大相嶺淤泥山隧道開挖巖爆防治技術(shù)研究

大相嶺淤泥山隧道開挖巖爆防治技術(shù)研究

1大相嶺思想隧道概況巖爆是一種堅硬的巖石，在一定的應(yīng)力環(huán)境下，聚集的適應(yīng)性能力大于克服巖石破壞吸收的能量，導(dǎo)致巖石突然斷裂、破壞或破壞，通常伴隨著巖漿巖變質(zhì)能力的突然釋放，這往往導(dǎo)致大腿骨附近的嚴(yán)重破壞、設(shè)備破壞和人員破壞。這是巖石工程領(lǐng)域尚未解決的世界難題。大相嶺泥巴山隧道為雅安—瀘沽高速公路的控制性工程,位于四川省雅安市滎經(jīng)縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(qū),為分離式雙洞單向交通隧道。上行長10007m,進(jìn)口里程為YK53+773,出口里程為YK63+780;下行長9946m,進(jìn)口里程為YK53+804,出口里程為YK63+750。隧道有5000m以上長度的埋深約超過1000m,屬于深埋特長越嶺公路隧道。隧道穿越的主要地層為震旦系流紋巖和安山巖,該類巖石為硬脆性巖石。隧道圍巖以Ⅲ~Ⅳ級為主,其洞身段地應(yīng)力高,隧道開挖時巖爆時有發(fā)生。本文以該工程為背景,重點探討采用錨噴支護(hù)防治巖爆的工程措施,以期指導(dǎo)隧道施工,為類似工程提供借鑒。2巖爆石雕力學(xué)分析2.1巖爆段的施工是否會發(fā)生巖爆國內(nèi)外大量的地下洞室施工的巖爆實錄資料表明,采用不同的施工方法開挖后的效果是完全不一樣的,如秦嶺隧道在采用礦山法施工時發(fā)生巖爆,而采用掘進(jìn)機(jī)法施工卻不發(fā)生巖爆。但是,掘進(jìn)機(jī)法往往受地質(zhì)條件限制,也不是任何情況下都是經(jīng)濟(jì)合理的。采用鉆爆法施工時,控制掘進(jìn)長度、降低用藥量、采用控制爆破,可減少洞室應(yīng)力集中。對于烈度較小巖爆段盡量減少對圍巖的擾動,圍巖應(yīng)力集中的程度也會降低;而進(jìn)入強(qiáng)烈?guī)r爆洞段,常常采用超前打應(yīng)力釋放孔和分步開挖的方法,讓應(yīng)力逐漸釋放達(dá)到圍巖逐步破裂的目的,但是該方法往往造成施工工期增加。2.2改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)高地應(yīng)力環(huán)境是巖爆的外因,堅硬性脆的圍巖是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因。因此,隧道位置選定以后,主要控制措施要從巖石的內(nèi)因入手考慮,在隧道開挖和支護(hù)過程中適當(dāng)改變圍巖的整體特性,以及改變隧道圍巖,特別是側(cè)壁的應(yīng)力狀態(tài),使圍巖應(yīng)力集中的部位盡量向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移,這樣可以降低巖爆的烈度甚至完全消除巖爆。改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)的措施主要是軟化圍巖、降低其脆性,常用的方法有:對于干燥圍巖段,洞室開挖后在隧道邊壁立即噴水,對圍巖進(jìn)行軟化,該措施簡單易行,不花費多少時間和經(jīng)費,但對于吸水性較差的巖石效果較差;另一種就是考慮到噴水僅僅對圍巖表面起到軟化作用,而采用高壓注水替代噴水,即利用鉆孔強(qiáng)制用高壓將水注入圍巖,既可以起到鉆孔軟化圍巖又可起到噴水軟化的作用,軟化圍巖的深度較大,軟化效果較好,但該方法可能觸發(fā)圍巖失穩(wěn),并且花費的時間和費用較多,并不是一種理想的處理措施。2.3巖爆釋放機(jī)理加固圍巖是防治巖爆常采用的措施,如二郎山公路隧道和岷江太平驛水電站地下洞室開挖遇巖爆地段采用了錨噴支護(hù)措施加固圍巖,都獲得了較好的效果。根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論,巖體等脆性材料的破壞是由其內(nèi)部隨機(jī)分布的微細(xì)觀裂隙所決定的。其破壞過程可表述為:在外力作用下,巖體中的微細(xì)觀裂隙端部出現(xiàn)高度應(yīng)力集中,裂隙開始擴(kuò)展,當(dāng)外力繼續(xù)作用或巖石內(nèi)部儲存的變形能足夠時,裂隙便產(chǎn)生張剪性擴(kuò)展,最終形成宏觀裂隙而發(fā)生破壞,如果有多余的彈性能,則在巖體破壞瞬間釋放能量并將破碎的巖體彈射而出,即所謂的巖爆。如果在隧道側(cè)壁處并沒有多余的彈性,通過介質(zhì)為洞壁圍巖提供足夠的側(cè)限應(yīng)力,提高圍巖整體殘余強(qiáng)度,使圍巖應(yīng)力集中帶向內(nèi)部轉(zhuǎn)移,則可以控制圍巖的破裂方式,使側(cè)壁圍巖由單軸壓縮卸荷破壞變?yōu)槿S壓縮卸荷破壞,使巖體的強(qiáng)度增大,改善應(yīng)力集中的分布范圍,可控制巖爆的發(fā)生、減少巖爆災(zāi)害。而在圍巖中置入錨桿,借助其抗拉性、連接性和延性作用,則可以動態(tài)調(diào)整巖體變形能的轉(zhuǎn)移和釋放方式,達(dá)到既可以使隧道側(cè)壁逐漸軟化,應(yīng)力向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移不至形成大的應(yīng)力集中,可達(dá)到限制圍巖整體性突發(fā)性彈射的目的。也即是說,進(jìn)行錨噴支護(hù)加固,不僅可以降低巖爆產(chǎn)生的可能性,而且在巖爆產(chǎn)生前會有明顯的預(yù)兆?；谏鲜隼碚摲治?可以通過調(diào)整錨桿的長度來控制隧道側(cè)壁圍巖應(yīng)力的大小。為了指導(dǎo)泥巴山隧道施工,提出經(jīng)濟(jì)合理的控制措施,采用數(shù)值分析軟件,分別就不同錨桿長度和間距進(jìn)行模擬比較分析。3控制巖石泄漏試驗值的分析3.1數(shù)值分析模型針對泥巴山隧道的具體條件,結(jié)合隧道初期支護(hù)錨噴措施。采用2D-σ數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬分析。選取具有代表性的K58+650斷面為典型斷面進(jìn)行分析,在采用錨噴支護(hù)時,錨桿長度多采用2~4m,模擬計算時錨桿長度選擇2m、3m和4m三種情況,錨桿間距為1m、2m,分別進(jìn)行比較分析。建立的開挖前后的數(shù)值分析模型如圖1及圖2所示,邊界條件為:在開挖前左側(cè)加法向應(yīng)力約束,上部采用單向應(yīng)力約束,底邊為雙向位移約束;開挖后上邊界改為自由面,左右為水平單向應(yīng)力約束,底邊為雙向位移約束。所采用的介質(zhì)參數(shù)如表1所示。3.2錨桿長度對圍巖應(yīng)力等值的影響錨桿間距為1m,長度分別為2m、3m和4m時,典型的圍巖邊壁附近單元的應(yīng)力等值線如圖3、圖4所示。圖中表明,隧道側(cè)壁和頂部的應(yīng)力集中明顯,并且兩個隧道之間應(yīng)力疊加影響較小,說明在隧道開挖時上下行隧道之間的相互影響小,其中底部角點應(yīng)力集中值非常大,但范圍非常小。以隧道外接圓中心為參考,假定在側(cè)壁的水平方向定為0度方向,逆時針轉(zhuǎn)動45o的起拱點為45o方向,隧道拱頂定為90o方向,在洞壁選取單元,利用計算結(jié)果,調(diào)出各代表性點的圍巖應(yīng)力分量,計算出最大及最小主應(yīng)力及其兩者的差值(表2)。為了分析應(yīng)力差與植入的錨桿長度的關(guān)系,描制出了主應(yīng)力差值與錨桿長度的變化特征,如圖5所示。從表2可知,隨著錨桿長度的增加,最大主應(yīng)力降低,其中隧道起拱點降低值最大;隨著錨桿長度的增加,最小主應(yīng)力增加,其中隧道側(cè)壁增加值最大;隨著錨桿長度的增加,主應(yīng)力差降低,其中側(cè)壁增加值最大。錨桿長度為4m時,典型部位平均最大主應(yīng)力平均值最小,平均最小主應(yīng)力最大,平均主應(yīng)力差值最小,說明從技術(shù)角度講4m錨桿噴混凝土效果最好。從圖5可以看出,錨桿長度從2m變化到3m,再從3m變化到4m時,并非成線性關(guān)系,在3m處直線斜率變小,說明錨桿長度從2m增加到3m時圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善效果明顯;從3m增加到4m時圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善效果大為降低。綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)考慮,采用長度3m的錨桿進(jìn)行錨噴最好。錨桿間距為2m,長度分別為2m、3m和4m時,典型圍巖邊壁附近單元的應(yīng)力等值線圖如圖6、圖7所示。由表3計算結(jié)果可知,隨著錨桿長度的增加,側(cè)壁和起拱點最大主應(yīng)力降低,其中隧道起拱點降低值較大,頂部的最大主應(yīng)力增加;隨著錨桿長度的增加,最小主應(yīng)力增加,其中隧道側(cè)壁增加值最大,約為起拱點和頂部增加值的兩倍,說明隨著錨桿長度的增加,對改善側(cè)壁應(yīng)力效果明顯;隨著錨桿長度的增加,側(cè)壁和起拱點的主應(yīng)力差降低,其中側(cè)壁降低值較大。采用不同的錨桿長度在隧道的不同的部位影響不完全相同,說明采用2m間距錨桿進(jìn)行錨噴支護(hù)加固圍巖,局部會存在松動區(qū),不能整體加固圍巖,錨桿的間距過大。4錨桿間距⑴采用錨桿加固圍巖,可以減少最大主應(yīng)力、增加最小主應(yīng)力、降低圍巖主應(yīng)力差,對改善應(yīng)力狀態(tài)效果明顯,是切實可行性的。⑵錨桿的長度以3m為宜,再加長錨桿,既不經(jīng)濟(jì)且改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)效果明顯降低;采用間距為2m的錨桿加固圍巖時,會存在部分未加固區(qū)。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮,宜采用間距1m、長度3m的錨桿加固圍巖。⑶上述結(jié)果是基于對泥巴山隧道特有的流紋巖的分析獲得,巖性不同、巖體結(jié)構(gòu)不同可能會存在一定差異,還需要更進(jìn)