大相岭淤泥山隧道开挖岩爆防治技术研究

大相岭淤泥山隧道开挖岩爆防治技术研究

1大相岭思想隧道概况岩爆是一种坚硬的岩石，在一定的应力环境下，聚集的适应性能力大于克服岩石破坏吸收的能量，导致岩石突然断裂、破坏或破坏，通常伴随着岩浆岩变质能力的突然释放，这往往导致大腿骨附近的严重破坏、设备破坏和人员破坏。这是岩石工程领域尚未解决的世界难题。大相岭泥巴山隧道为雅安—泸沽高速公路的控制性工程,位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的大相岭高中山区,为分离式双洞单向交通隧道。上行长10007m,进口里程为YK53+773,出口里程为YK63+780;下行长9946m,进口里程为YK53+804,出口里程为YK63+750。隧道有5000m以上长度的埋深约超过1000m,属于深埋特长越岭公路隧道。隧道穿越的主要地层为震旦系流纹岩和安山岩,该类岩石为硬脆性岩石。隧道围岩以Ⅲ~Ⅳ级为主,其洞身段地应力高,隧道开挖时岩爆时有发生。本文以该工程为背景,重点探讨采用锚喷支护防治岩爆的工程措施,以期指导隧道施工,为类似工程提供借鉴。2岩爆石雕力学分析2.1岩爆段的施工是否会发生岩爆国内外大量的地下洞室施工的岩爆实录资料表明,采用不同的施工方法开挖后的效果是完全不一样的,如秦岭隧道在采用矿山法施工时发生岩爆,而采用掘进机法施工却不发生岩爆。但是,掘进机法往往受地质条件限制,也不是任何情况下都是经济合理的。采用钻爆法施工时,控制掘进长度、降低用药量、采用控制爆破,可减少洞室应力集中。对于烈度较小岩爆段尽量减少对围岩的扰动,围岩应力集中的程度也会降低;而进入强烈岩爆洞段,常常采用超前打应力释放孔和分步开挖的方法,让应力逐渐释放达到围岩逐步破裂的目的,但是该方法往往造成施工工期增加。2.2改变围岩的应力状态高地应力环境是岩爆的外因,坚硬性脆的围岩是岩爆产生的内因。因此,隧道位置选定以后,主要控制措施要从岩石的内因入手考虑,在隧道开挖和支护过程中适当改变围岩的整体特性,以及改变隧道围岩,特别是侧壁的应力状态,使围岩应力集中的部位尽量向围岩内部转移,这样可以降低岩爆的烈度甚至完全消除岩爆。改变围岩的应力状态的措施主要是软化围岩、降低其脆性,常用的方法有:对于干燥围岩段,洞室开挖后在隧道边壁立即喷水,对围岩进行软化,该措施简单易行,不花费多少时间和经费,但对于吸水性较差的岩石效果较差;另一种就是考虑到喷水仅仅对围岩表面起到软化作用,而采用高压注水替代喷水,即利用钻孔强制用高压将水注入围岩,既可以起到钻孔软化围岩又可起到喷水软化的作用,软化围岩的深度较大,软化效果较好,但该方法可能触发围岩失稳,并且花费的时间和费用较多,并不是一种理想的处理措施。2.3岩爆释放机理加固围岩是防治岩爆常采用的措施,如二郎山公路隧道和岷江太平驿水电站地下洞室开挖遇岩爆地段采用了锚喷支护措施加固围岩,都获得了较好的效果。根据格里菲斯强度理论,岩体等脆性材料的破坏是由其内部随机分布的微细观裂隙所决定的。其破坏过程可表述为:在外力作用下,岩体中的微细观裂隙端部出现高度应力集中,裂隙开始扩展,当外力继续作用或岩石内部储存的变形能足够时,裂隙便产生张剪性扩展,最终形成宏观裂隙而发生破坏,如果有多余的弹性能,则在岩体破坏瞬间释放能量并将破碎的岩体弹射而出,即所谓的岩爆。如果在隧道侧壁处并没有多余的弹性,通过介质为洞壁围岩提供足够的侧限应力,提高围岩整体残余强度,使围岩应力集中带向内部转移,则可以控制围岩的破裂方式,使侧壁围岩由单轴压缩卸荷破坏变为三轴压缩卸荷破坏,使岩体的强度增大,改善应力集中的分布范围,可控制岩爆的发生、减少岩爆灾害。而在围岩中置入锚杆,借助其抗拉性、连接性和延性作用,则可以动态调整岩体变形能的转移和释放方式,达到既可以使隧道侧壁逐渐软化,应力向围岩内部转移不至形成大的应力集中,可达到限制围岩整体性突发性弹射的目的。也即是说,进行锚喷支护加固,不仅可以降低岩爆产生的可能性,而且在岩爆产生前会有明显的预兆。基于上述理论分析,可以通过调整锚杆的长度来控制隧道侧壁围岩应力的大小。为了指导泥巴山隧道施工,提出经济合理的控制措施,采用数值分析软件,分别就不同锚杆长度和间距进行模拟比较分析。3控制岩石泄漏试验值的分析3.1数值分析模型针对泥巴山隧道的具体条件,结合隧道初期支护锚喷措施。采用2D-σ数值分析软件进行模拟分析。选取具有代表性的K58+650断面为典型断面进行分析,在采用锚喷支护时,锚杆长度多采用2~4m,模拟计算时锚杆长度选择2m、3m和4m三种情况,锚杆间距为1m、2m,分别进行比较分析。建立的开挖前后的数值分析模型如图1及图2所示,边界条件为:在开挖前左侧加法向应力约束,上部采用单向应力约束,底边为双向位移约束;开挖后上边界改为自由面,左右为水平单向应力约束,底边为双向位移约束。所采用的介质参数如表1所示。3.2锚杆长度对围岩应力等值的影响锚杆间距为1m,长度分别为2m、3m和4m时,典型的围岩边壁附近单元的应力等值线如图3、图4所示。图中表明,隧道侧壁和顶部的应力集中明显,并且两个隧道之间应力叠加影响较小,说明在隧道开挖时上下行隧道之间的相互影响小,其中底部角点应力集中值非常大,但范围非常小。以隧道外接圆中心为参考,假定在侧壁的水平方向定为0度方向,逆时针转动45o的起拱点为45o方向,隧道拱顶定为90o方向,在洞壁选取单元,利用计算结果,调出各代表性点的围岩应力分量,计算出最大及最小主应力及其两者的差值(表2)。为了分析应力差与植入的锚杆长度的关系,描制出了主应力差值与锚杆长度的变化特征,如图5所示。从表2可知,随着锚杆长度的增加,最大主应力降低,其中隧道起拱点降低值最大;随着锚杆长度的增加,最小主应力增加,其中隧道侧壁增加值最大;随着锚杆长度的增加,主应力差降低,其中侧壁增加值最大。锚杆长度为4m时,典型部位平均最大主应力平均值最小,平均最小主应力最大,平均主应力差值最小,说明从技术角度讲4m锚杆喷混凝土效果最好。从图5可以看出,锚杆长度从2m变化到3m,再从3m变化到4m时,并非成线性关系,在3m处直线斜率变小,说明锚杆长度从2m增加到3m时围岩应力状态的改善效果明显;从3m增加到4m时围岩应力状态的改善效果大为降低。综合技术与经济考虑,采用长度3m的锚杆进行锚喷最好。锚杆间距为2m,长度分别为2m、3m和4m时,典型围岩边壁附近单元的应力等值线图如图6、图7所示。由表3计算结果可知,随着锚杆长度的增加,侧壁和起拱点最大主应力降低,其中隧道起拱点降低值较大,顶部的最大主应力增加;随着锚杆长度的增加,最小主应力增加,其中隧道侧壁增加值最大,约为起拱点和顶部增加值的两倍,说明随着锚杆长度的增加,对改善侧壁应力效果明显;随着锚杆长度的增加,侧壁和起拱点的主应力差降低,其中侧壁降低值较大。采用不同的锚杆长度在隧道的不同的部位影响不完全相同,说明采用2m间距锚杆进行锚喷支护加固围岩,局部会存在松动区,不能整体加固围岩,锚杆的间距过大。4锚杆间距⑴采用锚杆加固围岩,可以减少最大主应力、增加最小主应力、降低围岩主应力差,对改善应力状态效果明显,是切实可行性的。⑵锚杆的长度以3m为宜,再加长锚杆,既不经济且改善围岩应力状态效果明显降低;采用间距为2m的锚杆加固围岩时,会存在部分未加固区。综合技术经济考虑,宜采用间距1m、长度3m的锚杆加固围岩。⑶上述结果是基于对泥巴山隧道特有的流纹岩的分析获得,岩性不同、岩体结构不同可能会存在一定差异,还需要更进