深埋地下洞室圍巖脆性破壞影響因素及規律研究

趙 海 軍

(山東華科規劃建筑設計有限公司，山東 聊城 252000)

1 概述

深埋于地下的硬性巖體在高地應力作用下易于脆性破壞，如剝落、片幫、巖爆等。合理預測分析高地應力下圍巖破壞范圍，對于地下洞室施工初期支護設計參數選擇十分必要[1]。針對硬脆性巖石破壞模擬分析，很多學者從不同的方面開展了相關的研究，結果顯示采用常規的強度應力比或者彈塑性模型并不能很好的預測硬脆性巖石發生片幫的范圍，并相應的給出了不同的預測方法，如m-0準則、CWFS模型、CSFH模型等[2-4]。地下洞室圍巖破壞范圍與巖體及巖體賦存環境相關，地應力和巖體強度不僅影響圍巖塑性屈服范圍，同時也影響屈服區位置等[5,6]，基于此本文利用m-0準則，采用Examine2D軟件從埋深變化、側壓系數、地層巖性等不同角度對影響深埋地下洞室圍巖脆性破壞的影響因素及規律進行研究，研究結果可加深對于硬巖脆性破壞的認知，為地下工程支護設計提供一定的參考。

2 屈服準則

Martin等對圍巖脆性破壞進行了研究，其中，基于彈性模型的m-0準則應用較廣泛。此準則考慮了地應力作用及巖體強度特性與巖石強度特性之間的不同，并認為巖體發生脆性破壞，主要是黏聚力丟失所致，摩擦角在脆性破壞時并未被激發，其作用可被忽略。該準則是在Hoek-Brown強度準則的基礎上，將巖體質量參數m視為0，s=0.11，即:

σ1-σ3=Aσc

(1)

其中，σ1和σ3分別為最大、最小主應力；σc為巖石單軸抗壓強度。

3 影響因素

圍巖脆性破壞的影響因素很多，可分為自然因素和人為因素兩類。此處利用m-0準則，采用RocScience公司的Examine2D軟件從埋深變化、側壓系數、地層巖性等不同角度進行單一因素影響研究。

3.1 埋深

不同埋深情況下洞室圍巖塑性屈服如圖1所示。

由圖1可知，對于同一種圍巖而言，隨著埋深的增加圍巖塑性屈服區逐漸變深，即隨著最大主應力量值的增加，圍巖屈服破壞的可能性越大，進而進一步增加發生巖爆的可能。

3.2 側壓系數

不同側壓系數下圍巖塑性屈服情況如圖2所示。

由圖2可知，側壓系數小于1.0時，隨著側壓系數的增加，塑性區深度變化較小，但寬度方向明顯發生變化。側壓系數達到1.0時，塑性屈服區主要分布于環洞壁方向，無明顯V字形屈服區出現。側壓系數大于1.0時，V字形屈服區隨之出現，但出現位置發生變化，由右拱肩變化至左拱肩，硬性圍巖屈服范圍隨著主應力方向的變化而變化。

3.3 粘聚力

巖體粘聚力不同時，塑性破壞如圖3所示。

由圖3可知，隨著巖體粘聚力強度增高，洞壁圍巖塑性區范圍逐漸降低，即圍巖強度的增加，洞壁屈服巖體范圍減小，圍巖裂隙化減弱，進而發生巖爆的可能性降低。

3.4 摩擦角

巖體摩擦角不同時圍巖釋放應變能及應變能密度的影響如圖4所示。

隨著巖體摩擦強度的增高，洞壁圍巖屈服區深度逐漸減小。即圍巖強度的增加，洞壁屈服巖體范圍減小，圍巖裂隙化減弱，進而發生巖爆的可能性降低。

4 結語

本文在利用m-0準則，采用Examine2D軟件從埋深變化、側壓系數、地層巖性等不同角度對影響深埋地下洞室圍巖脆性破壞的影響因素及規律進行研究，得到以下認識：

1)對于同一種圍巖而言，隨著埋深的增加圍巖塑性屈服區逐漸變深，即隨著最大主應力量值的增加，圍巖屈服破壞的可能性越大，進而進一步增加發生巖爆的可能。側壓系數對于硬性圍巖屈服范圍具有較大影響，當主應力方向發生變化時，V型破壞范圍發生變化。2)巖體粘聚力和膜材強度的增高，將使得圍巖塑性區范圍逐漸降低，圍巖裂隙化減弱，進而發生巖爆的可能性降低。

參考文獻：

[1] 張傳慶,馮夏庭,周 輝,等.深部試驗隧洞圍巖脆性破壞及數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2010,29(10):2063-2068.

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[3] Martin C D,Kaiser P K,McCreath DR.Hoek-Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels[J].Canadian Geotechnical Jorunal,1999,36(1):51-135.

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[6] 左建平,黃亞明,熊國軍,等.脆性巖石破壞的能量跌落系數研究[J].巖土力學,2014(2):321-327.