李黎龍

(巴陜高速公路有限責(zé)任公司， 四川巴中 636000)

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鉆孔套心應(yīng)力解除法在米倉山隧道中的應(yīng)用

李黎龍

(巴陜高速公路有限責(zé)任公司， 四川巴中 636000)

【摘要】隧道開挖產(chǎn)生臨空面，在初始高地應(yīng)力作用下圍巖向臨空面產(chǎn)生變形，軟巖隧道面臨大變形、坍塌，硬巖隧道面臨巖爆、掉塊等施工風(fēng)險(xiǎn)，兩者均對(duì)隧道施工帶來了極大的安全隱患。準(zhǔn)確的獲得隧址區(qū)地應(yīng)力分布特征，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)隧道工程設(shè)計(jì)和施工，是保證工程安全高效的必要途徑。

【關(guān)鍵詞】公路隧道；地應(yīng)力；套心法；隧道施工

儲(chǔ)存在巖體內(nèi)部未受到擾動(dòng)的應(yīng)力稱之為地應(yīng)力，地應(yīng)力可以分為兩類，原地應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力，而原地應(yīng)力主要來自五個(gè)方面：巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、萬有引力、封閉應(yīng)力和外部荷載。地應(yīng)力具有多來源性且受到多種因素的影響，特別是地質(zhì)活躍地區(qū)和板塊鄰接地區(qū)，地殼巖體地應(yīng)力分布復(fù)雜多變[1-4]。

而隨著交通工程的長足發(fā)展，隧道在公路及鐵路建設(shè)中，以減少行車距離、縮短運(yùn)行時(shí)間、提高行車安全、節(jié)約地面用地等優(yōu)勢(shì)日益成為交通工程中重要的線型方式。地應(yīng)力是隧道圍巖壓力產(chǎn)生的根本來源，特別是深埋隧道，地應(yīng)力與深度呈線性比例增大，地質(zhì)條件惡化，破碎體增多，帶來了深部地壓、作業(yè)面環(huán)境惡化等一系列問題。隧道穿越高地應(yīng)力區(qū)域，開挖引起大變形、坍塌、掉塊、巖爆等隱患的幾率大大增加，嚴(yán)重影響施工安全與效率。所以準(zhǔn)確獲得深埋隧道的原地應(yīng)力狀態(tài)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，是確保工程施工安全、高效的必要途徑[5-6]。

1工程概況

米倉山隧道位于國高網(wǎng)G69銀川至百色高速公路，四川巴中至陜西漢中段川陜交界位置，穿越米倉山國家森林公園，為左右行分離的特長隧道，里程長約13.8km，單洞雙車道凈寬10.25m，為目前西南地區(qū)最長的公路隧道，是本項(xiàng)目出川的咽喉工程。

隧址區(qū)屬中深切割的侵蝕-構(gòu)造剝蝕地貌，呈塊狀山地形，海拔約835～2 200m，相對(duì)高差約1 365m，屬高中山地形地貌。區(qū)內(nèi)閃長巖山體陡峻，山頂呈尖峰；沉積巖山峰一般渾圓，在山體上橫向沖溝發(fā)育，形成峽谷、陡崖等地貌。地形地貌受地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制，在隧道中部一帶多形成寬緩的溶蝕、剝蝕槽狀地形，在兩側(cè)白云巖、變質(zhì)砂巖分布地帶常形成鰭脊陡坡、懸崖。隧道進(jìn)口帶自然斜坡坡角一般20～51°，出口帶自然坡度26～49°，局部地形上形成高約45～200m的懸崖、陡壁。

為獲得隧道圍巖的地應(yīng)力狀態(tài)，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)隧道工程施工，特對(duì)米倉山隧道進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量。

2地應(yīng)力測(cè)量原理和實(shí)施

2.1原理方法

套心法的全稱為鉆孔套心應(yīng)力解除法?；驹硎窃阢@孔中安裝變形或應(yīng)變測(cè)量元件(位移傳感器或應(yīng)變計(jì))，通過量測(cè)套心應(yīng)力解除前后，鉆孔孔徑變化或孔底應(yīng)變變化或孔壁表面應(yīng)變變化值來確定天然應(yīng)力的大小和方向。

2.2儀器

套心法所采用的儀器型號(hào)及規(guī)格如表1所示。

表1　試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備

2.3地應(yīng)力現(xiàn)場測(cè)量實(shí)施

2.3.1應(yīng)力計(jì)的結(jié)構(gòu)

應(yīng)力計(jì)是由嵌入環(huán)氧樹脂筒中的12個(gè)電阻應(yīng)變片組成，將3枚應(yīng)變花(每枚應(yīng)變花有4個(gè)應(yīng)變片)沿環(huán)氧樹脂筒園周相隔120°粘貼，如圖1所示，然后再用環(huán)氧樹脂澆注外層，使電阻應(yīng)變片嵌在筒壁內(nèi)。環(huán)氧樹脂圓筒有一個(gè)用來裝粘結(jié)劑的內(nèi)腔和一個(gè)環(huán)氧樹脂柱塞。使用前需對(duì)應(yīng)力計(jì)加密封圈。使用時(shí)，將圓筒內(nèi)腔裝滿粘結(jié)劑，然后將柱塞插入內(nèi)腔約2cm深處，用鋁絲穿過固定銷小孔將其固定(圖2)。柱塞的另一端有一導(dǎo)向定位棒，以使應(yīng)力計(jì)順利安裝在所需要的位置上。安裝時(shí)要保證應(yīng)變花A與定向銷子的母線之間夾角為90°。將應(yīng)力計(jì)送入鉆孔中指定位置后，用力推動(dòng)安裝桿，可使鋁絲切斷，繼續(xù)推進(jìn)可使粘結(jié)劑經(jīng)柱塞小孔流出，進(jìn)入應(yīng)力計(jì)和小孔孔壁之間的間隙里。經(jīng)過一定的時(shí)間粘結(jié)劑固化后，即可進(jìn)行套芯解除。

圖1　應(yīng)變花位置分布

1、電纜：2、定向銷；3、8、密封圈；4、環(huán)氧樹脂筒；5、粘膠劑；6、固定銷；7、栓塞；9、導(dǎo)向桿；10、應(yīng)變玫瑰花圖2　KX-81型應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)示意

2.3.2鉆孔套芯應(yīng)力解除步驟

套芯應(yīng)力解除法的過程是：在需要測(cè)量應(yīng)力的地方，打一個(gè)φ130mm的鉆孔，至13m時(shí)，將孔底磨平，再打一個(gè)喇叭孔(起導(dǎo)正作用)，在大孔中心鉆一個(gè)φ36～36.5mm的測(cè)量小孔，測(cè)量孔的深度約為290mm，然后在測(cè)孔中安裝測(cè)量探頭，探頭引線與孔外測(cè)量儀器相接，測(cè)得初始值。絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量在測(cè)量小孔外，再用φ130mm口徑的鉆頭同心鉆進(jìn)，開挖應(yīng)力解除槽，在鉆進(jìn)過程中，導(dǎo)線從鉆桿中心穿過，由水節(jié)頭處引出與測(cè)量儀器相連，監(jiān)視解除過程中的變化，隨著應(yīng)力解除槽的加深，巖芯逐漸與外界應(yīng)力場相隔離，巖芯發(fā)生彈性恢復(fù)，儀器測(cè)值隨著發(fā)生變化，直至儀器讀數(shù)不再變化時(shí)，停止鉆進(jìn)，取出巖芯。

2.3.3鉆孔要求

在進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量的地方，打一個(gè)φ130mm的鉆孔，鉆孔水平向上，傾角為5°。鉆孔鉆至10m時(shí)，將孔底磨平，再打一個(gè)喇叭孔(起導(dǎo)正作用)，在大孔中心鉆一個(gè)φ36～36.5mm的測(cè)量小孔，測(cè)量孔的深度約為290mm，然后在測(cè)孔中安裝測(cè)量探頭，探頭引線與孔外測(cè)量儀器相接，測(cè)得初始值。如果是進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量，設(shè)備安裝工作就此結(jié)束，此后間隔

一段時(shí)間再測(cè)探頭的數(shù)值，就可測(cè)出應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量是在測(cè)量小孔外，再用φ130mm口徑的鉆頭同心鉆進(jìn)，開挖應(yīng)力解除槽(圖3)。

圖3　鉆孔示意

3米倉山工程實(shí)例

3.1現(xiàn)場測(cè)試

測(cè)量位置位于陜西省漢中市南鄭縣桃巴高速公路米倉山隧道JC1標(biāo)段主洞左線ZK40+770右側(cè)，地面標(biāo)高1 446m，設(shè)計(jì)高度943m左右，埋深503m?？咨?0.27m，安裝角度153.8°。鉆孔的傾角為3°，鉆孔方位角為240°。現(xiàn)場測(cè)試鉆孔布置如圖4所示。

圖4　鉆孔布置

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔測(cè)點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)，并繪制應(yīng)力解除曲線。根據(jù)應(yīng)力解除曲線測(cè)得12枚應(yīng)變片的穩(wěn)定應(yīng)變值，如圖5所示。

從應(yīng)力解除曲線可以得到測(cè)點(diǎn)12個(gè)應(yīng)變計(jì)穩(wěn)定的應(yīng)變值如表2所示。

表2　測(cè)點(diǎn)12個(gè)應(yīng)變計(jì)穩(wěn)定的應(yīng)變值

圖5　應(yīng)力解除曲線

3.2三維主應(yīng)力計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

上式中εθ、εz、γθz分別為空心包體應(yīng)力計(jì)中的應(yīng)變計(jì)的環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變和剪切應(yīng)變； 為與鉆孔軸即Z軸成ε±45°方向的應(yīng)變；σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx為6個(gè)原巖應(yīng)力分量。

主應(yīng)力由式(1)～式(4)迭代法求解，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從測(cè)試結(jié)果可知，該測(cè)點(diǎn)有兩個(gè)主應(yīng)力方向接近于水平，其與水平方向夾角不大于10°，另有一主應(yīng)力方向接近于垂直，其與垂直方向夾角不大于10°。

4結(jié)論及施工建議

對(duì)飽水狀態(tài)下的試件進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得ZK40+770處巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc=78.7MPa，Rc/σmax=3.2，因此主洞左線ZK40+770處屬于極高應(yīng)力區(qū)。

表3　三維主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

注：地應(yīng)力分量以大地坐標(biāo)系為參考，大地坐標(biāo)為Z軸向上，Y軸向北，X軸向東，主應(yīng)力方位由北起順時(shí)針計(jì)算，傾角上傾為正，下傾為負(fù)。

為使隧道能夠正常施工，防止巖爆的發(fā)生，建議采取如下措施：

(1)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、嚴(yán)格施工管理措施。

①在高風(fēng)險(xiǎn)地段加強(qiáng)巖爆地質(zhì)分析超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作；

②加強(qiáng)施工組織與管理，提高安全防范意識(shí);及時(shí)清除危石，加強(qiáng)人員設(shè)備的防護(hù)措施；

③針對(duì)巖爆災(zāi)害，制定突發(fā)性事件應(yīng)急預(yù)案。

(2)改善圍巖物理力學(xué)特性及其應(yīng)力條件。

①巖爆地段進(jìn)行鉆爆法施工時(shí)，應(yīng)短進(jìn)尺掘進(jìn)，減小藥量和爆破頻率，并控制光爆效果，以減少圍巖表層應(yīng)力集中現(xiàn)象。

②在掌子面采用超前注水應(yīng)力解除，即在下一循環(huán)開挖前，先沿掌子面布置一定數(shù)量鉆孔，并向孔內(nèi)注高壓水，使圍巖深部裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，減少巖石內(nèi)部應(yīng)力，且鉆孔長度應(yīng)超前循環(huán)進(jìn)尺5～6m。同時(shí)為保證效果，可在孔底小爆破后，注入高壓水，使其能沿鉆孔裂隙進(jìn)入巖體降低其強(qiáng)度，使之軟化增加巖石變形能力，易于能量緩慢釋放。在孔底小爆破可將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巖體深處，防止開挖面引力集中。

③開卸壓槽，如果巷道兩邊墻上應(yīng)力較高而集中，可在兩邊墻上開鑿一個(gè)槽。由于該槽的存在，圍巖變形可向槽中擴(kuò)展。增大圍巖變形能力。使巷遭周圍應(yīng)力有剃于穩(wěn)定緩慢變化。應(yīng)力峰值轉(zhuǎn)移至巖體深處。而且也可緩解頂扳上的應(yīng)力集中。

(3)錨噴柔性支護(hù)

預(yù)防巖爆發(fā)生的初期支護(hù)采用掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。錨桿能迅速提高表層圍巖的徑向應(yīng)力，提高圍巖的自穩(wěn)能力；掛網(wǎng)的主要作用是與錨桿、混凝土、格柵鋼架形成一個(gè)整體，增加整體的支撐力；噴射混凝土的主要作用是及時(shí)封閉圍巖，防止圍巖風(fēng)化，同時(shí)提供一定的支護(hù)力，使圍巖在約束狀態(tài)下緩慢變形從而釋放巖體中的部分能量，降低巖爆發(fā)生的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳群策，豐成君，孟文，等. 5·12汶川地震后龍門山斷裂帶東北段現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2012(12):3923-3932.

[2]陳志敏. 高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力研究和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理分析[D].蘭州交通大學(xué)，2012.

[3]鄧賓，SUEOKAShigeru，劉樹根，等. 米倉山楔入沖斷構(gòu)造模型低溫?zé)崮甏鷮W(xué)證據(jù)及其意義[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2014(4):1155-1168.

[4]沈中延，肖安成，王亮，等. 四川北部米倉山地區(qū)下三疊統(tǒng)內(nèi)部不整合面的發(fā)現(xiàn)及其意義[J]. 巖石學(xué)報(bào)，2010(4):1313-1321.

[5]封崇德，趙虎. 高頻大地電磁測(cè)深在米倉山特長隧道勘察中的應(yīng)用研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):49-53.

[6]向波，李玉文. 米倉山深埋特長隧道綜合勘察技術(shù)應(yīng)用[J]. 西南公路，2013(2):225-230.

[作者簡介]李黎龍(1983～)，男，本科，工程師，從事隧道施工管理。

【中圖分類號(hào)】U455.49

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-03-01