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(xué) 水利水電學(xué)院， 河北 邯鄲 056038)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，深埋洞室的穩(wěn)定性問(wèn)題屢見不鮮。埋深的增加意味著更加復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，因此有必要對(duì)洞室穩(wěn)定性做針對(duì)性的研究。對(duì)于復(fù)雜應(yīng)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(píng)價(jià)、變形破壞機(jī)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(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬等方面。

董書明等[1]通過(guò)有限元ANSYS對(duì)4種典型洞室斷面開挖后的分析認(rèn)為，蛋殼形隧洞最有利于洞室圍巖穩(wěn)定；李浩等[2]通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)4種典型斷面進(jìn)行研究后可知，圓形隧洞斷面位移量、應(yīng)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(jìn)等[3]通過(guò)FLAC3D分析認(rèn)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(rèn)為在相同地應(yīng)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(xiàng)戈澤等[5]探討了深埋地下洞室在自重應(yīng)力條件下不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)洞室?guī)r爆過(guò)程及其洞室周圍破壞區(qū)域的影響；譚濤等[6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1并逐漸增大時(shí)，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(guò)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(lái)越明顯；袁本慶等[8]認(rèn)為隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，巷道兩幫圍巖垂直應(yīng)力呈遞減狀態(tài)，剪切應(yīng)力、頂?shù)装鍑鷰r垂直應(yīng)力呈增大趨勢(shì)；張振全等[9]通過(guò)工程勘測(cè)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，側(cè)壓系數(shù)的增加會(huì)使應(yīng)力集中區(qū)域由兩側(cè)向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，進(jìn)而導(dǎo)致深部巷道頂?shù)装遄冃纹茐?；何富連等[10]在對(duì)底板沖擊地壓事故研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1.5時(shí)，底板塑性區(qū)范圍急劇擴(kuò)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(rèn)為側(cè)壓系數(shù)為2.0時(shí)，洞室周圍發(fā)生巖爆的概率大大增加。藍(lán)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(duì)裂縫擴(kuò)展及動(dòng)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(duì)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(jìn)行研究，以期為地下洞室選形及穩(wěn)定性問(wèn)題提供指導(dǎo)。

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(yīng)力、高地?zé)?、巖爆等一系列嚴(yán)重威脅施工安全的問(wèn)題。因此，根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)條件適當(dāng)選取合適的斷面形狀減小開挖隧洞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)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(zhǎng)、高作為X、Z軸方向。Z軸方向?yàn)榇怪睉?yīng)力，側(cè)壓系數(shù)為λ，X、Y軸方向?yàn)樗綉?yīng)力相等且均為λ倍的垂直應(yīng)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(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模型

表1 模型力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬方案

考慮側(cè)壓系數(shù)與洞室形狀對(duì)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(duì)隧洞的破壞特征進(jìn)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(yīng)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(kuò)張現(xiàn)象，說(shuō)明在3個(gè)不同斷面形狀的洞室中，λ的增大并不會(huì)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(dāng)λ=2.0時(shí)，破裂已經(jīng)十分嚴(yán)重。在λ由0.5到2.0的變化中，原巖應(yīng)力也由以垂直應(yīng)力為主逐漸向以水平應(yīng)力為主轉(zhuǎn)化，具體表現(xiàn)為隨著隧洞埋深的增加，水平應(yīng)力不斷增強(qiáng)，洞室圍巖破裂程度更加嚴(yán)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(dāng)λ=0.5時(shí)，洞室兩幫位移較大而頂?shù)装逦灰戚^小；當(dāng)λ=1時(shí)，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(dāng)λ=2時(shí)，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(yīng)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?，?2時(shí)，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(dāng)λ=0.5時(shí)，3類洞室頂板與底板均為拉剪復(fù)合破壞，兩幫主要為張拉破壞；當(dāng)λ=1時(shí)，洞室頂板與底板同樣均為拉剪復(fù)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(shí)裂紋數(shù)量并未出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)，證明此時(shí)洞室周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)較為穩(wěn)定；而當(dāng)λ=2時(shí)，洞室的頂?shù)装寮皟蓭投汲尸F(xiàn)出拉剪復(fù)合破壞，且裂紋數(shù)量迅速增長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)洞室周圍巖體破損程度較為嚴(yán)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(lái)看，洞室兩幫的破裂程度是要小于頂板和底板的，λ=2.0時(shí)，裂紋迅速發(fā)育擴(kuò)張，頂?shù)装宓钠茡p十分嚴(yán)重，且λ一定時(shí)，圓形洞室破損程度最小，正方形洞室最大。λ=2.0時(shí)，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(shuō)明當(dāng)λ較大時(shí)，圓形洞室周圍圍巖破壞程度最小。

2.4 結(jié)果分析

對(duì)比以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，洞室斷面形狀一定時(shí)，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(shí)，洞室兩幫位移較為明顯，λ=1時(shí)，洞室圍巖位移分布較為均勻，此時(shí)的圍巖穩(wěn)定性也最高，當(dāng)λ=2時(shí)，洞室的位移增量增加明顯，且此時(shí)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(fù)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(shí)，圓形斷面洞室相較于其他兩種洞室塑性區(qū)面積，對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度及洞室圍巖破壞程度均最小。

3 結(jié)論

1)當(dāng)洞室形狀一定時(shí)，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)装澹以讦?1時(shí)，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(fù)合破壞為主，而兩幫則會(huì)隨著λ的增大由張拉破壞向拉剪復(fù)合破壞轉(zhuǎn)變。

2)當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ一定時(shí)，圓形斷面洞室無(wú)論是塑性區(qū)面積還是對(duì)圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)程度及圍巖破壞程度均為最小。