沿隧洞軸線不同排列方式的復(fù)合地層變形破壞數(shù)值模擬研究

尚彥軍 蔣毅 魏思宇 趙斌

摘? 要：軟硬巖層以不同排列方式組成復(fù)合地層，在隧洞工程開挖擾動作用下，軟巖大變形和硬巖巖爆交替出現(xiàn)，使得對應(yīng)力集中和大變形部位相間分布的現(xiàn)象開展研究變得很有意義。采用Flac3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，對沿隧洞軸線4種不同排列方式的復(fù)合地層變形破壞開展研究。研究內(nèi)容為自重作用下4種不同排列方式下圍巖位移、主應(yīng)力和塑性區(qū)分布。結(jié)果表明，遠(yuǎn)離軟硬巖交界面，軟巖變形量增大，硬巖主應(yīng)力值大。不考慮軟硬巖兩者接觸面強(qiáng)度情況下，軟巖塑性區(qū)范圍顯著大于硬巖，在接觸面呈一定范圍內(nèi)的漸變過渡，而不是界限面上發(fā)生突變，說明軟硬巖之間有相互作用影響。軟巖大變形和巖爆并不是發(fā)生在兩者界面上，而是在軟巖和硬巖內(nèi)一定距離上發(fā)生。在不考慮軟硬巖界面力學(xué)參數(shù)影響情況下，位移呈較均勻?qū)ΨQ的正態(tài)分布曲線形態(tài)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層;排列方式;數(shù)值模擬;位移;主應(yīng)力

巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）最適宜在中硬巖隧道中掘進(jìn)，但在褶皺或斷層破碎帶等地質(zhì)條件復(fù)雜、高地應(yīng)力區(qū)，易出現(xiàn)卡機(jī)、埋機(jī)、巖爆等重大工程事故。受高山峽谷區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈影響，深長隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變，形成深部軟、硬復(fù)合地層，對TBM安全掘進(jìn)施工構(gòu)成挑戰(zhàn)[1]。沿隧洞軸線軟硬巖交替出現(xiàn)發(fā)生軟巖大變形和硬巖巖爆，在上公山隧洞、錦屏II期隧洞、新疆大坂隧洞、巴基斯坦NJ隧洞等深部地下工程均有發(fā)生。因此，研究深部復(fù)合地層力學(xué)性質(zhì)對深長隧洞TBM掘進(jìn)有重要意義。以往對其分別開展研究，前者多研究軟巖大變形閾值和二次支護(hù)時(shí)機(jī)[2，3]，后者多研究巖爆發(fā)生機(jī)理和監(jiān)測[4，5]。羅霄對煤巷復(fù)合層狀頂板研究發(fā)現(xiàn)[6]，單層巖體內(nèi)撓度值、跨中最大彎矩、跨中下側(cè)最大拉應(yīng)力與水平側(cè)壓系數(shù)成線性正相關(guān)。計(jì)算中采用水平側(cè)壓系數(shù)λ為0.8。當(dāng)λ<1時(shí)頂板上部出現(xiàn)較大塑性破壞，形成豎直方向橢圓形自然平衡拱。朱雙雙利用彈性力學(xué)理論和能量原理[7]，采用三維數(shù)值計(jì)算模型埋深600 m，側(cè)壓系數(shù)為1.0，建立了基于彈性應(yīng)變能密度的TBM施工巖爆判據(jù)及基于彈性應(yīng)變能密度徑向梯度的巖爆位置判據(jù)。

基于快速拉格朗日分析法的Flac3D是一種顯示有限差分程序，屬連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析法，可模擬材料彈性變形、塑性變形、塑性流動、應(yīng)變軟化、流變變形，甚至大變形等問題。FLac3D不僅適合求解非線性大變形問題，還可在模型中加入節(jié)理、弱面等地質(zhì)構(gòu)造，便于求解圍巖與護(hù)盾之間摩擦接觸問題。本研究設(shè)計(jì)的力學(xué)模型均屬連續(xù)介質(zhì)力學(xué)范疇，巖體被視為等效連續(xù)介質(zhì)。對大尺度深部復(fù)合地層力學(xué)行為，利用Flac3D有限差分軟件模擬TBM在深部復(fù)合地層中掘進(jìn)后圍巖位移變化、主應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征，可得到不同軟硬巖排列方式的復(fù)合地層力學(xué)性質(zhì)。

1? 計(jì)算模型和參數(shù)

結(jié)合本研究數(shù)值分析的具體要求，選用Flac3D作為數(shù)值模擬工具。拉應(yīng)力為正值、壓應(yīng)力為負(fù)值。據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，數(shù)值模擬計(jì)算模型范圍至少為隧洞直徑的3～5倍。由于隧洞模型各項(xiàng)模擬結(jié)果對稱，故為提高計(jì)算效率，同時(shí)實(shí)時(shí)觀察隧洞內(nèi)部應(yīng)力、位移等變化，模型只取對稱的一半。X軸方向是模型寬度方向，Y方向是掘進(jìn)方向，Z方向是垂直深度方向。模型尺寸為X軸方向長25 m，Y軸方向長40 m，Z軸方向長30 m。在模型左右邊界同時(shí)施加X軸方向的水平約束;在模型的前后邊界同時(shí)施加Y軸方向位移約束;對模型底面節(jié)點(diǎn)施加Z軸方向的豎向約束。TBM開挖隧洞直徑為8 m，沿隧洞軸向復(fù)合地層呈前后型分布形式。

地下工程地應(yīng)力狀態(tài)從淺部的構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)狀態(tài)逐漸向深部靜水壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，是深部巖體應(yīng)力狀態(tài)的基本特征[8]。復(fù)合地層室內(nèi)單軸和三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨圍壓增大，軟巖塑性變形越顯著，不規(guī)則裂紋增多，硬巖相對完整，基本無肉眼可見裂紋。這里取隧洞埋深為800 m，巖體密度為2 700 kg/m3。模型頂部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，按實(shí)際埋深產(chǎn)生的自重應(yīng)力作為頂部端面荷載，水平方向施加上部自重一半的荷載，即側(cè)壓系數(shù)0.5，以模擬初始地應(yīng)力[9]。

模型結(jié)構(gòu)單元6 240個，節(jié)點(diǎn)7 182個。為保證網(wǎng)格分布合理，隧洞處網(wǎng)格精細(xì)，遠(yuǎn)離隧洞處稀疏。隧洞采用柱形，隧洞外圍漸變放射網(wǎng)格單元，圍巖采用六面塊體單元（圖1）。據(jù)隧洞工程中軟、硬巖強(qiáng)度分級及相關(guān)研究，巖體設(shè)定為理想線彈塑性材料，采用摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。模型計(jì)算參數(shù)值見表1。

2? 不同排列形式

楊春和等通過對含泥質(zhì)硬石膏夾層的層狀鹽巖室內(nèi)三軸力學(xué)性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)[10]，硬層（泥質(zhì)硬石膏層）加入會顯著影響鹽巖體變形和破壞特征。流變試驗(yàn)表明，樣品蠕變主要由較軟的鹽巖層控制，硬夾層對長期蠕變起抑制作用。據(jù)研究目的，本文設(shè)計(jì)4種軟硬巖排列方式：S丨H型、S丨H丨S型、H丨S丨H型、S丨H丨S丨H型（S代表軟巖層，H代表硬巖層）。開挖前的計(jì)算模型見圖2。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1? 圍巖位移

不同排列方式下圍巖位移隨洞線長度變化曲線見圖3，圍巖位移云圖見表2。無論軟硬巖如何排列，軟巖變形量都明顯高于硬巖，約相當(dāng)于后者的2倍。可得到這個規(guī)律：遠(yuǎn)離軟、硬巖交界面，軟巖變形量增大，硬巖變形量減小。表明遠(yuǎn)離軟、硬巖交界面，軟巖易發(fā)生擠壓變形，而硬巖由于應(yīng)變累積而應(yīng)力集中易發(fā)生巖爆。同時(shí)，由于自重應(yīng)力場為主，頂拱位移量遠(yuǎn)大于底板和邊墻，約為后兩者的2倍。

利用能量守恒定律可解釋這個現(xiàn)象，即消能區(qū)與聚能區(qū)相互影響。從能量守恒角度分析，作者認(rèn)為軟巖因易發(fā)生變形，能量釋放快，屬于“消能”區(qū);硬巖不易發(fā)生變形，能量聚集強(qiáng)，屬于“聚能”區(qū)。因此，軟巖以擠壓變形為特征，硬巖以巖爆為特征。在軟硬巖接觸區(qū)，消能和聚能相交而發(fā)生互相滲透，導(dǎo)致軟巖消能與硬巖聚能能力減弱，進(jìn)而表現(xiàn)為擠壓變形與巖爆風(fēng)險(xiǎn)降低。遠(yuǎn)離軟硬巖接觸區(qū)，消聚能相互滲透、相互影響能力減弱，圍巖穩(wěn)定性降低。

3.2? 圍巖主應(yīng)力

不同排列方式下隧洞圍巖主應(yīng)力云圖見表2。前后型復(fù)合地層中硬巖區(qū)主應(yīng)力明顯大于軟巖區(qū)，貼近洞周位置差異最明顯，越往圍巖內(nèi)部，軟硬巖主應(yīng)力差異越小，最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力。在深埋條件下，隧洞圍巖難以穩(wěn)定，軟硬巖都發(fā)生擠壓變形破壞，導(dǎo)致圍巖重新穩(wěn)定形成新的穩(wěn)定地應(yīng)力狀態(tài)。

軟巖區(qū)最大主應(yīng)力值比硬巖區(qū)明顯小，說明硬巖內(nèi)部聚集能量較高，且位于中部邊墻位置。軟巖由于發(fā)生變形，應(yīng)力被釋放，主應(yīng)力在洞周附近分布較均勻。

3.3? 圍巖塑性區(qū)

塑性區(qū)表示那些應(yīng)力符合屈服準(zhǔn)則的區(qū)域，目的是為觀察潛在破壞區(qū)范圍。塑性區(qū)以不同顏色顯示兩類破壞機(jī)制：剪切破壞（shear failure）與張拉破壞（tensile failure）。Shear-n或tension-n表示該區(qū)應(yīng)力正好位于屈服面上，或處于破壞狀態(tài)。

不同排列方式下隧洞圍巖塑性區(qū)分布見表2。軟巖部分的塑性變形范圍顯著高于硬巖，是因?yàn)檐泿r力學(xué)強(qiáng)度低，在相同應(yīng)力環(huán)境下比硬巖更易發(fā)生變形破壞，形成塑性區(qū)。對于前后型復(fù)合地層，軟硬巖塑性區(qū)的類型顯著不同，但兩者在接觸面洞周附近漸變過渡，而非突然轉(zhuǎn)變，說明了軟硬巖間有相互影響作用。

4? 討論

軟巖與硬巖之間變形破壞差異明顯，可認(rèn)為是非協(xié)調(diào)變形。在復(fù)合地層中，軟硬巖兩部分哪種占比多，其力學(xué)行為對整個樣品力學(xué)行為的貢獻(xiàn)就越多[11]。

對深部復(fù)合地層TBM掘進(jìn)的數(shù)值模擬，揭示前后型復(fù)合地層在不同排列方式下圍巖位移、主應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征，合理解釋了TBM掘進(jìn)中巖爆和大變形的交替出現(xiàn)現(xiàn)象。

對深部復(fù)合地層研究內(nèi)容還有很多，現(xiàn)階段主要完成了人工制備的疊置型復(fù)合地層模型樣品的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了深部復(fù)合地層的力學(xué)性質(zhì)。下一步有必要從以下兩方面繼續(xù)開展深部復(fù)合地層TBM工程施工的研究：（1）進(jìn)行大尺度復(fù)合地層的簡單及復(fù)雜力學(xué)試驗(yàn)，同時(shí)考慮巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面因素對力學(xué)行為的影響，深入研究深部復(fù)合地層的跨尺度力學(xué)行為特征。本文未考慮軟硬巖之間結(jié)構(gòu)面的影響。因此，沿軸線方向的變形曲線呈現(xiàn)較均勻?qū)ΨQ的正態(tài)分布形態(tài)，即軟巖變形中間大、兩側(cè)小。（2）由于結(jié)構(gòu)面因素對復(fù)合地層的影響非常顯著，因此需要進(jìn)行復(fù)合地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查及三維可視化工作。有必要在后續(xù)工作中將數(shù)值模擬結(jié)果同現(xiàn)場觀測更好地結(jié)合起來。

5? 結(jié)論

大尺度TBM掘進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨埋深增加，隧洞圍巖穩(wěn)定性變差;對于縱向復(fù)合地層（前后型），遠(yuǎn)離軟、硬巖交界面，軟巖變形增加，硬巖變形減小，這會導(dǎo)致遠(yuǎn)離交界面時(shí)，軟巖中部易發(fā)生擠壓變形，硬巖中部易發(fā)生巖爆。頂拱位移約為底板和邊墻的2倍。軟巖區(qū)中部的最大位移一般約為硬巖區(qū)中間最大位移的2倍。

最大、最小主應(yīng)力云圖表明，前后型復(fù)合地層中軟巖最大主應(yīng)力差異相對較小，而硬巖最大主應(yīng)力差異相對較大。硬巖隧洞邊墻中部位置的最大主應(yīng)力最高，頂、底板處最大主應(yīng)力最低。預(yù)示自重應(yīng)力場下的硬巖，隧洞邊墻中部易發(fā)生拉裂破壞和出現(xiàn)塑性區(qū)。

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