關于隧洞圍巖破壞特征的連續-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)

隨著國民經濟的不斷增長，深埋洞室的穩定性問題屢見不鮮。埋深的增加意味著更加復雜的應力環境，因此有必要對洞室穩定性做針對性的研究。對于復雜應力環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定性的把控等方面。研究方法主要包括室內巖石力學試驗、現場監測及數值模擬等方面。

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、應力集中系數及塑性區面積均最小，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壓系數對洞室巖爆過程及其洞室周圍破壞區域的影響；譚濤等[6]發現當側壓系數大于1并逐漸增大時，塑性區在頂底板圍巖拓展，兩幫收縮程度明顯增大；龔大銀等[7]通過模擬不同側壓系數下的圓形巷道發現，隨著側壓系數的增加，水平位移增加的現象越來越明顯；袁本慶等[8]認為隨著側壓系數的增加，巷道兩幫圍巖垂直應力呈遞減狀態，剪切應力、頂底板圍巖垂直應力呈增大趨勢；張振全等[9]通過工程勘測及數值模擬發現，側壓系數的增加會使應力集中區域由兩側向頂底板轉移，進而導致深部巷道頂底板變形破壞；何富連等[10]在對底板沖擊地壓事故研究后發現，當側壓系數大于1.5時，底板塑性區范圍急劇擴大，圍巖穩定性急劇惡化。袁周祥等[11]利用PFC2D模擬了圓形與城門洞形洞室，認為側壓系數為2.0時，洞室周圍發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,分析了側壓力系數對裂縫擴展及動能演化規律影響。

本文以齊熱哈塔爾地區地質環境為背景，針對側壓系數和洞室斷面形狀，借助PFC6.0建立隧洞三維連續-離散模型進行研究，以期為地下洞室選形及穩定性問題提供指導。

1 連續-離散三維數值模型的建立

1.1 工程背景

齊熱哈塔爾地處昆侖山脈高山峽谷地區，數以億年的地質演化形成了該地區以片麻花崗巖為主的原巖地質條件。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，根據該地區的地質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定性就十分必要。

1.2 數值模型的建立

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，側壓系數為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。假設洞室周圍巖體巖性單一且均勻分布，模型力學參數見表1。

圖1 數值模型

表1 模型力學參數

1.3 模擬方案

考慮側壓系數與洞室形狀對隧洞破壞特征的影響，具體研究方案是：①側壓系數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根據洞室周圍塑性區演化、洞室周圍位移及洞室周邊裂紋發育狀態，對隧洞的破壞特征進行探討。

2 結果分析

2.1 洞室周圍塑性區演化

由圖2～圖4可見，3類洞室的塑性區演化隨著側壓系數的變化呈現出了相似的變化規律。頂板處，塑性區域由兩側向中間上部拓展，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，塑性區并未隨著側壓系數的增大而出現明顯的擴張現象，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域的拓展；底板處，破裂區域的演化與頂板類似，隨著側壓系數的增大，破裂區域逐漸由兩幫向中間及更深處發展，當λ=2.0時，破裂已經十分嚴重。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化，具體表現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 不同側壓系數下圓形洞室的破裂演化

圖3 不同側壓系數下直墻圓拱形洞室的破裂演化

圖4 不同側壓系數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，位移值較高區域隨著側壓系數的增加而變化。當λ=0.5時，洞室兩幫位移較大而頂底板位移較??；當λ=1時，洞室四周位移接近均勻分布的狀態，且此種狀態下洞室圍巖穩定性最高；當λ=2時，洞室頂底板的位移已經高于兩幫。分析以上結果，隨著水平應力的不斷增加，高位移區由洞室的兩側逐漸轉移到洞室頂底板，λ=2時，位移增量明顯增加。

圖5 不同側壓系數下圓形洞室周圍位移云圖

圖6 不同側壓系數下直墻圓拱形洞室周圍位移云圖

圖7 不同側壓系數下正方形洞室周圍位移云圖

2.3 洞室周邊的裂紋發育狀態

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，此時裂紋數量并未出現明顯的增長，證明此時洞室周圍巖體應力狀態較為穩定；而當λ=2時，洞室的頂底板及兩幫都呈現出拉剪復合破壞，且裂紋數量迅速增長，說明此時洞室周圍巖體破損程度較為嚴重。

圖8 不同側壓系數下圓形洞室周圍裂紋發育情況

圖9 不同側壓系數下直墻圓拱形洞室周圍裂紋發育情況

圖10 不同側壓系數下正方形洞室周圍裂紋發育情況

圖11 不同工況下的裂紋數量

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，裂紋迅速發育擴張，頂底板的破損十分嚴重，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 結果分析

對比以上結果發現，洞室斷面形狀一定時，隨著側壓系數的增大，洞室頂底板塑性區變化明顯，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，且此時位移集中區已經轉移到頂板。由洞室周邊裂紋發育狀態可知，洞室頂底板始終呈現出拉剪復合破壞，而洞室兩幫則隨著λ的增加逐漸由以張拉破壞為主轉變為以拉剪混合破壞為主。λ一定時，圓形斷面洞室相較于其他兩種洞室塑性區面積，對圍巖的擾動程度及洞室圍巖破壞程度均最小。

3 結論

1)當洞室形狀一定時，隨著側壓系數的增加，洞室頂板與底板塑性區變化較為明顯，兩幫次之，隨著λ的變化，洞室圍巖高位移區由兩幫轉移至頂底板，且在λ=1時，圍巖狀態最為穩定。根據洞室圍巖裂紋發育狀態，洞室頂底板始終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變。

2)當側壓系數λ一定時，圓形斷面洞室無論是塑性區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。