高地应力双隧道施工围岩应力变化规律数值模拟研究

2022-06-25康跃明

能源与环保 2022年6期

康跃明

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

高埋深隧道具有高地应力、高温、高渗流性等显著性特点，开挖施工会对其安全性产生较大影响。如果围岩应力规律掌握不准确，造成应力积累和突然释放，造成岩爆发生，不仅容易造成经济的损失，而且会使整个隧道陷入困境，甚至造成人员伤亡。因此，开展对高地应力隧道开挖围岩应力研究，不仅可以对围岩应力变化规律有更清晰的认识，而且能为隧道开挖围岩应力理论和支护技术方面提供更可靠、更全面的资料。当前，对于围岩应力研究方法较多，主要包括理论研究、数值分析和实测数据分析等研究。杨友彬等[1]基于位移释放率和应力释放率相近原理，得出体积损失率和应力释放率间转换方法。周飞等[2-5]基于大量现场围岩压力监测数据，分析了作用于初衬支护上的围岩压力，并根据监测结果分析围岩稳定状态；赵勇等[6-8]通过模型试验，对开挖过程中的围岩荷载释放过程进行研究，揭示了不同施工阶段的围岩压力释放率。房倩等[9-12]基于现场监测数据，分析了围岩变形和围岩压力间关系，并得出围岩级别越高，围岩变形值越大。任洋等[13]基于水压致裂法地应力实测数据，对地应力特征和分布规律以及围岩变形进行分析。王飞阳等[14-15]通过模拟研究手段，分析了围岩应力变化规律，得出在应力集中区域易发生岩爆[16-20]。因此，基于模型试验和数值模拟研究隧道开挖进尺对围岩竖向和水平应力的影响规律，根据影响程度来划分影响等级。该研究成果可以较好地用于指导现场施工和岩爆预防工作。

1 工程概况

安石隧道位于凤庆县凤山镇安石村—勐佑镇中河村，隧址区仅有狭窄山路通过，通行条件较差。该隧道区属中山地貌，地形起伏较大，最大埋深约453.11 m。该隧道为分离式特长隧道，双向长度分别为5 338 m和5 263 m。隧址区下伏基岩前半段为燕山期侵入花岗岩，后半段为石英片岩等，残积土及全风化、强风化层厚度大，未见中风化基岩露头。隧址区未见影响隧道稳定的区域性断层等不良地质构造发育，区域地质较稳定隧道围岩中残存的构造应力在隧道开挖中易使坚硬岩石产生岩爆。

2 围岩应力数值模拟结果分析

2.1 数值模型建立

三维有限差分元计算模型如图1所示。其中，Y方向为地铁隧道走向，X方向为垂直隧道走向方向，Z方向为埋深方向。为消除尺寸效应的影响，模型采用1∶1比例建设，模型长100 m、宽150 m、厚410 m。

为精确计算围岩岩层变形，并提高计算的精度，网格采用“1网格/m”划分。分别采用实体单元、衬砌单元和锚杆单元模拟地基岩层、初衬、锚杆支护。模型四周设置为X方向或Y方向的双向约束，Z方向单向约束。

2.2 计算参数选取

岩体本构采用摩尔—库仑本构模型，锚杆和初衬采用线弹性本构模型。基本物理力学指标见表1。

表1 基本物理力学指标Tab.1 Basic physical and mechanical parameters

2.3 施工模拟步骤及监测点布设

工程施工步骤分为3个部分：①左右隧道开挖施工；②初衬施工；③锚杆施工。左右隧道开挖纵向间距50 m。可通过设定网格单元的钝化和激活、边界和荷载条件的施加和消除来模拟具体的施工操作。具体为：①计算初始地应力场，并设置位移清零，消除地应力的影响；②模拟隧道开挖施工；③依次模拟衬砌施工和锚杆施工，此次模拟只考虑隧道开挖和初衬锚杆施工的影响。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 拱腰围岩竖向应力分析

初始应力平衡后应力云图如图2所示。通过分析应力随开挖变化，可得知应力变化表现形式主要可分为3种类型：①“逐渐增大最终趋于稳定型”，对应监测点为1、2、10和11监测点，此表现型主要分布于到隧道周边距离大于10 m以外。造成这种现象的主要原因是随着隧道岩体的开挖，打破原有地应力平衡，应力分散于隧道周边，从而造成大于10 m以外周边岩体应力增加。②“先增加后快速下降再缓慢增加型”，对应监测点为5和6监测点，此表现型主要分布于左右隧道中间岩体。造成这种现象的主要原因是随左隧道岩体的开挖，应力分散于隧道周边和左右隧道中间岩体，从而造成左右隧道中间岩体应力增加，接着当右隧道开挖后打破原有平衡使其左右隧道中间岩体应力快速释放，出现快速下降趋势，当中间岩体逐渐平衡后此时开始承担随左右隧道开挖释放的应力，出现逐渐缓慢增加趋势。③“先增加后快速下降至0型”，对应监测点为3、4、7和8监测点，此表现型主要分布于左右隧道中岩体。由于左右隧道岩体的开挖，工作面越接近于监测点位置，承受的累计应力释放值越大，从而造成应力值逐渐增加，当工作面通过监测点位置，此时隧道中部岩体已开挖，不再承受周围岩体施加的压力，此时应力值为0。

图2 应力云图Fig.2 Stress cloud

2.4.2 拱顶及拱顶上部围岩竖向应力分析

通过分析整个施工阶段不同开挖进尺条件下相对应的拱顶及拱顶上部岩层竖向应力。得知，竖向应力表现形式主要可分为3大类：①“简易型”。对应测线A和测线B，2条测线上测点变化趋势相同，都为逐渐增加到稳定，此测线分布于隧道拱顶150 m以上岩层。②“较复杂型”。对应测线C、测线D和测线E，测线C测点表现形式有2种，逐渐增加后逐渐下降、逐渐下降后逐渐增加。测线D和测线E上测点表现形式有3种，逐渐增加后逐渐下降、逐渐下降后逐渐增长、逐渐下降到平稳。③“复杂型”。对应测线F，测线F上测点表现形式有3种，逐渐增加后逐渐稳定、逐渐增加后突然下降到基本稳定和逐渐增加到较快速下降再逐渐增加到稳定。此测线位于拱顶上方位置，应力释放对其影响程度最大，造成岩层竖直应力快速释放再到平衡。

通过以上分析可知，拱顶上方0～50 m岩层属于应力释放“高影响区”，此部分岩层受其影响程度较大，应力释放值较为突出，此部岩层的稳定程度决定其隧道的稳定状态。拱顶上方50～150 m岩层属于应力释放“次影响区”，此部分岩层受其影响程度无高影响区大，应力释放值也变形较缓。拱顶上方150 m以上岩层属于应力释放“缓影响区”，此部分岩层受其影响程度可忽略不计，对其岩层的稳定性和隧道的稳定几乎无影响。

3 围岩应力相似模拟结果分析

3.1 相似模拟试验平台建立

试验采用地下工程综合模拟二维试验台，试验台长1 200 mm、宽800 mm、高1 000 mm。相似模拟平台如图3所示，此模拟平台包含应力监测系统和降雨模拟系统。

图3 相似模拟平台Fig.3 Similar simulation platform

3.2 相似材料配比

设计模型高度为60 cm(实际岩层总厚度为400 m)，其中强风化碎屑花岗岩岩层高度为40 cm，相似模拟强风化碎屑花岗岩高度为6 cm，花岗岩岩层高度为360 m，相似模拟强风化碎屑花岗岩高度为54 cm。相似模拟骨料为砂子，胶结物采用水泥。强风化碎屑花岗岩采用细砂∶石灰∶水配比为12∶1∶1；花岗岩采用细砂∶石灰∶水配比为10∶5∶1。

3.3 施工模拟步骤和传感器布设方案

工程施工步骤分为3个部分：①先开挖右隧道20 cm；②开挖左隧道10 cm、右隧道10 cm；③以此开挖逐渐完成，开挖采用钻头模拟开挖，现场开挖如图4所示。此次总共布设3条纵断面监测线，每条纵断面监测测线公布设8个土压力传感器，其中拱

图4 现场开挖示意Fig.4 Site excavation diagram

腰位置传感器监测水平应力，拱顶和拱顶上方监测竖向应力，监测点布设如图5所示，监测线横向布设如图6所示。

图5 监测点布设Fig.5 Layout of monitoring points

图6 监测线横向布设示意Fig.6 Schematic diagram of horizontal layout of monitoring line

3.4 模拟结果分析

3.4.1 拱腰和拱顶围岩应力分析

整个施工阶段不同开挖进尺条件下相对应的拱顶岩层竖向及拱腰水平应力分布曲线如图7所示，总共18个监测点。可见，位于开挖工作面侧前方拱顶竖向应力随工作面开挖表现为增大趋势，对应监测点为502、511和520，且对离开挖面较近的侧方围岩拱顶应力影响最大，越远影响程度呈现下降趋势；位于工作面前方拱顶竖向应力随工作面开挖表现为下降趋势，对应监测点为505、514和523，且对离开挖面较近的前方围岩拱顶应力影响最大，越远影响程度呈现下降趋势。位于开挖工作面侧前方拱腰水平应力随工作面开挖表现为下降趋势，对应监测点为501、503、510、512、519和521，且对离开挖面较近的侧方围岩拱腰水平应力下降速率较大；位于工作面前方拱腰水平应力随工作面开挖表现为下降趋势，对应监测点为504、506、513、515、522和524，越远影响程度呈现下降趋势，且拱腰水平应力由于受开挖的影响，多表现为波浪型波动，总体表现为下降趋势。

3.4.2 拱顶上部围岩竖向应力分析

整个施工阶段不同开挖进尺条件下相对应的拱顶上方岩层竖向应力分布曲线如图8所示，总共8个监测点。

图8 拱顶上方应力曲线Fig.8 Stress curve of above vault

由图8可知，位于开挖左右隧道拱顶上方中间部位的岩体随左右隧道的开挖，竖向应力整体呈现增大趋势，对应的监测点为508传感器和517传感器；位于开挖左右隧道拱顶上方部位的岩体随左右隧道的开挖，竖向应力整体呈现波动趋势，右隧道开挖会造成左隧道上方岩层竖向应力出现增大趋势，左隧道开挖会造成右隧道上方岩层竖向应力出现增大趋势。