基于岩爆预测的软硬岩交界带隧道掘进方向比选研究*

2023-08-14刘永福周子寒蒋长伟

施工技术(中英文) 2023年13期

刘永福,周子寒,蒋长伟

(1.中铁十二局集团有限公司,山西太原 030024; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031)

0 引言

对于深埋、长大山岭隧道,硬脆性围岩在高地应力环境下,随着开挖卸荷,赋存在岩体内的应变能瞬间释放并伴随岩块射出。岩爆现象具有突发性和随机性特征,难以掌握其发生时机,且一旦发生岩爆将会对施工安全造成极大的危害[1-2]。

前人对岩爆问题已开展了大量研究,张镜剑等[3]对国内外岩爆现象的大量工程实例进行了报道,介绍了一些较为常用的岩爆判据,并对岩爆防治提出了建议。马春驰等[4]提出与围岩直接接触的初支结构类型和刚度影响着破裂及微震活动的特征、机制,基于巴陕高速米仓山隧道岩爆现象及微震监测成果,建立了支护结构影响下岩爆前兆预警判据。与此同时,基于现场原位地应力钻孔实测数据进行隧址区初始地应力场反演分析,结合反演结果对隧道开挖发生岩爆进行预判,成为指导现场防治岩爆的切实可行办法。汪波等[5-8]基于苍岭隧道隧址区初始地应力场反分析结果,从隧道掘进方式、掘进后围岩应力重分布实际情况出发,对岩爆进行了预测,但其地应力反演结果为区间值,反演精度仍需提高。严健等[9]以川藏铁路桑珠岭和巴玉隧道为依托,通过地应力三维反演分析,对隧道高地温、高地应力条件下岩爆孕育特征进行了研究。随着国家基础设施建设重心向西部转移,在西部复杂的地质条件下,初始地应力场呈现出不规律分布的特征。李科等[10]探讨了断裂扰动区地应力场分布情况,提出该区域地应力表现出不均匀特性,地应力的量值及方向均会发生较大变化。张敏等[11]总结出川藏铁路复杂地质条件下断层破碎带区域内竖向主应力骤减的规律。

我国西部区域地质构造运动频繁,复杂地质条件如断层、褶皱等分布密集,地应力分布差异性较大,容易造成某一区域地应力较为集中,岩爆的不确定性更为突出,其中尤以侵入岩地层最为显著。侵入体经过地壳张力作用挤入围岩层间空隙中,在侵入体前沿区域形成软硬岩交界面,交界面处硬岩区域地应力集中现象明显,岩爆风险突出[12]。对于软硬岩交接段施工力学特性成为近年来的研究热点,张照太等[13]对高埋深软硬岩互层TBM岩爆段施工方法进行了研究。王道远等[14]探讨了硬岩、软岩、软硬岩交界不同地质条件下,减震缝设置减震技术的差异性。申玉生等[15]提出软硬岩交界面倾角的改变会对隧道结构动力响应特性产生影响。

由此可见,对于岩爆问题,以往主要对岩爆发生前兆及特征、岩石储能规律为出发点对岩爆倾向性的判据进行研究。而对于侵入岩地层复杂地质条件下,软硬岩交界区段不同掘进方向的施工力学行为对岩爆倾向性影响的研究还鲜见报道。结合文献关于花岗质侵入岩初始地应力分布规律的结论,本文以花岗质侵入岩隧道为依托,基于水压致裂法实测地应力为依据反演隧址区初始地应力场结果,对侵入体前沿软硬岩交界区域不同掘进方向对岩爆倾向性的影响进行了研究,研究结果对本工程及类似工程设计、施工提供了理论支持。

1 工程概况

1.1 地形地貌及地层岩性

某花岗质侵入岩隧道纵向长约7 200 m,埋深最大处约为467 m。其中ZK397+900—ZK394+500段围岩以花岗闪长岩(硬岩)为主,而ZK394+500—ZK390+755段穿越地层岩性主要为泥岩、砂岩(软岩),隧道纵向在临近花岗岩侵入体区域,地层岩性发生剧烈改变,为硬、软岩交界带(见图1)。对于硬岩一侧围岩强度比值较低,存在发生岩爆的危害,因此基于地应力反演结果进行岩爆预测非常必要。

图1 隧址区地质纵断面Fig.1 Geological profile of tunnel site area

1.2 原位地应力测量

通过调研原位地应力测量报告,在ZK395+320位置处(即SK-02钻孔,图2中标出了钻孔位置)利用水压致裂法进行了原位地应力测试,该测点靠近重点讨论的软硬岩交界带区域。原位地应力测量数据如表1所示。

表1 水压致裂法测试初始地应力Table 1 Hydraulic fracturing method to measure initial in-situ stress

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element calculation model

2 地应力反演分析

2.1 多元线性回归反演地应力原理

(1)

2.2 三维数值模型

模型建立在水平面内8 000 m×1 000 m范围,z方向取至隧道轴线下方300 m,通过等高线平面图采用克里金插值法求出高精度地形坐标值建立顶面地表,并导入ANSYS软件中,再通过拉伸顶面并切割完成模型的建立,如图2所示。岩体材料的物理力学参数如表2所示,对以砂岩、泥岩分布的区域岩性参数做了一定的简化,依据2种岩体所占权重,将该区段岩体物理力学参数均设为表3中的砂-泥岩。

表2 岩体物理力学性质参数Table 2 Physical-mechanical parameters of rock masses

表3 实测地应力值与回归反演值对比Table 3 Comparison of measured in-situ stress and regression stress

(2)

式中:σ回归为地应力回归反演值;σ自重为在自重应力场下有限元计算值;σx向构造为水平x向均布挤压构造运动应力场有限元计算值;σy向构造为水平y向均布挤压构造运动应力场有限元计算值;σ剪切构造表示水平面纯剪切构造运动应力场有限元计算值。

2.3 隧道轴线地应力反演结果

基于地应力钻孔的坐标信息查询计算值,再根据式(2)得到钻孔处的回归反演值。表3列出了SK-02钻孔实测值与反演值的对比结果。由表3可知,σH的绝对误差范围为0.5～1.0 MPa,最小相对误差约6.7%,最大相对误差约12.2%。σh的绝对误差范围为0.2～0.6 MPa,最小相对误差约4.0%,最大相对误差约14.6%。σV的绝对误差范围为0.1～0.4 MPa,最小相对误差约2.4%,最大相对误差约6.0%。由此可知,实测值与反演值之间的误差水平较小,反演结果可靠。

基于隧道初始地应力场反演结果,考虑边界效应的误差影响,对隧道轴线初始地应力提取时,除去模型两侧各800 m范围内的计算结果,其分布如图3所示。

图3 隧道沿线原位地应力分布Fig.3 In-situ stress distribution map along the tunnel

由图3可知,竖向应力的分布与山体轮廓线的起伏规律近乎一致,其与埋深正相关;水平主应力的分布与埋深的关联性减弱,仅在岩性单一的条件下与埋深相关,而在软硬岩交界带硬岩一侧应力急剧升高,这与花岗质闪长岩在该区域分布形态有关。3种应力均在软硬岩交界处(ZK394+500)即侵入体前沿区域达到极大值,其中最大水平主应力达11.6 MPa,竖向应力达10.7 MPa。在软硬岩交界处,由硬岩到软岩方向3种应力均出现先增大而后骤减的情况。结合图1,花岗闪长岩在软硬岩交界带横截面积逐渐收窄,较窄区域内侵入体受挤压构造作用更大,应力集中现象突出,而到了软岩一侧随着弹性模量的降低,应力水平下降明显。由此可见,在软硬岩两侧,初始地应力呈现出极大差异,对于长大隧道增设斜井以增加开挖工作面的位置选择时,需要考虑软岩到硬岩开挖和硬岩到软岩开挖方向不同所带来的地应力重分布差异性,因此该区域内不同掘进方向施工力学行为对岩爆倾向性的影响研究十分必要。

3 不同开挖方向岩爆倾向性研究

3.1 隧道开挖三维数值模型

对隧道轴线ZK394+565—ZK394+435软硬岩交界区域建立三维数值模型,如图4所示,模型尺寸沿隧道纵向取130 m,隧道横截面平面尺寸考虑边界效应的影响取至约5倍洞径,为150 m×150 m。为模拟真实开挖条件下岩爆发生情况,按照上下台阶法分布开挖,每一开挖循环掘进2 m。支护结构采用C25混凝土,厚度为20 cm,围岩及支护结构均采用实体C3D4单元,围岩材料设为莫尔-库伦屈服准则,支护结构设定为弹性本构。材料参数如表2所示,其中模型上部按照表2中砂-泥岩材料进行简化。

图4 隧道开挖模拟三维数值模型Fig.4 Three-dimensional numerical model for simulation tunnel excavation

以模型边界初始地应力作为应力边界条件,通过查询对应边界位置的地应力反演结果,施加到模型上。位移边界条件除顶部为自由边界外,其余设为法向约束。模型建立完成后,分为由软岩朝硬岩方向开挖和硬岩朝软岩方向开挖2个工况进行计算,同时对不同开挖方向的名称进行约定,由软岩向硬岩方向开挖简化表示为“软-硬岩”方向开挖,由硬岩向软岩方向开挖简化表示为“硬-软岩”方向开挖。

限于文章篇幅,仅列出了里程ZK394+510花岗闪长岩计算结果中的最大主应力和最小主应力云图如图5所示,其中图5a,5b为软-硬岩开挖的最大、最小主应力云图,图5c,5d为硬-软岩开挖的最大、最小应力云图。

3.2 不同开挖方向施工力学行为对比分析

隧道掘进施工过程实质是对围岩初始地应力扰动并重新分布达到新平衡的过程,在开挖爆破未施作支护体系阶段,围岩由三向应力状态向两向应力状态甚至一向应力状态转变,在高地应力环境下,硬脆岩体容易使储存在内部的高水平能量短时间大量释放。而隧道特殊的侵入岩地层在隧道掘进过程中穿越软硬岩,不同的掘进方向显然会对围岩的地应力重分布造成差异,也就对危害施工安全十分严重的岩爆程度产生影响。

分别选取花岗闪长岩区域内临近软硬岩交界面里程ZK394+510和里程ZK394+520断面作为重点研究的目标断面。提取不同开挖方向下,距断面30 m范围内开挖过程中两个断面的应力计算结果,如图6,7所示。

图6 不同开挖方向30 m范围内ZK394+510断面主应力值Fig.6 Principal stress value of ZK394+510 section within 30 meters in different excavation directions

图7 不同开挖方向30 m范围内ZK394+520断面主应力值Fig.7 Principal stress value of ZK394+520 section within 30 meters in different excavation directions

由图6a可知,距ZK394+510断面30～0 m开挖,目标断面的最大主应力量值在前20 m分布稳定,增幅较小。10～0 m范围内的开挖,目标断面的最大主应力值变化加快,拱脚呈现出增大的趋势,其中软-硬岩开挖方向由5.39 MPa增至5.94 MPa,增长幅度为10.2%;硬-软岩开挖方向由5.38 MPa增加到6.84 MPa,增长幅度为27.1%,是软-硬岩开挖方向的2倍左右。不同开挖方向,ZK394+510断面拱顶处随开挖掘进过程的最大主应力差异更加明显,软-硬岩开挖10～0 m范围时,目标断面拱顶由5.61 MPa急剧减小到1.63 MPa;硬-软岩开挖,该值由5.19 MPa增大至5.97 MPa后又减小到5.51 MPa,在最后2个开挖步出现了小幅度减小的迹象。因此可以看出对于拱顶,不论开挖方向如何,最大主应力量值均有先增大后减小的趋势,只不过软-硬岩方向在最大主应力增长到10 m时开始减小,而硬-软岩方向在最大主应力增大到2 m时开始减小,方向的改变使这个过程推迟了4个开挖循环。

图6b为ZK394+510断面最小主应力的变化情况,从图中可知,2个开挖方向下,拱顶、拱脚的最小主应力均随开挖掘进而增大。表4,5列出了距目标面10 m开挖至0 m,目标断面的主应力量值大小和变化幅度,可以看出,拱脚位置硬-软岩开挖方向增长幅度是软-硬岩开挖方向的1.74倍;拱顶位置硬-软岩开挖方向增长幅度是软-硬岩开挖方向的2.16倍。ZK394+520断面较前面ZK394+510断面更加远离软硬岩交界带,其主应力变化情况较为类似。其中,最大主应力在15 m位置处开始变化加快,较ZK394+510断面更早。在10 m范围内,硬-软岩拱脚最大主应力增长幅度为24.3%,软-硬岩增长幅度为6.1%,这2个值均小于ZK394+510断面。同时,拱顶位置硬-软岩减小幅度更加明显,在前5个开挖循环就开始变小。最小主应力的变化情况同样说明硬-软岩开挖方向对应力状态影响更大。

表4 ZK394+510断面拱脚最小主应力量值Table 4 The minimum principal stress value of ZK394 + 510 section’s arch foot

表5 ZK394+510断面拱顶最小主应力量值Table 5 The minimum principal stress value of ZK394 + 510 section’s vault

综上可知,硬-软岩开挖方向造成围岩应力状态变化更加剧烈,对围岩的扰动更大,这一现象在开挖越靠近软硬岩分界带,变化越剧烈。同时对于拱顶、拱脚两处主应力量值的极大值,硬-软岩方向开挖均大于软-硬岩方向开挖,ZK394+510断面硬-软岩为18.4 MPa,软-硬岩为14.7 MPa;ZK394+520断面硬-软岩为17.9 MPa,软-硬岩为14.2 MPa;越靠近软硬岩交界带该值越大。

图8为位移的变化情况,可以看出,在拱顶、拱底、拱腰处选择软-硬岩开挖的位移量比硬-软岩开挖更大,拱顶位移增加了1.5～1.8倍,拱腰位移增加了1.3～2.1倍,拱底位移增加了1.1～1.4倍;其中开挖方向的改变对拱顶沉降的影响最为明显,其次是拱腰收敛,对拱底隆起的影响最小;而同样可以发现,越接近软硬岩交界带位移量越大。

图8 不同开挖方向位移变化Fig.8 Displacement changes in different excavation directions

3.3 不同开挖方向岩爆倾向性分析

2个目标断面的应力计算结果均表明,掘进方向的选择对隧道开挖应力重分布的影响重大,由此可以推断,选择合理的开挖掘进方向将会对岩爆严重程度产生影响。

采用陶振宇判据[17]及卢森判据[8](见表6)分别对ZK394+520—ZK394+500段共计11个断面在不同开挖方向下的岩爆发生可能性及程度进行分析。该区域内岩体主要为花岗闪长岩,根据地勘资料,岩体单轴抗压强度为84.9 MPa。

表6 岩爆判据Table 6 The criterion of the rockburst

陶震宇岩爆预测结果如图9a所示,从图中可知,接近软硬岩交界带硬岩一侧,在高地应力作用下花岗闪长岩会发生中等以上岩爆,其中硬-软岩开挖主应力极值比软-硬岩开挖大2.8～9.8 MPa。硬-软岩开挖发生中等岩爆的断面有5个,发生强烈岩爆的断面有6个;软-硬岩开挖发生中等岩爆的断面有8个,发生强烈岩爆的断面有3个,由此可知选择硬-软岩开挖大大提高了岩爆发生的严重程度。统计11个断面的陶振宇系数发现,硬-软岩开挖的陶振宇系数平均比软-硬岩开挖减小了0.4。

图9 不同开挖方向岩爆预测Fig.9 Rockburst prediction in different excavation directions

图9b展示了卢森岩爆判据的结果。由图可知,卢森判据预测的岩爆程度小于陶震宇判据。不论是硬-软岩掘进还是软-硬岩掘进均未有强烈岩爆出现。但是,卢森判据的预测结果仍然表明,硬-软岩掘进的岩爆程度较软-硬岩掘进更加强烈。硬-软岩掘进所有11个断面的预测结果均为中等岩爆,然而,软-硬岩掘进仅5个断面发生中等岩爆,另外6个断面仅发生低岩爆。