THM耦合作用下千枚巖隧道大變形機(jī)理

孟陸波，李天斌，杜宇本，黃志煌,3，馬宏敏,4

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都　610059;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都　610031；3.四川巴陜高速公路有限責(zé)任公司，四川 成都　610041;4.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安　710003)

大變形是高應(yīng)力軟巖隧道中可能遇到的一種重大施工地質(zhì)災(zāi)害。Terzaghi于1946年首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念，受Terzaghi思想的影響，按宏觀形成機(jī)制一般將隧道圍巖大變形分為2類，即擠出型大變形和膨脹型大變形。如一些學(xué)者[1-7]結(jié)合某一隧道對(duì)擠出型大變形機(jī)制和預(yù)測開展了深入研究，一些學(xué)者[8-12]對(duì)膨脹型大變形機(jī)制進(jìn)行了研究；同時(shí)，陳宗基[13]、Aydan O等[14]、姜云[15]等研究總結(jié)了隧道軟巖大變形的類型和力學(xué)機(jī)制?？梢娔壳皩?duì)大變形機(jī)制的研究已取得較多成果，但這些研究成果基本都是針對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境下隧道軟弱圍巖的，而對(duì)高地應(yīng)力、高地?zé)帷⒏邼B透水壓耦合作用下的巖石變形破壞機(jī)理和隧道大變形機(jī)制研究甚少。

隨著西部的大開發(fā)，長大隧道越來越多，埋深越來越大，深埋地下工程的典型地質(zhì)特征就是高地應(yīng)力、高滲透水壓、高地溫(簡稱“三高”)，在“三高”環(huán)境下開挖軟巖隧道，其圍巖變形破壞機(jī)理將更加復(fù)雜，如果對(duì)其認(rèn)識(shí)不清，極易引發(fā)施工地質(zhì)災(zāi)害。大理—瑞麗鐵路的高黎貢山隧道長34.5 km，最大埋深超過1 000 m，隧道所在地區(qū)為千枚巖軟巖，并且地應(yīng)力高、水熱活動(dòng)強(qiáng)烈；千枚巖是一種典型的軟巖，在隧道開挖過程中，極易發(fā)生大變形。因此，本文以千枚巖這一典型軟巖為研究對(duì)象，通過高地溫、高滲透水壓、高圍壓條件下千枚巖三軸卸荷試驗(yàn)，研究熱—水—力(Thermo-Hydraulic-Mechanics，THM)耦合作用下千枚巖的變形破壞特征；以大理—瑞麗鐵路高黎貢山千枚巖隧道為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法模擬千枚巖隧道的大變形；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，探討THM耦合作用下千枚巖隧道大變形的機(jī)理。研究結(jié)果可為高地溫、高滲透水壓、高地應(yīng)力下的深埋軟巖隧道與地下工程圍巖穩(wěn)定性分析提供參考。

1　THM耦合作用下千枚巖三軸卸荷試驗(yàn)

1.1　模擬試驗(yàn)方案

采用高溫三軸卸荷滲透試驗(yàn)?zāi)M研究THM耦合作用下千枚巖的變形破壞特征。試驗(yàn)設(shè)備采用MTS815Teststar程控伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)通過加載溫度模擬巖石所處的溫度場、加載孔隙水壓力模擬巖石所處的滲流場、加載三向應(yīng)力模擬巖石所處的初始地應(yīng)力，采用升軸壓、卸圍壓的方式模擬隧道開挖過程中圍巖應(yīng)力的變化。

制作千枚巖圓柱體試件，直徑50 mm，高100 mm，精度符合《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)[16]要求。千枚巖試件的片理面為同一個(gè)角度，總體連續(xù)性和完整性均較好，無風(fēng)化現(xiàn)象。為分析模擬試驗(yàn)過程中巖石變形是否由巖石膨脹起控制作用，在高溫三軸卸荷滲透試驗(yàn)之前先進(jìn)行了礦物成分測試和自由膨脹率測試。礦物成分測試表明：千枚巖主要礦物成分為黑云母，含量占68%；其次為伊利石和石英，含量分別占10%和17%。自由膨脹率測試表明：千枚巖自由膨脹率最大值為0.07%，遇水膨脹程度低，膨脹性不是該類千枚巖變形的主控因素。

根據(jù)高黎貢山隧道地質(zhì)背景，確定圍壓、地溫等試驗(yàn)參數(shù)。高黎貢山隧道底板最大地溫預(yù)計(jì)為45.6 ℃，最大埋深超過1 000 m，最大水平應(yīng)力約為26 MPa。由此確定試驗(yàn)中：卸圍壓前的圍壓控制在20 MPa；地溫T分別控制在20和60 ℃；滲透水壓P分別控制在4和7 MPa；試件處于飽水狀態(tài)。

試驗(yàn)過程：采用荷載控制方式，以6 MPa·min-1的加荷速度同時(shí)施加側(cè)壓力和軸向壓力，直至達(dá)到預(yù)定的側(cè)壓力值并保持不變；以3 MPa·min-1的速率對(duì)試件兩端施加滲透水壓，直至達(dá)到預(yù)定的值并保持不變；按1 ℃·min-1的升溫速度對(duì)試件加熱，直至達(dá)到預(yù)定的溫度并保持恒溫5 h，以保證試件與爐腔溫度一致；增加軸壓至巖石屈服應(yīng)力(取相同圍壓和溫度的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)條件下峰值強(qiáng)度的70%)，之后以0.1 MPa·s-1的速率卸載圍壓且同時(shí)以0.1 MPa·s-1的速率增加軸壓，直到試件破壞。在試驗(yàn)過程中，測定試件的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、初始水壓壓差和最終壓差。

1.2試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征

試件應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖1所示，圖中ε1為軸向應(yīng)變，ε2為橫向應(yīng)變。由圖1可得如下結(jié)論。

圖1　試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(1)4個(gè)試件在卸荷過程中的變形特性基本相似，巖石變形無裂隙壓密階段。變形過程可以分為3個(gè)階段：彈性變形階段、膨脹破壞階段和殘余變形階段。在彈性變形階段，軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變基本呈線性增長，軸向應(yīng)變?chǔ)?增長較快。在膨脹破壞階段，橫向應(yīng)變偏離直線，迅速增長，并且滲透水壓越高，橫向應(yīng)變曲線越早偏離直線段，表明巖石體積增大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹機(jī)制。巖石破壞后，應(yīng)力迅速跌落。在峰后殘余變形階段，變形進(jìn)一步發(fā)展，形成宏觀裂紋和破裂面。

(2)在地溫一定時(shí)，隨著滲透水壓的增大，試件的應(yīng)力峰值降低；在滲透水壓作用下，巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線更快進(jìn)入了塑性變形屈服階段。在滲透水壓為4 MPa時(shí)，峰后應(yīng)力—應(yīng)變曲線迅速跌落，說明試件呈脆性破壞特征；當(dāng)滲透水壓為7 MPa時(shí)，峰后應(yīng)力—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變隨應(yīng)力的降低而增大，說明試件具有一定的延性破壞特征。

(3)在滲透水壓一定時(shí)，T=20 ℃下巖石破壞前應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率大于T=60 ℃時(shí)的曲線斜率，可見彈性模量隨著地溫的升高而降低；在滲透水壓一定時(shí)，隨著地溫的升高，試件的應(yīng)力峰值略有降低，如P=7 MPa條件下，T=20 ℃時(shí)試件的應(yīng)力峰值為61.8 MPa，而T=60 ℃時(shí)試件的應(yīng)力峰值降為56.7 MPa。

由此可得：高地溫和高滲透水壓對(duì)巖石均有一定的損傷，但高地溫的影響小于滲透水壓的影響。

1.2.2滲透率變化特征

試件體積應(yīng)變的計(jì)算公式為

εv=ε1-2ε3

(1)

式中：εv為體積應(yīng)變，壓縮時(shí)其值為正，膨脹時(shí)其值為負(fù)；ε1為軸向應(yīng)變；ε3為橫向應(yīng)變。

滲透率的計(jì)算公式為

(2)

式中：k為滲透率，μm2；V為試件參照體積，cm3；ΔPi/ΔPf為初始水壓壓差與最終水壓壓差之比；Δt為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，s；Ls為試件長度，cm；As為試件橫截面面積，cm2；μ為孔隙水的黏滯系數(shù)，Pa·s；β為孔隙水的壓縮系數(shù)，Pa-1。

試件的軸向應(yīng)變?chǔ)?與體積應(yīng)變?chǔ)舦的關(guān)系曲線以及軸向應(yīng)變?chǔ)?與滲透率k的關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中A點(diǎn)為試件由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)為膨脹狀態(tài)的臨界點(diǎn)，即體積應(yīng)變最大正值的點(diǎn)；B點(diǎn)為試件

圖2　軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變和滲透率的關(guān)系曲線

由膨脹狀態(tài)恢復(fù)至初始狀態(tài)的臨界點(diǎn)，即體積應(yīng)變值為0的點(diǎn)。

由圖2可知：在A點(diǎn)之前，試件處于壓縮狀態(tài)，這一階段基本對(duì)應(yīng)試件彈性變形階段，巖石中的裂隙和微裂紋已被圍壓和高溫膨脹作用擠壓緊密，體積壓縮，滲透性很小；在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間，這一階段基本對(duì)應(yīng)試件膨脹破壞階段，巖石內(nèi)部新生裂隙，加之滲透水壓對(duì)巖石內(nèi)部的膨脹作用，滲透率逐漸增大；在B點(diǎn)之后，試件處于急劇膨脹狀態(tài)，這一階段基本對(duì)應(yīng)試件破壞及破壞后階段，試件體積急劇增大，膨脹強(qiáng)烈，滲透率發(fā)生突變，迅速增大，試件破壞后形成宏觀裂紋和破裂面，滲透率保持相對(duì)大的值。由此可見，體積應(yīng)變反映了試件的壓縮或膨脹狀態(tài)，與滲透率變化有很好的相關(guān)性。

1.2.3破裂特征

破壞后的典型試件照片如圖3所示，試件宏觀破壞面主要為1個(gè)貫通的剪切面，破裂角度差異不大。由于滲透水壓的剪脹作用，剪切面不是平滑的剪切滑移面，而是有一定的起伏或轉(zhuǎn)折，呈張剪性破壞特征。

圖3　試件宏觀破壞形態(tài)

對(duì)試件的典型破裂斷口進(jìn)行電鏡掃描，微觀形貌特征如圖4所示。由圖4可見：試件破裂斷口的典型形貌基本為解理斷裂，出現(xiàn)的花樣以臺(tái)階狀(見圖4a)、花狀(見圖4b)為主。晶體中發(fā)育多組解理，與破壞應(yīng)力方向垂直的解理面發(fā)生張拉破壞，形成解理張裂(見圖4c)；與破壞應(yīng)力方向一致的解理面發(fā)生剪切破壞，與張拉破壞復(fù)合形成沿晶張剪斷裂 (見圖4d)。在斷口張拉破壞過程中，破壞面延伸擴(kuò)展，破壞應(yīng)力在約束端集中，發(fā)生剪切破壞。可見，上述千枚巖斷口微觀破裂機(jī)制以張剪性破壞為主，與宏觀破壞特征基本一致。

圖4　典型試件斷口微觀形貌特征

2　THM耦合作用下軟巖隧道大變形數(shù)值模擬

2.1　數(shù)值模擬模型

2.1.1模型范圍

以高黎貢山隧道深埋洞身段為對(duì)象，采用COMSOL Multiphysics軟件和THM耦合數(shù)學(xué)模型[17]，建立二維有限元模型，如圖5所示。模型的高為80 m，寬為60 m，隧道橫截面形狀為馬蹄形，寬為6 m，高為8 m；隧道中心線至模型兩側(cè)的距離均為30 m，隧道底部至模型下邊界的距離為30 m；隧道頂部至模型上邊界的距離為42 m。

圖5　二維有限元模型

2.1.2模型本構(gòu)關(guān)系與計(jì)算參數(shù)

應(yīng)力場本構(gòu)關(guān)系設(shè)定為彈塑性，采用D-P屈服準(zhǔn)則。千枚巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　千枚巖的物理力學(xué)參數(shù)

2.1.3模型邊界條件

根據(jù)高黎貢山典型深埋段地質(zhì)條件，在模型中設(shè)定以下邊界條件。

1)溫度場邊界條件

計(jì)算模型四周的溫度設(shè)定為巖體下度，共取4個(gè)值，分別為30 ℃(303 K)，45 ℃(318 K)，60 ℃(333 K)和80 ℃(353 K)；隧道開挖后，為達(dá)到施工要求，隧道內(nèi)必然采取通風(fēng)等措施對(duì)隧道降溫，因此計(jì)算牛型隧道內(nèi)部的溫度設(shè)定為降溫后的溫度，為20 ℃(293 K)。

2)滲流場邊界條件

計(jì)算模型的左、右邊界設(shè)定為不透水邊界，上邊界和下邊界分別賦予不同的水頭，水頭差500 m；隧道邊界設(shè)定為不透水邊界。

3)應(yīng)力場邊界條件

計(jì)算模型的上、下邊界施加垂直方向應(yīng)力，σy=24.0 MPa；左、右邊界施加水平方向應(yīng)力，σx=23.7 MPa。

2.2　模擬結(jié)果分析

在隧道開挖后無支護(hù)條件下，位移、應(yīng)力、塑性應(yīng)變、滲流速度和溫度場的模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可得如下結(jié)論。

(1)隧道開挖后，隧道邊墻處的位移最大，達(dá)到749 mm，可見隧道已出現(xiàn)大變形。

(2)拱腳處的圍巖應(yīng)力相對(duì)集中，最大值為52.3 MPa，邊墻處的圍巖應(yīng)力最小，拱腳和拱頂部位的塑性應(yīng)變相對(duì)較大。

(3)在隧道洞壁處的滲流速度最大，越往圍巖內(nèi)部滲流速度越小，這主要是由于洞壁位于圍巖松動(dòng)圈最外層，圍巖位移、塑性應(yīng)變大，導(dǎo)致滲透率較大，并且洞壁上拱肩至拱腳范圍內(nèi)，滲流速度相對(duì)較大，最大值為0.025 8 m·s-1，拱頂和拱底位置的滲流速度相對(duì)較小。

(4)左右邊墻的溫度場分布基本對(duì)稱，拱頂和隧底溫度分布不一致，這主要受地下水熱對(duì)流控制，與地下水滲流特征具有較好的一致性。

模擬4種不同巖體溫度時(shí)的圍巖最大位移和最大滲流速度，如圖7所示。由圖7可知：圍巖的最大位移和最大滲流速度均與溫度呈近似線性增長關(guān)系，溫度每升高1 ℃，最大位移增大0.980 000 mm，最大滲流速度增大0.000 400 m·s-1。

圖6　THM耦合模擬結(jié)果

圖7　圍巖最大位移、最大滲流速度與溫度的關(guān)系曲線

3　THM耦合作用下隧道大變形機(jī)制

綜合分析THM耦合作用下室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，提出“H?M，T?H，T→M”的THM耦合模式，即考慮滲流場與應(yīng)力場的相互影響(H?M)、溫度場與滲流場的相互影響(T?H)、溫度場對(duì)應(yīng)力場的影響(T→M)，不考慮應(yīng)力場對(duì)溫度場的影響，如圖8所示。圖8中各耦合作用的具體結(jié)果如下。

(1)滲流場對(duì)應(yīng)力場的影響(H→M)。表現(xiàn)為滲透水壓升高，導(dǎo)致隧道開挖后圍巖的應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變均增大。

(2)應(yīng)力場對(duì)滲流場的影響(M→H)，表現(xiàn)為圍巖應(yīng)力、位移，塑性應(yīng)變增大，導(dǎo)致巖體滲透率增大。

(3)滲流場對(duì)溫度場的影響(H→T)，表現(xiàn)為地下水熱對(duì)流(滲流方向)，控制著圍巖內(nèi)部溫度分布。

(4)溫度場對(duì)滲流場的影響(T→H)，表現(xiàn)為溫度升高，導(dǎo)致隧道開挖后圍巖滲流速度增大。

(5)溫度場對(duì)應(yīng)力場的影響(T→M)，表現(xiàn)為溫度升高，導(dǎo)致隧道開挖后的圍巖應(yīng)力、位移和塑性應(yīng)變增大。

圖8　隧道開挖中的THM耦合模式

應(yīng)力場是圍巖發(fā)生大變形的主要因素。對(duì)于大多數(shù)軟弱巖體，隧道開挖卸荷后，破壞了原始地應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，使一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力狀態(tài)受到了干擾和影響，產(chǎn)生二次應(yīng)力場重分布。即：洞壁切向應(yīng)力增大(相當(dāng)于卸荷試驗(yàn)中軸向應(yīng)力σ1增大)、徑向應(yīng)力減小(相當(dāng)于卸荷試驗(yàn)中圍壓σ3減小)，在洞壁徑向應(yīng)力近乎為零。切向應(yīng)力的增加和徑向應(yīng)力的降低使應(yīng)力差增大，從而導(dǎo)致最大剪應(yīng)力增大，圍巖發(fā)生卸荷回彈和張剪性破壞，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，逐漸向洞內(nèi)膨脹。當(dāng)應(yīng)力重分布達(dá)到屈服面后，圍巖即處于塑性狀態(tài)，形成塑性圈，發(fā)生塑性流動(dòng)變形。

滲流場和溫度場是圍巖發(fā)生大變形的重要因素。在“H?M，T?H，T→M”耦合作用下，地溫和滲透水壓對(duì)圍巖變形破壞特征都有著重要影響，而且兩者之間有一定相互關(guān)聯(lián)。滲透水壓對(duì)圍巖內(nèi)部孔隙和裂紋的擠壓擴(kuò)展，對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張起著促進(jìn)作用，加之地下水的軟化作用，進(jìn)一步降低了巖體強(qiáng)度，使圍巖更易變形。隧道圍巖內(nèi)部溫度分布主要受地下水滲流方向控制；洞室圍巖溫度越高，其自身強(qiáng)度降低，但隧道開挖后的應(yīng)力、塑性應(yīng)變、滲流速度越大。由此可見，在隧道開挖過程中，在地溫、滲透水壓的共同作用下，由于圍巖礦物組成差異，高溫?zé)崤蛎涀饔檬沟迷揪蛿D壓緊密的圍巖在礦物顆粒之間產(chǎn)生新的微裂紋，高滲透水壓使得水體進(jìn)入微裂紋，并對(duì)其圍巖內(nèi)部微裂隙的劈裂及裂隙的貫通起著推動(dòng)作用，圍巖更易變形破壞。

綜上所述，在THM耦合作用下，在隧道開挖過程中，高地溫將造成圍巖發(fā)生初始熱損傷，高滲透水壓將促進(jìn)圍巖軟化和內(nèi)部裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，隧道開挖形成的二次應(yīng)力超過圍巖屈服強(qiáng)度將導(dǎo)致圍巖塑性流動(dòng)，因此，高地溫、高滲透水壓和高二次應(yīng)力是導(dǎo)致千枚巖隧道產(chǎn)生大變形的主要因素。大變形形成示意圖如圖9所示。

圖9　THM耦合作用下隧道大變形形成示意圖

4　結(jié)　論

(1)高溫三軸卸荷滲透模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：在THM耦合作用下，千枚巖以張剪性破裂為主，膨脹現(xiàn)象明顯；高滲透水壓和高地溫都對(duì)千枚巖裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)張起著促進(jìn)作用，隨著滲透水壓、地溫的升高，千枚巖的峰值應(yīng)力降低，并且滲透水壓的影響大于地溫的影響；巖石滲透率的變化特征與體積應(yīng)變的發(fā)展特征一致，在巖石明顯膨脹后，滲透率急劇增大。

(2)二維數(shù)值模擬結(jié)果表明：在THM耦合作用下，隧道邊墻處的位移最大，拱腳處的應(yīng)力相對(duì)集中，洞壁處的滲流速度最大，左右邊墻的溫度場分布基本對(duì)稱，拱頂和隧底的溫度分布不一致；隧道圍巖內(nèi)部的溫度分布主要受地下水滲流方向控制；隧道洞壁的應(yīng)力、位移和滲流速度隨圍巖溫度的升高而增大。

(3)提出了“H?M、T?H、T→M”的THM耦合模式，即考慮滲流場與應(yīng)力場的相互影響(H?M)、溫度場與滲流場的相互影響(T?H)、溫度場對(duì)應(yīng)力場的影響(T→M)，不考慮應(yīng)力場對(duì)溫度場的影響。

(4)在THM耦合作用下千枚巖隧道產(chǎn)生大變形的機(jī)理為：高地溫將造成圍巖發(fā)生初始熱損傷，高滲透水壓將促進(jìn)圍巖軟化和內(nèi)部裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，隧道開挖形成的二次應(yīng)力超過圍巖屈服強(qiáng)度后將導(dǎo)致圍巖塑性流動(dòng)。

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