巖體破碎程度對TBM隧道圍巖位移量的影響★

楊 悅 陳孝國 劉紀(jì)峰 付曉強

(1.三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004； 2.黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 3.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點實驗室(三明學(xué)院)，福建 三明 365004； 4.三明學(xué)院信息工程學(xué)院，福建 三明 365004)

0 引言

TBM(Tunnel Boring Machine)全斷面掘進機適用于軟巖和硬巖的隧道掘進方法，掘進、支護、出渣等施工工序并行連續(xù)作業(yè)。全斷面掘進機是機、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快、利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點，可實現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實現(xiàn)的復(fù)雜地理地貌深埋長隧洞的施工，在中國鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中應(yīng)用正在迅猛增長[1]。

在破碎巖體力學(xué)性質(zhì)方面已經(jīng)有一定的研究成果，金豐年等[2,3]利用數(shù)值模擬方法針對南京九華山隧道的破碎度研究了圍巖穩(wěn)定性。鄧國華等[4]對黃土隧道圍巖的結(jié)構(gòu)變化特征進行了詳細(xì)分析，得到了一些有意義的結(jié)論。孫曉勇[5]對斷層破碎帶中的隧道支護結(jié)構(gòu)背后注漿層對管片受力的影響進行了研究。楊悅等[6-9]利用數(shù)值模擬和理論解析的方法研究了深部隧道圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)隨著盾構(gòu)機開挖進行的演化規(guī)律，得出一些重要結(jié)論，但是沒有涉及到巖體破碎性的影響。張子新等[10]針對黏性土地層中盾構(gòu)隧道開挖面支護壓力計算方法進行了探討。關(guān)于TBM(盾構(gòu))施工隧道的力學(xué)性質(zhì)研究成果諸多[11-13]，但是關(guān)于巖體破碎帶的影響的研究內(nèi)容相對較少，本文擬對此進行研究。

1 巖體破碎度指標(biāo)

1.1 裂隙度K

巖石的裂隙度K是取樣線方向上單位長度上的節(jié)理數(shù)。對于一組節(jié)理，設(shè)有一條長度為l的取樣線，其上有n條節(jié)理出現(xiàn)，則裂隙度為：

(1)

沿著該取樣線，節(jié)理的平均間距d為:

(2)

若巖體上有n組不同方向的節(jié)理，其裂隙度分別為Ka1,Ka2,Kb1,Kb2,…,Kn1,Kn2，取樣線上的節(jié)理平均間距為max,mbx,…,mnx為:

(3)

其中，ξa,ξb,…,ξn分別為各組節(jié)理與取樣線之間的夾角。

該取樣線上的裂隙度K為各組節(jié)理的裂隙度之和，即K=Ka+Kb+…+Kn。

按裂隙度的大小可以將節(jié)理分組：壓縮或糜棱化帶(K=100 m-1～1 000 m-1)；非常密集節(jié)理(K=10 m-1～100 m-1)；密節(jié)理(K=1 m-1～10 m-1)；疏節(jié)理(K=0 m-1～1 m-1)。

1.2 切割度

有些節(jié)理將巖體完全切割開，有些節(jié)理切割一部分，節(jié)理在巖體中分離的程度用切割度Xe的大小來衡量。假設(shè)平直斷面的面積為A，節(jié)理面的面積為a，那么，切割度為:

(4)

若Xe=1，巖體被完全切割開；Xe=0，巖體完整無裂隙；一般情況下，0

(5)

根據(jù)巖體的裂隙度和切割度的關(guān)系，可以將巖體的破碎程度劃分為不同破碎程度的巖體：似均質(zhì)性、弱節(jié)理化、節(jié)理化、強節(jié)理化及完全節(jié)理化。

2 巖體強度理論

巖石的強度理論是巖石在某一應(yīng)力或組合應(yīng)力的作用下，巖石產(chǎn)生的破壞準(zhǔn)則，是在大量巖石力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，加以歸納、分析、描述建立起來的。由于巖石的成分與成因不同，使巖石的破壞特征會有很多差別。不同的受力狀態(tài)也會影響巖石的強度。目前巖石強度理論主要有四種：最大剪應(yīng)力理論、八面體剪應(yīng)力強度理論、摩爾—庫侖強度理論和格里菲斯強度理論。本文研究巖體破碎程度的影響，因此，選用格里菲斯強度理論。

格里菲斯(Griffith)準(zhǔn)則脆性破壞理論認(rèn)為：實際的固體在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上既不是絕對均勻的，也不是絕對連續(xù)的，其內(nèi)部包有大量的微裂紋和微孔洞。這種固體在外力作用下，即使作用的平均應(yīng)力不大，但由于微裂紋微孔洞邊緣上的應(yīng)力集中，很可能在邊緣局部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這種拉應(yīng)力達(dá)到或超過抗拉強度時，微裂紋便開始擴展，當(dāng)許多這樣的微裂紋擴展、聯(lián)合時，最后使固體沿某一個或若干個平面或曲面形成宏觀破裂。巖石就是這樣一種包含于大量微裂紋和微孔洞的固體材料，因此，格里菲斯理論為巖石破壞判據(jù)提供重要的理論基礎(chǔ)。

3 工程實例分析

3.1 工程地質(zhì)資料

某TBM施工隧道長2 453 m，最大埋深為280 m，建設(shè)過程主要采用TBM施工方法。利用護盾式掘進機，開挖洞徑7.6 m，開挖進尺為1.2 m。巖體風(fēng)化程度較大，節(jié)理較發(fā)育。地下水資源豐富，開挖難度較大。結(jié)合實際工程地質(zhì)資料和相關(guān)設(shè)計規(guī)范，取各層巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬方法

采用FLAC3D有限差分軟件進行隧道開挖的數(shù)值模擬計算。由于洞口呈圓形，隧道所穿越的巖層不對稱，因此取整個洞口及一定范圍內(nèi)的圍巖為研究對象。開挖洞徑7.6 m，根據(jù)數(shù)值模擬中研究范圍的一般規(guī)定，橫向取洞周圍巖的邊界是距洞中心點5倍左右洞徑，取40 m，縱向沿軸線長度也取40 m，即取40 m×40 m×40 m的圍巖，中間是直徑為7.6 m的洞口。對于研究模型上初始荷載取其上覆圍巖的原巖應(yīng)力，應(yīng)力邊界條件是上邊界施加實際上覆圍巖自重應(yīng)力，利用水土合算的辦法計算其自重應(yīng)力。隧道有一定的坡度，但是此處不考慮傾斜角度，建模時認(rèn)為隧道是水平方向。按照常規(guī)建立三維坐標(biāo)系，O點為隧洞圓心，水平向右為OX軸正向，隧洞徑向為OY軸正向，豎直向上為OZ軸正向。

圍巖是有一定破碎程度的非連續(xù)巖體，具有彈塑性變形性質(zhì)，采用FLAC3D有限差分軟件中的Solid三維六面體單元模擬均質(zhì)圍巖，支護體系采用Solid單元模擬，盾構(gòu)機采用Shell殼單元模擬。開挖過程采用分步開挖，每次開挖進尺為1.2 m。由于重點分析巖體裂隙度的影響，采用格里菲斯(Griffith)強度理論作為巖體的本構(gòu)模型。先模擬不考慮巖體破碎的情況，再模擬有巖體破碎的實際情況，將二者計算結(jié)果進行對比分析。破碎巖體按照均勻化理論處理，將破碎巖體視為均勻連續(xù)材料，只是和非破碎巖石的力學(xué)參數(shù)不同。

根據(jù)實際的施工參數(shù)進行開挖模擬，從第一個開挖步開始，被開挖的巖體賦予空單元來模擬開挖掉。計算此時圍巖的徑向位移、縱向位移和最大主應(yīng)力。整個研究范圍需要32個開挖步才能完成，那么將同樣的開挖和計算過程循環(huán)31次即可，每次循環(huán)的初始應(yīng)力是上一個開挖步的應(yīng)力值。第32個開挖步完成以后的圍巖的徑向位移量是需要提取的數(shù)據(jù)。

3.3 結(jié)果分析

完成開挖以后洞周圍巖的最終徑向位移云圖如圖1所示。由圖1可見，圍巖最終徑向位移量的分布形態(tài)受巖體破碎的影響較為明顯。相對于完整巖體，當(dāng)考慮破碎影響時，圍巖中每一點處的最大徑向位移量均有不同程度的增大。

將第1，10,20,30,32等五個開挖步對應(yīng)的圍巖位移量列入表2，并繪制于圖2。由表2，圖2可見，各種工況下，隨著開挖步的增加圍巖徑向位移量都呈增加趨勢。裂隙度越大，圍巖徑向位移量越大。

表2 開挖支護過程中洞周圍巖的徑向位移 mm

在TBM施工過程中，隨著開挖步的開展，圍巖的徑向位移不斷發(fā)展；隨著巖體裂隙度K值的增加，巖體的徑向位移顯著增加；隨著開挖步的增加，破碎巖體的位移量受裂隙度的影響越來越顯著。

4 結(jié)語

首先給出了巖體破碎度的兩個指標(biāo)，即裂隙度和張開度的計算方法。根據(jù)巖體四大強度理論的區(qū)別，選擇格里菲斯準(zhǔn)則作為巖體破壞的判據(jù)。借助實際工程案例的地質(zhì)資料，利用FLAC3D有限差分軟件對TBM施工全過程進行了仿真模擬，得到了不同開挖步對應(yīng)的圍巖徑向位移分布云圖，將不同破碎程度的圍巖位移進行了詳細(xì)對比分析。明確了圍巖的裂隙度對其位移量的影響規(guī)律，研究成果將為隧洞設(shè)計和施工技術(shù)提供理論依據(jù)。