学中断层的形成机制，隧址区构造应力的方向为：1)水平方向为最大主应力σ1和中间主应力σ2的方向，竖直方向为最小主应力σ3的方向；2)最大主应力σ1的方向与隧道轴线接近垂直，中间主应力σ2的方向与隧道轴线接近平行。

2 安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆特征

从2014年2月隧道进口出现岩爆开始，隧道各工作面相继发生了不同程度的岩爆。岩爆几乎成为该隧道施工中的常态，对施工安全和进度造成了严重影响。

通过对甘姆奇克隧道施工过程中发生的岩爆进行统计分析，总结出岩爆具有以下特征。

1)不同部位岩爆出现次数的统计表明，95%以上的岩爆出现在拱顶—拱腰段，只有少量岩爆出现在隧道边墙，也就说明地应力最大主应力的方向为近水平方向。

2)甘姆奇克隧道岩爆段岩性为花岗闪长岩和正长斑岩，岩块单轴抗压强度Rc≥120 MPa，强度最高的接近200 MPa，属典型的硬岩。

3)岩爆段岩体结构有2种类型：①岩体完整，结构面不发育，岩爆以片状岩块剥落、弹射为主；②岩体发育2组结构面，结构面密闭，其中一组与隧道纵向或横向接近平行，另一组接近水平，以板状岩体弯拆爆出或块状岩石崩出为主。

4)甘姆奇克隧道的岩爆按其形成机制可分为完整岩体的薄片状弹射(轻—中岩爆)、近水平向层状岩体折断崩落(中岩爆)、岩块崩出+周边围岩塌落(中—强岩爆)以及边墙板状岩体折断崩出(强岩爆)4种模式。

3 安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆段应力释放试验研究

由于岩爆是岩石中储存的一种高地应力的释放过程，所以岩爆的治理应以加速这种高地应力的释放或使应力提前释放为前提。本文结合安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆特征和现场施工情况，提出微上台阶开挖试验方法，通过数值计算和现场测试验证，评价该方案的应用效果和优缺点，为现场岩爆段的治理提供技术支持。

3.1 微上台阶开挖法施工方案

在甘姆奇克隧道3#斜井正洞进口方向MK52+476处，隧道开挖后在出渣及支护过程中，岩石崩落现象明显。为此制定了微上台阶开挖法对隧道围岩进行超前应力释放，该方案在施作超前导管加拱架支护后、岩爆仍较强烈的情况下采用。

具体施工方法如下：隧道采用台阶一次开挖法进行施工，为便于施工，上台阶高度同台架的第3层高度，上台阶长度应能保证挖掘机顺利扒渣，施工中采用1 m左右的上台阶(保证能形成台阶，方便上台阶施工)，采用毫秒微差技术，上台阶先于下台阶150 ms爆破开挖进尺2.5 m。台阶布设如图2所示。

图2 微上台阶布设示意图(单位：m)

采用微上台阶法可有效降低拱部岩爆的强度，降低岩爆的发生，分析因素如下。

1)根据弹性理论的计算，隧道外围岩中应力集中最严重的区域为1.5倍的开挖洞径以内，若隧道开挖断面减小，则隧道外围岩中的应力集中区域也会减小，围岩中释放弹性能的区域也会相应减小，有利于抑制岩爆或降低其程度[13]。

2)多数经验研究结果表明，岩爆的发生与切向应力σθ和岩石抗压强度Rc的比值有关，有：

σθ/Rc<0.20(无岩爆)；

0.20≤σθ/Rc<0.30(弱岩爆)；

0.30≤σθ/Rc<0.55(中岩爆)；

σθ/Rc≥0.55(强岩爆)。

式中：σθ为洞室的最大切向应力；Rc为岩石单轴抗压强度。

根据经验，在岩石强度不变的情况下，切向应力降低可减弱岩爆的强度[14]。

3)下台阶开挖过程中隧道围岩应力分布如图3所示。从图3(a)到图3(d)，随着下台阶的开挖，下台阶提供的反作用力逐渐减弱，拱顶受力分析体所受切向应力σθ增大。根据岩爆发生机制，采用如图2所示的台阶法形式，势必会减小拱部发生岩爆的强度。同样道理，减小进尺也会在相对较短的时间内降低拱顶受力分析体所受的切向应力σθ，从而降低拱部发生岩爆的强度[15]。

(a) 下台阶开挖前 (b) 下台阶开挖1/3

(c) 下台阶开挖2/3 (d) 下台阶开挖完成

图3 下台阶开挖过程中隧道围岩应力分布

Fig.3 Stress distribution of surrounding rocks during lower bench excavation

3.2 微上台阶开挖法数值模拟计算

3.2.1 模型建立

选取甘姆奇克隧道3#斜井正洞进口方向MK52+476附近的典型断面进行分析。由于本次分析主要研究微上台阶开挖对围岩应力的释放效果，所以模型采用50 m×50 m×10 m，计算区域划分为29 836个单元，6 418个节点，保证计算结果具有足够的精度。其约束条件如下：两侧边界水平方向约束，铅直方向自由；底部边界铅直方向约束，水平方向自由；顶部为自由表面，上表面根据埋深增加围岩自重荷载。具体模型如图4所示。

图4 整体有限元模型

地应力的施加如下：第1主应力与水平面平行，与隧道轴线接近垂直，σ1=60 MPa；第2主应力与隧道轴线接近平行，σ2=34 MPa；第3主应力沿竖直方向，σ3=26 MPa。

材料参数如表1所示。

表1 隧道围岩及材料基本力学参数

3.2.2 结果分析

图5为微上台阶开挖后围岩最大主应力云图。从图5可以看出，上台阶开挖后，在隧道左右两侧拱肩处形成了有效的应力松弛区，应力松弛区的影响范围达到了隧道轮廓线外5 m左右的深部；此外，隧道拱肩两侧的应力松弛区在环向贯通，隧道开挖完成区域最大主应力值显著减小。同时，从图5还可以看出，在微上台阶左、右侧拱肩处最大主应力由12 MPa左右分别减小至3.1 MPa和4.4 MPa，说明在高围岩应力区域，可以在隧道开挖轮廓内上部先行开挖一个断面较小的上台阶，实现围岩应力释放和转移，进而证明微上台阶开挖法在治理岩爆上的理论可行性。

(a) 开挖前

(b)开挖后

图5 微上台阶开挖后最大主应力等值线分布图(正视图)(单位：kN/m2)

Fig.5 Maximum principal stress contour maps before and after top heading excavation (front view)(kN/m2)

3.3 微上台阶开挖法现场应用效果

在隧道拱部布设孔径为5 cm、孔深为2.5 m、外插角为20°的应力监测孔，用于检验微上台阶开挖法的应力释放效果。采用孔径应变计监测孔内应力变化，孔径应变计放置在孔深2 m处。放炮前安置好应力监测计，然后开始采集数据，采集频率为1次/s，连续采集，至放炮结束后趋于稳定。现场监测图如图6所示。

在埋设时，孔径应变计的2个顶针位于水平方向，从而能够准确测量水平方向的地应力变化，如图7所示。记录起爆时间为采集启动后59 s，900 s后，挖掘机找顶，数据趋于稳定，结束采集。

图8中顶针1和顶针3变化量之和代表竖直方向应力变化所产生的孔径变化量。从图8可以看出，竖直方向钻孔直径变化较小，说明应力释放措施对该方向的地应力影响较小，竖直方向地应力基本无减小。

图6 孔径应变计现场监测图

图7 孔径应变计孔内布设示意图(假定向右、向上变形为正)

图8 顶针1和顶针3应变历时曲线图

Fig.8 Time-dependent strain curves monitored at monitoring thimbles No.1 and No.3

图9中顶针2和顶针4变化量之和代表水平方向应力变化所产生的孔径变化量。从图9可以看出，水平方向顶针2应变量约为8，水平方向顶针4应变量约为6，则水平方向钻孔直径应变为14。根据室内试验标定系数k及地质资料，可计算出地应力减小量。取花岗岩弹性模量为10×104MPa，孔径为0.05 m，k=1.672×10-6，则p=k×14×10.0×104/(4×0.05)=11.7 MPa。

以上监测数据说明采用微上台阶开挖法可以明显降低拱顶和拱肩处的水平方向地应力以及隧道拱部围岩切向应力，对于减弱岩爆的强度有明显的效果。

图9 顶针2和顶针4应变历时曲线图

Fig.9 Time-dependent strain curves monitored at monitoring thimbles No.2 and No.4

现场施工证明：在实施微上台阶开挖法前，掌子面岩爆较为严重，前一循环在钻孔过程中，掌子面出现岩爆现象，崩落渣堆约有150 m3，需采用拱架及小导管支护；实施微上台阶开挖法后，掌子面岩爆现象明显减弱，只需增设超前小导管进行支护。采用微上台阶和短进尺，未改变原有开挖方案，可继续按全断面施工，无额外工期，仅需增加台架与上台阶的连接，就可连续作业，加快了施工速度。

通过现场实践发现，微上台阶法在中岩爆及以下区段具有较好的治理效果，但是对于甘姆奇克隧道的强岩爆及以上区段采取了以下综合防治措施：1)掌子面前方施作超前正面涨壳式中空预应力锚杆，锚杆长度一般为2倍的爆破进尺深度；2)采用超前导洞法和水平地应力隔断法进行超前应力释放；3)采用台阶法施工，开挖循环进尺0.5 m；4)加强光面爆破技术管理，达到开挖周边轮廓线圆顺光滑；5)每循环开挖前，拱部180°范围内打设φ32超前小导管，并进行注浆固结；6)开挖面采用φ32钢管灌注水泥浆，3 m/根，间距2 m×2 m，梅花形布置，1.5 m/循环，浆液比例1∶0.5；7)采用I18a工字钢拱架，间距0.5 m；8)衬砌采用钢筋混凝土，厚度35 cm。

4 结论与讨论

1)针对甘姆奇克隧道岩爆主要受高水平地应力控制，且基本都发生在拱顶—拱腰段的特征，制定微上台阶开挖法的应力释放方案，有效地改变了围岩的应力状态，达到了预防岩爆的目的。

2)采用数值模拟计算和现场应用测试的方法，分析了微上台阶开挖对拱顶和拱肩处围岩应力释放的效果，说明该方案能够实现围岩应力的释放和转移，同时使围岩应力集中区提前得以消散，有效地降低了围岩发生岩爆的可能。

3)通过微上台阶开挖法的初步现场施工实践证明，相对于其他应力释放措施(如应力释放孔、超前导洞等)，微上台阶法在形成首次微台阶后基本不改变原有施工方案和工序，无额外工期，能够实现连续作业。

4)本文所述的微上台阶开挖法适用于中岩爆及以下区段，但对于强岩爆及以上区段，仅采取微上台阶开挖这一措施并不能有效降低强岩爆带来的风险，施工中应根据现场应用效果确定岩爆治理的综合措施(如初期支护加强、爆破设计优化、开挖进尺调整、局部水胀式锚杆施作等)。

下一步应在微上台阶开挖法的适用条件规范化上做深入研究，以进一步提升高地应力岩爆隧道的技术水平。

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Application of Small Cross-section Top Heading Excavation Method to Rockburst Section of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan

JIAO Lei1,ZOU Chong1,LI Hongjun2,LIU Hongzhen1,GUO Zhiwu2

(1.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The small cross-section top heading excavation method is adopted in rockburst section of Qamchiq Tunnel on Angren-Pop Railway in Uzbekistan,so as to guarantee the construction schedule of rockburst section and reduce the stress releasing strength of surrounding rocks.The above-mentioned method can realize the stress releasing and transferring of surrounding rocks at crown top and arch waist,dissipate the stress concentration zone of surrounding rocks,and further reduce the rockburst risk of surrounding rocks.The construction practice shows that the small cross-section top heading excavation method is superior to other methods,such as stress releasing holes and advance heading,in terms of construction efficiency.The results can provide reference for rockburst prevention of similar projects in the future.

small cross-section top heading excavation method; Qamchiq Tunnel; rockburst

2016-05-25;

2016-07-08

中铁隧道集团科技创新计划重大课题(隧研合2014-23)

焦雷(1985—)，男，河南洛阳人，2010年毕业于石家庄铁道大学，岩土工程专业，硕士，工程师，主要从事隧道与地下工程科研和设计工作。E-mail：jiaolei159@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.016

U 455

B

1672-741X(2016)10-1263-06