關(guān)于隧洞圍巖破壞特征的連續(xù)-離散耦合分析

劉紹興， 任紅磊

(河北工程大學 水利水電學院， 河北 邯鄲 056038)

隨著國民經(jīng)濟的不斷增長，深埋洞室的穩(wěn)定性問題屢見不鮮。埋深的增加意味著更加復雜的應力環(huán)境，因此有必要對洞室穩(wěn)定性做針對性的研究。對于復雜應力環(huán)境下深埋隧洞破壞特征研究，目前主要集中在洞室圍巖安全性評價、變形破壞機理及后期穩(wěn)定性的把控等方面。研究方法主要包括室內(nèi)巖石力學試驗、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等方面。

董書明等[1]通過有限元ANSYS對4種典型洞室斷面開挖后的分析認為，蛋殼形隧洞最有利于洞室圍巖穩(wěn)定；李浩等[2]通過FLAC3D軟件對4種典型斷面進行研究后可知，圓形隧洞斷面位移量、應力集中系數(shù)及塑性區(qū)面積均最小，曲墻式隧洞斷面次之；皮進等[3]通過FLAC3D分析認為，從整體上看，圓形襯砌整體受力更均勻，而馬蹄形襯砌可改善錨具槽部位的受力；米春榮等[4]認為在相同地應力條件下，巷道曲率的減小有助于減小巷道周邊的破裂范圍；項戈澤等[5]探討了深埋地下洞室在自重應力條件下不同側(cè)壓系數(shù)對洞室?guī)r爆過程及其洞室周圍破壞區(qū)域的影響；譚濤等[6]發(fā)現(xiàn)當側(cè)壓系數(shù)大于1并逐漸增大時，塑性區(qū)在頂?shù)装鍑鷰r拓展，兩幫收縮程度明顯增大；龔大銀等[7]通過模擬不同側(cè)壓系數(shù)下的圓形巷道發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，水平位移增加的現(xiàn)象越來越明顯；袁本慶等[8]認為隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道兩幫圍巖垂直應力呈遞減狀態(tài)，剪切應力、頂?shù)装鍑鷰r垂直應力呈增大趨勢；張振全等[9]通過工程勘測及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，側(cè)壓系數(shù)的增加會使應力集中區(qū)域由兩側(cè)向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，進而導致深部巷道頂?shù)装遄冃纹茐?；何富連等[10]在對底板沖擊地壓事故研究后發(fā)現(xiàn)，當側(cè)壓系數(shù)大于1.5時，底板塑性區(qū)范圍急劇擴大，圍巖穩(wěn)定性急劇惡化。袁周祥等[11]利用PFC2D模擬了圓形與城門洞形洞室，認為側(cè)壓系數(shù)為2.0時，洞室周圍發(fā)生巖爆的概率大大增加。藍盛等[12]采用PFC2D建立煤體流固耦合模型,分析了側(cè)壓力系數(shù)對裂縫擴展及動能演化規(guī)律影響。

本文以齊熱哈塔爾地區(qū)地質(zhì)環(huán)境為背景，針對側(cè)壓系數(shù)和洞室斷面形狀，借助PFC6.0建立隧洞三維連續(xù)-離散模型進行研究，以期為地下洞室選形及穩(wěn)定性問題提供指導。

1 連續(xù)-離散三維數(shù)值模型的建立

1.1 工程背景

齊熱哈塔爾地處昆侖山脈高山峽谷地區(qū)，數(shù)以億年的地質(zhì)演化形成了該地區(qū)以片麻花崗巖為主的原巖地質(zhì)條件。若在此開挖引水隧洞，則面臨著高地應力、高地熱、巖爆等一系列嚴重威脅施工安全的問題。因此，根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)條件適當選取合適的斷面形狀減小開挖隧洞帶來的風險及開挖后隧洞的穩(wěn)定性就十分必要。

1.2 數(shù)值模型的建立

借助離散元軟件PFC6.03D建立模型，如圖1(a)所示，內(nèi)部R-block模塊尺寸為1 200 mm×1 200 mm×300 mm，外部zone模塊尺寸為3 000 mm×3 000 mm×300 mm，其中模型的寬作為Y軸，長、高作為X、Z軸方向。Z軸方向為垂直應力，側(cè)壓系數(shù)為λ，X、Y軸方向為水平應力相等且均為λ倍的垂直應力。洞室斷面形狀分別為圓形、直墻圓拱形及正方形，具體斷面尺寸如圖1(b)所示。假設(shè)洞室周圍巖體巖性單一且均勻分布，模型力學參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型

表1 模型力學參數(shù)

1.3 模擬方案

考慮側(cè)壓系數(shù)與洞室形狀對隧洞破壞特征的影響，具體研究方案是：①側(cè)壓系數(shù)λ分別取0.5、1、2;②選取的洞室形狀為圓形、直墻圓拱形和正方形;③根據(jù)洞室周圍塑性區(qū)演化、洞室周圍位移及洞室周邊裂紋發(fā)育狀態(tài)，對隧洞的破壞特征進行探討。

2 結(jié)果分析

2.1 洞室周圍塑性區(qū)演化

由圖2～圖4可見，3類洞室的塑性區(qū)演化隨著側(cè)壓系數(shù)的變化呈現(xiàn)出了相似的變化規(guī)律。頂板處，塑性區(qū)域由兩側(cè)向中間上部拓展，破裂面積不斷增大，這是由于水平應力的增加而造成的；而在兩幫處，塑性區(qū)并未隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而出現(xiàn)明顯的擴張現(xiàn)象，說明在3個不同斷面形狀的洞室中，λ的增大并不會造成洞室兩幫塑性區(qū)域的拓展；底板處，破裂區(qū)域的演化與頂板類似，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，破裂區(qū)域逐漸由兩幫向中間及更深處發(fā)展，當λ=2.0時，破裂已經(jīng)十分嚴重。在λ由0.5到2.0的變化中，原巖應力也由以垂直應力為主逐漸向以水平應力為主轉(zhuǎn)化，具體表現(xiàn)為隨著隧洞埋深的增加，水平應力不斷增強，洞室圍巖破裂程度更加嚴重。

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)下圓形洞室的破裂演化

圖3 不同側(cè)壓系數(shù)下直墻圓拱形洞室的破裂演化

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)下正方形洞室的破裂演化

2.2 洞室周邊位移

由圖5、圖6及圖7可知，3類形狀洞室開挖后，位移值較高區(qū)域隨著側(cè)壓系數(shù)的增加而變化。當λ=0.5時，洞室兩幫位移較大而頂?shù)装逦灰戚^小；當λ=1時，洞室四周位移接近均勻分布的狀態(tài)，且此種狀態(tài)下洞室圍巖穩(wěn)定性最高；當λ=2時，洞室頂?shù)装宓奈灰埔呀?jīng)高于兩幫。分析以上結(jié)果，隨著水平應力的不斷增加，高位移區(qū)由洞室的兩側(cè)逐漸轉(zhuǎn)移到洞室頂?shù)装澹?2時，位移增量明顯增加。

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)下圓形洞室周圍位移云圖

圖6 不同側(cè)壓系數(shù)下直墻圓拱形洞室周圍位移云圖

圖7 不同側(cè)壓系數(shù)下正方形洞室周圍位移云圖

2.3 洞室周邊的裂紋發(fā)育狀態(tài)

如圖8、圖9及圖10所示，當λ=0.5時，3類洞室頂板與底板均為拉剪復合破壞，兩幫主要為張拉破壞；當λ=1時，洞室頂板與底板同樣均為拉剪復合破壞，兩幫以張拉破壞為主且剪切裂紋明顯增多，但由圖11可知，此時裂紋數(shù)量并未出現(xiàn)明顯的增長，證明此時洞室周圍巖體應力狀態(tài)較為穩(wěn)定；而當λ=2時，洞室的頂?shù)装寮皟蓭投汲尸F(xiàn)出拉剪復合破壞，且裂紋數(shù)量迅速增長，說明此時洞室周圍巖體破損程度較為嚴重。

圖8 不同側(cè)壓系數(shù)下圓形洞室周圍裂紋發(fā)育情況

圖9 不同側(cè)壓系數(shù)下直墻圓拱形洞室周圍裂紋發(fā)育情況

圖10 不同側(cè)壓系數(shù)下正方形洞室周圍裂紋發(fā)育情況

圖11 不同工況下的裂紋數(shù)量

由裂紋的分布情況來看，洞室兩幫的破裂程度是要小于頂板和底板的，λ=2.0時，裂紋迅速發(fā)育擴張，頂?shù)装宓钠茡p十分嚴重，且λ一定時，圓形洞室破損程度最小，正方形洞室最大。λ=2.0時，圓形洞室的張拉裂紋數(shù)量為直墻圓拱形洞室的75.8%，為正方形洞室的62.07%，圓形洞室的剪切裂紋數(shù)量為直墻圓拱形洞室的70.4%，為正方形洞室的57.1%，說明當λ較大時，圓形洞室周圍圍巖破壞程度最小。

2.4 結(jié)果分析

對比以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，洞室斷面形狀一定時，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，洞室頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化明顯，兩幫次之。λ=0.5時，洞室兩幫位移較為明顯，λ=1時，洞室圍巖位移分布較為均勻，此時的圍巖穩(wěn)定性也最高，當λ=2時，洞室的位移增量增加明顯，且此時位移集中區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到頂板。由洞室周邊裂紋發(fā)育狀態(tài)可知，洞室頂?shù)装迨冀K呈現(xiàn)出拉剪復合破壞，而洞室兩幫則隨著λ的增加逐漸由以張拉破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳艋旌掀茐臑橹?。λ一定時，圓形斷面洞室相較于其他兩種洞室塑性區(qū)面積，對圍巖的擾動程度及洞室圍巖破壞程度均最小。

3 結(jié)論

1)當洞室形狀一定時，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，洞室頂板與底板塑性區(qū)變化較為明顯，兩幫次之，隨著λ的變化，洞室圍巖高位移區(qū)由兩幫轉(zhuǎn)移至頂?shù)装?，且在?1時，圍巖狀態(tài)最為穩(wěn)定。根據(jù)洞室圍巖裂紋發(fā)育狀態(tài)，洞室頂?shù)装迨冀K以拉剪復合破壞為主，而兩幫則會隨著λ的增大由張拉破壞向拉剪復合破壞轉(zhuǎn)變。

2)當側(cè)壓系數(shù)λ一定時，圓形斷面洞室無論是塑性區(qū)面積還是對圍巖的應力擾動程度及圍巖破壞程度均為最小。