某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件下岩爆破坏特征及支护方案研究

2023-09-21郭新强肖逸飞

西北水电 2023年4期

郭新强, 张宇, 张伟, 肖逸飞, 陈诚

(1. 新疆水利发展投资(集团)有限公司,乌鲁木齐 830000;2. 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,沈阳 110819;3. 东北大学辽宁省深部工程与智能技术重点实验室,沈阳 110819)

0 前言

岩爆是在开挖或其他外界扰动下,地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放,导致围岩爆裂、弹射的动力现象,具有很强的突发性、随机性和危害性[1-4]。随着中国“一带一路”、“南水北调”以及“西水东引”等项目的实施,越来越多的地下工程开始向深部进军。随着埋深和地应力水平的增加,开挖引起的岩爆灾害频次更高、造成的经济损失更加严重,给相关的深埋地下工程施工带来了前所未有的挑战。开展岩爆防控与设计研究,对于保障深埋隧洞安全、经济施工具有重要意义。

近年来,随着越来越多的深部工程的实施,岩爆防控已成为重要的研究热点。许多学者针对深埋硬岩工程岩爆防控方法提出了相应的解决办法。锦屏二级水电站引水隧洞掘进期间岩爆频发,严重威胁现场施工人员的安全,冯夏庭等[5]基于现场微震监测信息和现场原位综合测试提出了“三步走”策略,即“减能、释能和吸能”,该方法已在锦屏二级引水隧洞取得显著成效;谢文清等[6]基于岩爆预警及超前防控思想,建议采用超前应力解除、钻孔应力释放以及喷洒水等措施降低岩爆风险,对于岩爆区域建议采用预应力锚杆等被动防护措施。李桂林等[7]通过统计岩爆的宏观滞后破坏特征、形成方位与扩展情况,结合微震监测与围岩松弛程度,探讨了滞后型岩爆的孕育特征与机制。锚杆作为岩爆防控不可缺失的环节,相关研究已取得较为丰硕的成果,如屈服锚杆理念[8]、NPR吸能锚杆[9]、柔刚性可伸缩锚杆[10]等。此外,基于围岩损伤区测试的锚杆设计方法对现场岩爆防控支护设计起到重要作用。1970年开始,董方庭[11]等开展开挖损伤区(Excavation Damage Zone, EDZ)测试工作,并将松动圈用于表征围岩中发展的破裂区,提出了以松动圈深度为依据的隧洞围岩支护方法;随后越来越多的学者进行了大量的理论和现场监测研究,陈炳瑞等[12]在锦屏二级水电站深埋引水隧洞开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究了开挖过程中围岩损伤的演化规律,为建立现场支护方案提供了数据支持,Cai[13]等基于微震监测的裂纹分布和密度等参数,研究了围岩开挖损伤程度,研究成果能够有效指导现场施工及支护;李奥[14]、刘宁[15]、Martin[16]等人采用微震监测、声发射、地质雷达、声波探测、钻孔摄像等技术手段分别对地下洞室、隧道和巷道围岩EDZ进行了监测测试,评估其范围和损伤程度,并提出了相应的围岩支护意见。上述分析表明,虽然当前已建立了区分岩爆等级的围岩防控设计方法,但是即使岩爆等级相同,不同围岩等级条件下岩爆区破坏特征有显著差别,因此有必要开展不同类别围岩条件下岩爆区域防控方案研究。

本文分析某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件中等岩爆区破坏特征,采用数值模拟及声波测试分析不同围岩类别中等岩爆区的应力及损伤特征,建立区分围岩条件的中等岩爆区防控支护方案,并进行了验证,为类似工程的支护设计提供参考。

1 工程背景

某深埋TBM引水隧洞下游洞段岩性以华力西期黑云母花岗岩为主,隧洞最大埋深约720 m,隧洞洞径7 m。地应力测试表明,地应力以最大水平主应力为主,围岩完整性较好,以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主,断层带及影响带为Ⅳ、Ⅴ类围岩,其中Ⅱ、Ⅲ类围岩长16.373 km,占该段总长的89.17%;Ⅳ类围岩长1.941 km,占该段总长的10.57%;Ⅴ类围岩长0.048 km,占该段总长0.26%。勘察设计资料显示,该引水隧洞下游岩爆段占比约90%,以轻微～中等岩爆为主。现场地应力测试结果表明,隧洞自地表150～720 m深度内,最大水平主应力6.6～36.0 MPa,最小水平主应力5.7～22.8 MPa,隧洞围岩应力以水平应力为主,最大主应力方向N23°E,与隧洞洞轴线夹角约34°～65°,隧洞地应力环境可整体近似为σH>σV>σh。

迄今为止,该隧洞下游掘进期间岩爆频发,已开挖洞段以中等岩爆为主,中等岩爆洞段长度占总岩爆段长度62.4%。针对中等岩爆洞段,预设计支护方案为拱架+锚杆+钢筋排,过度的支护措施造成工期延误和严重的经济损失,因此,有必要开展中等岩爆段防控设计方案研究。

2 不同围岩类别中等岩爆区破坏特征

2.1 不同围岩类别中等岩爆区破坏特征

某深埋TBM隧洞开挖期间围岩完整性整体较好,岩爆发生区域主要为Ⅱ、Ⅲ类围岩,掘进期间,不同围岩类别区域岩爆破坏特征呈现显著区别,岩爆等级根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》进行划分:轻微岩爆爆坑深度为0.1～0.3 m,中等岩爆爆坑深度为0.3～1.0 m;强烈岩爆爆坑深度为1～3 m。

Ⅱ类围岩中等岩爆及其地质特征如图1所示。K228.00+565.00 m～K228.00+566.00 m洞段10点钟方位发生中等岩爆,呈深“V”型爆坑,爆坑尺寸为3.00 m×2.00 m×0.36 m(长×宽×深),爆落岩石呈片状、板状,爆坑内壁粗糙,无结构面揭露,隧洞围岩岩性为花岗岩,岩体完整性较好,干燥无渗水,无风化锈蚀痕迹,为Ⅱ类围岩,现场采用钢拱架支护。

图1 Ⅱ类围岩中等岩爆及其地质特征

Ⅲa类围岩中等岩爆及其地质特征如图2所示。K230.00+377.00 m～K230.00+380.00 m洞段11点～1点附近发生中等岩爆,爆坑深度0.5 m,规模为3.5 m×2.5 m×0.5 m(长×宽×深),爆坑附近发育2条结构面,其一产状为340°∠65°,含白色钙质薄膜充填,充填厚度为1～3 mm,其二产状为 340°∠50°,含白色钙质薄膜充填,充填厚度为1～2 mm,爆坑内部呈片状、薄板状,围岩岩性为含红色、黄色的黑云母花岗岩,干燥无渗水,围岩等级为Ⅲa。现场采用钢拱架支护。

图2 Ⅲa类围岩中等岩爆及其地质特征

Ⅲb类围岩中等岩爆及其地质特征如图3所示。K229.00+929.00 m～K229.00+931.00 m洞段10点半～1点半钟附近发生中等岩爆,爆坑尺寸为2.0 m×5.0 m×0.7 m(长×宽×深),爆坑附近发育3条结构面,结构面1产状为170°∠80°,含白色钙质薄膜充填,充填厚度为1～2 mm,结构面2产状为N150°E∠90°,含白色钙质薄膜充填,充填厚度为1～2 mm,结构面3产状为N150°E∠90°,锈蚀充填,充填厚度为1～2 mm,爆坑内部呈片状、薄板状破坏,围岩岩性为含红色、黄色的黑云母花岗岩,干燥,围岩等级为Ⅲb。现场采用钢拱架支护。

统计分析了不同围岩类别下中等岩爆区爆坑深度(见图4)。由图4可知,Ⅲb类围岩岩爆区域破坏深度最深,破坏范围最广,多为隧洞上半洞的大面积岩爆,现场中等岩爆爆坑平均深度为0.58 m,爆坑平均体积为2.38 m3;Ⅲa类围岩中等岩爆爆坑平均深度为0.45 m,爆坑平均体积为1.18 m3;Ⅱ类围岩破坏深度最浅,破坏范围最小,仅局部发生岩爆,中等岩爆爆坑平均深度为0.32 m,爆坑平均体积为0.13 m3。结合上述分析与更多岩爆案例,无结构面时,爆坑多为“V”型或浅窝状,爆坑深度相对较低。当存在结构面时,由于岩体强度有所降低,爆坑深度增加,爆坑多为“V”型或不规则形状。基于上述认识,不同围岩类别与结构面条件下中等岩爆区域破坏特征有显著区别,因此有必要针对不同围岩类别下中等岩爆区开展支护方案研究。

图4 不同围岩类别下中等岩爆区爆坑深度

2.2 数值计算

为分析深埋隧洞TBM开挖情况下不同围岩类别中等岩爆区的应力及损伤特征,利用冯夏庭等[17-18]研发的工程岩体破裂过程细胞自动机分析软件CASRock,对上述案例中等岩爆区域开展数值计算,分析了不同围岩类别应力分布特征及损伤区范围。由于岩爆主要发生在Ⅱ类、Ⅲa类以及Ⅲb类,因此本文不对Ⅳ类和Ⅴ类围岩开展数值计算研究。

根据现场地质条件,采用笛卡尔坐标系,建立数值计算模型。如图5所示,其中x轴为隧道开挖方向,y轴垂直于隧道开挖方向,z轴为竖直方向。通过室内真三轴岩石力学试验获取了硬岩三维破坏准则相关参数(黏聚力c、内摩擦角φ、材料参数s和t),不同围岩类别基本力学参数如表1所示。通过坐标转换计算得新坐标系下地应力分量值(见表2),数值计算采用深部工程硬岩三维非线性破坏准则[19]和应力诱导各向异性脆延破坏力学模型[20]。

表2 数值模型初始地应力状态

(1) 损伤区分析

分别计算了Ⅱ类、Ⅲa类和Ⅲb类围岩开挖后隧洞围岩塑性区分布,用以分析不同类别围岩损伤区分布特征,如图6所示。塑性区主要分布于9～12点半和3～6点半方位,由图可知,Ⅱ类围岩3、9点及11点塑性区深度分别为0.3、0.3 m及 0.6 m,Ⅲa类围岩3、9点及11点塑性区深度分别为0.4、0.4 m及 1.0 m,Ⅲb类围岩3、9点及11点塑性区深度分别为0.6、0.6 m及 1.5 m。基于上述数值模拟结果,不同围岩类别不同断面位置的塑性区深度如表3所示。

表3 不同位置围岩塑性区

图6 不同围岩类别塑性区计算结果

由图6、表3可知,TBM隧洞下游开挖后,围岩破坏区主要分布于9点半～12点钟和3点半～6点钟方位。此外,Ⅱ类围岩最大塑性区深度0.6 m,Ⅲa类围岩最大塑性区深度为1.0 m,Ⅲb类围岩最大塑性区深度为1.5 m。塑性区深度一般大于损伤区深度,二者成正比关系。由此不同围岩等级开挖条件下,损伤区范围及深度均有明显不同,损伤区范围整体表现为Ⅲb类>Ⅲa类>Ⅱ类。

(2) 应力场计算结果

图7为隧洞不同围岩类别开挖后最大主应力分布云图。图8为现场破坏在断面上的分布。图9为隧洞11点方位,距离隧洞表面不同距离的最大主应力。

图7 不同围岩类别最大主应力分布

图8 现场破坏分布

图9 11点位置与隧道表面不同距离的最大主应力

由图6～9可知,隧洞开挖后最大主应力主要集中在9点半～12点钟和3点半～6点钟方位,与塑性区及现场破坏位置相对应;Ⅱ类围岩、Ⅲa类围岩和Ⅲb类围岩最大主应力分别为63.9、60.9 MPa和56.7 MPa,即随着围岩质量逐渐降低,应力集中程度降低;此外,Ⅱ类围岩、Ⅲa类围岩和Ⅲb围岩最大主应力分别分布于与隧道表面距离0.49、0.83 m和1.25 m的位置,即随着围岩质量降低,最大主应力分布位置逐渐远离隧洞围岩表面,应力向围岩内部转移;从最大主应力分布范围来看,Ⅲb围岩最大主应力最小,但集中范围最大,表明Ⅲb围岩中破坏分布范围更大。

2.3 损伤区测试及结果分析

围岩损伤的存在会影响岩体的力学特性,进而影响围岩整体稳定性,开挖损伤区也是确定围岩支护参数尤其是锚杆支护参数的重要依据。为进一步验证数值模拟结果,明确该隧洞开挖损伤深度特征,在上述不同围岩类别的岩爆案例附近围岩开展损伤区测试。单孔声波测试原理图及设备如图10所示。通过发射换能器发出弹性波,利用2个接收换能器接收到信号的时间差计算波速在围岩中的速度,分析钻孔不同深度的波形变化,从而评估岩体的损伤程度[11]。

图10 声波测试原理及设备

声波钻孔布置于9点与3点位置,钻孔深度2 m,由于TBM设备构造原因,采用上倾孔,钻孔垂直与洞轴线,倾角约30°。

在Ⅱ类围岩段开展了2个断面的声波测试实验,声波测试位置为K228+659.00 m断面3点钟方位。K228+659.00 m附近发生了一次中等岩爆(Ⅱ),爆坑深度0.35 m。图11(a)为K228+659.00 m声波测试布置,该洞段附近分布有零星结构面。需要注意该洞段发生了中等岩爆,声波钻孔布置于爆坑边缘,破坏深度0.35 m。图11(b)为Ⅲa类围岩条件下声波测试实验,声波测试位置为K228+753.00 m断面。该声波测试洞段围岩局部结构面较发育,钻孔布置于结构面旁的3点位置,测控附近发生一次中等岩爆,爆坑深度约0.58 m。图11(c)为在Ⅲb类围岩段开展的一次声波测试实验,声波测试位置为K228+812.00 m。该洞段结构面发育,钻孔布置于结构面旁的3点与9点位置。

图11 不同围岩类别断面钻孔分布

表4为深埋TBM隧洞下游损伤区测试结果汇总。由表4可知,随着围岩类别的下降,围岩损伤深度增加,在完整性好的Ⅱ类围岩洞段,3点与9点位置损伤区深度为0.3 m,在岩爆深度和范围较大区域,Ⅲa类围岩洞损伤区为0.5 m,Ⅲb类围岩洞段3点与9点位置损伤区深度为0.6 m。

表4 损伤区测试结果汇总

3 不同围岩类别中等岩爆区锚杆支护方案及其验证

3.1 不同围岩类别中等岩爆区支护方案

前文详细分析了损伤区和最大主应力集中区域深度,并通过现场声波测试进行了验证。已有研究表明,不同围岩类别岩爆区进行支护时,锚杆长度应超过应力集中区深度和松弛区深度,达到弹性区,因此基于上述分析结果和已有认识建立了不同围岩类别中等岩爆区支护方案(见表5),并对锚杆长度进行了优化。需要说明Ⅲb围岩类别下,其应力集中范围和破坏深度更大,采用锚杆支护时应考虑相应的锚杆排列方式,同时增加锚杆布置密度,以达到围岩锚固效果。

表5 不同围岩类别中等岩爆区具体锚杆支护方案

3.2 不同围岩类别中等岩爆区支护方案验证

为进一步验证上述不同围岩类别中等岩爆区支护方案的可靠性,在某深埋TBM隧洞不同围岩类别中等岩爆区域开展支护试验验证。图12分别为在Ⅱ、Ⅲa类和Ⅲb类围岩中发生的岩爆,爆坑如图所示。上述围岩类别对应爆坑尺寸(长×宽×深)分别为0.68 m×1.54×0.35 m、1.50 m×2.30 m×0.43 m和2.20 m×2.90 m×0.55 m,现场以薄片状和厚板状破坏为主。