史孝輝 齊和濤

隧道周圍的地應(yīng)力是隧道周圍承受的唯一外部載荷,其數(shù)值大小對(duì)隧道的變形與破壞起到?jīng)Q定性作用。隨著大規(guī)模水電工程以及海底交通隧道等深部地下空間的開發(fā),深部隧道的變形與破壞問題日益突出?，F(xiàn)在已有不少學(xué)者開始對(duì)深部隧道施工的諸多問題進(jìn)行研究,特別是深部巖層的隧道穩(wěn)定性的研究[1,2]。這些研究的開展充分說明深部巖層中的隧道穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為深部地下空間開發(fā)中首要解決的關(guān)鍵問題。

本文從導(dǎo)致巖石破壞的最基本條件開始,討論應(yīng)力場(chǎng)對(duì)隧道變形的影響及其對(duì)策。

1 非均質(zhì)巖體靜水平應(yīng)力條件下的穩(wěn)定性

在不考慮宏觀裂隙影響的條件下,巖石可以視為由不同強(qiáng)度的巖石顆粒膠結(jié)在一起的非均質(zhì)混合體。由于巖石顆粒的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于顆粒的化學(xué)分子幾何尺寸,這就為從細(xì)觀研究巖石的變形提供了條件。在平面模型中,將巖石顆粒視為尺寸相同的正方形單元,和真實(shí)巖塊一樣,每個(gè)正方形單元的物理力學(xué)參數(shù)服從Weibull概率函數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。每個(gè)單元的尺寸是整體巖塊的1%～1‰。圖 1為彈性模量介于18 MPa～3×105MPa,單軸抗壓強(qiáng)度介于0.1 MPa～400 MPa,非均質(zhì)巖體在靜水壓力2.39×103MPa作用下內(nèi)部應(yīng)力云圖。

對(duì)模型施加很大的靜水平壓力進(jìn)行巖石的破壞數(shù)值試驗(yàn),結(jié)果表明:雖然巖塊中存在少量的軟弱顆粒,但巖石在靜水平壓力狀態(tài)下,能夠保持完整狀態(tài),很難失穩(wěn)。

2 巖石破壞的關(guān)鍵因素是應(yīng)力差

在巖石力學(xué)的眾多強(qiáng)度理論中,庫侖—摩爾準(zhǔn)則被認(rèn)為是最符合巖石破壞的準(zhǔn)則,并被廣泛使用。該準(zhǔn)則認(rèn)為巖石的破壞是由于壓應(yīng)力所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過巖石的粘聚力所致。其剪切應(yīng)力的表達(dá)式為:

其中,σ和τ分別為平面的法應(yīng)力和剪應(yīng)力;S0為材料的固有剪切強(qiáng)度的常數(shù);μ為材料的內(nèi)摩擦系數(shù)的常數(shù),μ=tanφ,φ為材料的內(nèi)摩擦角。按照巖石力學(xué)中壓應(yīng)力為正,拉應(yīng)力為負(fù)的規(guī)則,在二維壓應(yīng)力狀態(tài)下,巖石剪切破壞的庫侖—摩爾準(zhǔn)則又可以表示為:

其中,C0為材料的單軸抗壓強(qiáng)度,C0=2S0[(μ2+1)1/2+μ]。此式以簡單的形式給出了決定巖石變形破壞的主應(yīng)力與巖石參數(shù)之間的關(guān)系。從式(2)可以看出應(yīng)力差是導(dǎo)致巖石發(fā)生剪切破壞的根本原因。隧道支護(hù)的原則就是增加隧道圍巖強(qiáng)度,降低隧道附近巖石的應(yīng)力差值,使巖石處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 深部隧道周圍應(yīng)力差的分布范圍

以實(shí)際工程為例,對(duì)隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析。某圓形隧道直徑2 m,所處地層為砂巖,砂巖的物理力學(xué)參數(shù)分別為:彈性模量E=91 000 MPa,Rc=172 MPa,Rs=21.4 MPa,v=0.27,巖石顆粒的非均質(zhì)分布為Weibull分布,非均質(zhì)參數(shù) m=1.5。圖2為隧道在不同深度條件下的破壞分布。顯然,在深度較淺的圖2a)中,隧道表面沒有破壞的跡象。在深度較大的圖2c)中,隧道表面破壞嚴(yán)重,破碎帶的厚度達(dá)到1.2 m～1.4 m。充分說明隨深度增加,隧道表面的破壞區(qū)域增大。

為了進(jìn)一步研究隧道的破壞機(jī)理,繪制不同深度下的主應(yīng)力差(σ1-σ3)的分布(見圖3)。由圖3可以看出,盡管圖3a)中隧道表面沒有破壞的跡象,但在隧道表面附近0.5 m厚的范圍內(nèi),主應(yīng)力差明顯增大;隨著深度增加,隧道表面逐漸破壞,應(yīng)力差的區(qū)域隨之向地層深部延伸,并且其厚度有增大趨勢(shì)(應(yīng)力差集中圈的厚度0.8 m);當(dāng)?shù)貞?yīng)力達(dá)到83.5 MPa時(shí),隧道破壞區(qū)的直徑達(dá)到4 m,應(yīng)力差集中圈的厚度1 m。

4 工程應(yīng)用

研究隧道周圍的應(yīng)力差分布的直接工程意義就是為隧道支護(hù)確定明確的方案。根據(jù)式(2),巖石發(fā)生剪切破壞和主應(yīng)力差值有著密切的關(guān)系。同時(shí)從數(shù)值計(jì)算圖3可以看出,在隧道周圍分布著一定范圍的剪切帶。由此可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:1)由于隧道的開挖,使隧道周圍巖體的應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力差值,并導(dǎo)致隧道破壞;2)對(duì)隧道進(jìn)行支護(hù)就是通過對(duì)隧道表面進(jìn)行襯砌,增加隧道表面的法向應(yīng)力,減小隧道周圍巖體的應(yīng)力差值;3)從隧道支護(hù)的可靠性角度出發(fā),在進(jìn)行隧道錨桿支護(hù)時(shí),錨桿長度應(yīng)該大于應(yīng)力剪切帶的厚度。

5 研究展望

深部高應(yīng)力條件下的非均質(zhì)巖體壓縮變形規(guī)律與低水平應(yīng)力條件下的壓縮有著較大的差異,例如巖體能量的動(dòng)力釋放、高應(yīng)力下的流變性、巖體變形的非線性特性、巖體軟～硬類別的劃分等等都是目前尚未研究的課題。本文就高應(yīng)力狀態(tài)下,靜水平壓力是否能導(dǎo)致巖體的破壞進(jìn)行一點(diǎn)嘗試性研究。依據(jù)同樣的強(qiáng)度準(zhǔn)則,但非均質(zhì)巖體中弱顆粒并不導(dǎo)致高應(yīng)力條件下巖體的失穩(wěn),其周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)值得進(jìn)一步詳細(xì)研究,這將對(duì)深部隧道的支護(hù)起到有益的借鑒作用。

[1] 陳士林,錢七虎,王明洋.深部坑道圍巖的變形與承載能力問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,24(13):2203-2211.

[2] 何滿朝.深部開采工程巖石力學(xué)的現(xiàn)狀及其展望[A].第八次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].北京:科學(xué)出版社,2004:88-94.

[3] 趙陽升,馮增朝,萬志軍.巖體動(dòng)力破壞的最小能量原理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,22(11):1781-1783.

[4] 鄧 偉,王 震.象山隧道大變形特征及施工控制技術(shù)研究[J].山西建筑,2009,35(15):341-342.