項(xiàng)國(guó)

巖爆災(zāi)害防治措施的數(shù)值分析

項(xiàng)國(guó)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施的需求越來(lái)越大，特別是對(duì)交通運(yùn)輸設(shè)施的需求，這就刺激了對(duì)鐵路、公路等重大基礎(chǔ)設(shè)施投資的大量增長(zhǎng)。而鐵路、公路的修建，不可避免的要穿越高大山區(qū)，導(dǎo)致一批深埋長(zhǎng)大隧道的出現(xiàn)。深埋長(zhǎng)大隧道以埋深大、線路長(zhǎng)為特點(diǎn)，其中又蘊(yùn)藏一些難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)、施工難度的大大增加，往往成為一條線路上的關(guān)鍵控制性工程。在深埋長(zhǎng)大隧道中，巖爆是工程開挖過(guò)程中常遇到的工程地質(zhì)災(zāi)害，是一種人類活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害。一般認(rèn)為巖爆是地下工開挖過(guò)程中在高地應(yīng)力條件下，硬脆性圍巖因開挖卸荷導(dǎo)致洞壁應(yīng)力分異，儲(chǔ)存于巖體中的彈性應(yīng)變能突然釋放，因而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全、影響工程進(jìn)度，己成為世界性的地下工程難題之一，亟待廣大工程技術(shù)人員的解決。

數(shù)值分析；防治措施

一、計(jì)算模型及參數(shù)

控制隧道巖爆災(zāi)害的主要措施是采用錨桿噴射混凝土、超前應(yīng)力釋放鉆孔、注水軟化圍巖，不同的措施有其優(yōu)劣性，工程中目前用得較多的是錨桿噴射混凝土。巖爆的防治應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件和潛在的巖爆烈度采用不同的防治措施，針對(duì)雪峰山1號(hào)隧道的具體條件，結(jié)合隧道初襯支護(hù)采用錨桿噴射混凝土措施為宜。為了進(jìn)一步闡述錨噴措施的作用機(jī)理，將采用FLAC3D數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬分析。選取具有代表性的DK247+000、DK247+750為典型斷面進(jìn)行分析，錨桿長(zhǎng)度分別擬定為2.5m、3m、3.5m和4m，就1m、1.5m和2m兩種間距進(jìn)行比較分析。隧道襯砌和初次支護(hù)參數(shù)如表3所示。建立的數(shù)值分析模型見圖1、圖2，邊界條件為，模型左側(cè)和底面法向約束，右側(cè)和項(xiàng)部為應(yīng)力邊界條件，按照地應(yīng)力小模型在開挖前左可加應(yīng)力約束，上部采用應(yīng)力約束，底邊界采用雙向位移約束；開挖后采用上邊界為自由面，左右為水平單向約束，底邊為雙向位移約束。所采用的介質(zhì)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 DK247+000斷面材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 DK247+750斷面材料物理力學(xué)參數(shù)

表3 隧道正洞初期支護(hù)和二次襯砌參數(shù)

圖1 模型開挖前的網(wǎng)格劃分 圖2模型開挖后的網(wǎng)格劃分

二、計(jì)算結(jié)果及分析

（一）DK247+000斷面計(jì)算結(jié)果及分析

以下各等值線圖中的單位均為MPa。

圖3 開挖后無(wú)支護(hù)σx等值線

圖4 開挖后無(wú)支護(hù)σz等值線

1.錨桿間距為1m時(shí)計(jì)算結(jié)果分析

錨桿間距為1m，長(zhǎng)度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時(shí)，圍巖邊壁附近單元的應(yīng)力等值線如圖3、圖4所示。圖示表明隧道側(cè)壁和頂部的應(yīng)力集中明顯，有可能會(huì)產(chǎn)生巖爆。

圖3 2.5米錨桿的σx等值線

圖4 2.5米錨桿的σz等值線

以隧道外接圓中心為參考，在側(cè)壁0°，起拱點(diǎn)的45°和頂部的90°附近洞壁選取單元，利用計(jì)算出的圍巖應(yīng)力分量，計(jì)算最大及最小主應(yīng)力及其兩者的差值列于表4中。

表4 間距1.0m錨噴情況隧道邊壁主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4所示結(jié)果表明，采用間距為1.0m的錨桿，不同長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖邊壁應(yīng)力狀態(tài)的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，斷面最大主應(yīng)力降低，其中起拱點(diǎn)降低最大，為1.02MPa。

（2）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，最小主應(yīng)力增加，其中起拱點(diǎn)增加最多，為0.19PMa。

（3）如圖3、4和表4所示，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，主應(yīng)力差減少。長(zhǎng)度為4.0m時(shí)，典型部位最大主應(yīng)力平均值最小，最小主應(yīng)力平均值最大，平均主應(yīng)力差最小，由此說(shuō)明從工程技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

（二）DK247+750斷面計(jì)算結(jié)果及分析

圖5 開挖后無(wú)支護(hù)σx等值線

圖6 開挖后無(wú)支護(hù)σz等值線

1.錨桿間距為1.0m時(shí)計(jì)算結(jié)果分析

錨桿間距為1m，長(zhǎng)度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時(shí)，圍巖邊壁附近單元的應(yīng)力等值線如圖7、圖8所示。圖示表明隧道側(cè)壁和頂部的應(yīng)力集中明顯，有可能會(huì)產(chǎn)生巖爆。

圖7 2.5米錨桿的σx等值線

圖8 2.5米錨桿的σz等值線

表8 間距1.0m錨噴情況隧道邊壁主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表8所示結(jié)果表明，采用間距為1.0m的錨桿，不同長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖邊壁應(yīng)力狀態(tài)的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，斷面最大主應(yīng)力降低，其中起拱點(diǎn)降低最大，為0.76MPa。

（2）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，最小主應(yīng)力增加，其中側(cè)壁增加最多，為0.16PMa。

（3）如圖7、圖8和表8所示，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，主應(yīng)力差減少。長(zhǎng)度為4.0m時(shí)，典型部位最大主應(yīng)力平均值最小，最小主應(yīng)力平均值最大，平均主應(yīng)力差最小。由此說(shuō)明從工程技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

2.錨桿間距為1.5m時(shí)計(jì)算結(jié)果分析

錨桿間距為1.5m，長(zhǎng)度分別為2.5m、3.0m、3.5m和4.0m時(shí)，圍巖邊壁附近單元的應(yīng)力等值線如圖9、圖10所示。圖示表明隧道側(cè)壁和頂部的應(yīng)力集中明顯，有可能會(huì)產(chǎn)生巖爆。

圖9 2.5米錨桿的σx等值線

圖10 2.5米錨桿的σz等值線

表9 間距1.5m錨噴情況隧道邊壁主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表9所示結(jié)果表明，采用間距為1.5m的錨桿，不同長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖邊壁應(yīng)力狀態(tài)的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，斷面最大主應(yīng)力降低，其中起拱點(diǎn)降低最大，為0.69MPa。

（2）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，最小主應(yīng)力增加，其中側(cè)壁增加最多，為0.12PMa。

（3）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，主應(yīng)力差減少。長(zhǎng)度為4.0m時(shí)，典型部位最大主應(yīng)力平均值最小，最小主應(yīng)力平均值最大，平均主應(yīng)力差最小。由此說(shuō)明從工程技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，4.0m錨桿噴射混凝土效果最好。

表10 間距2.0m錨噴情況隧道邊壁主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表10所示結(jié)果表明，采用間距為2.0m的錨桿，不同長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖邊壁應(yīng)力狀態(tài)的影響特征如下：

（1）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，斷面最大主應(yīng)力降低，其中側(cè)壁降低最大，為0.55MPa。

（2）隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，最小主應(yīng)力增加，其中側(cè)壁增加最多，為0.1PMa。

[1]馬少鵬，王來(lái)貴，章夢(mèng)濤，李功伯.加拿大巖爆災(zāi)害的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998，9（3）.

[2]譚以安.巖爆類型及防治[J].現(xiàn)代地質(zhì)，1991，5（4）.

[3]汪澤斌.巖爆實(shí)例、巖爆術(shù)語(yǔ)及分類的建議[J].工程地質(zhì)，1988，（03）.

[4]王蘭生，徐林生，李天斌等.深埋長(zhǎng)隧道高地應(yīng)力與圍巖穩(wěn)定問(wèn)題，1998.

項(xiàng)國(guó)，北京交通大學(xué)博士研究生。

F062.4

A

1008-4428（2015）07-104-02