呂祥鋒

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037;2.地下工程建設預報預警北京市重點實驗室，北京 100037)

0 引言

隨著地球淺部資源逐漸枯竭，深部資源成為主要開采源。深部地下工程開挖，安全問題是工程面臨的主要問題，尤其在深部開挖過程中伴有不斷的震動擾動，對深部開挖安全產生極大的威脅［1－2］。國內外科研和技術工作者在此方面開展了大量的研究工作，張春生等［3］研究了深埋隧洞開挖時不同部位圍巖應力的變化路徑，探討了脆性圍巖高應力破壞的局部化問題;宋宏偉等［4］研究了開挖中圍巖破裂性質和支護問題，指出碎脹變形是地下工程支護的主要載荷來源;劉招偉等［5］探討了復雜環(huán)境條件下地下工程微震爆破施工技術，對降低爆破震動對周圍環(huán)境的影響提出了相應技術措施。而針對深埋地下隧洞開挖失穩(wěn)方面的研究還較少，尤其是受震源擾動的三維數(shù)值計算規(guī)律尚不明確。隨著地下工程開挖難度的不斷加大，圍巖應力往往大于其極限承載能力，加上某處常伴有震源沖擊作用，使得圍巖體發(fā)生變形或破壞，對地下工程開挖安全造成明顯威脅，需要掌握震源波在圍巖體中的傳播和衰減及其對圍巖體沖擊作用的影響。因此，研究考慮震源擾動作用下的深埋隧洞開挖穩(wěn)定和控制，對深部地下工程安全施工提供理論指導，具有重要、實際意義。本文采用GPU加速技術數(shù)值模擬方法，對不同震源擾動方式的深部地下工程開挖穩(wěn)定和控制進行研究。

1 震源擾動三維模型

數(shù)值計算中，選取深埋隧洞某一開挖段為研究對象，計算模型尺寸為24 m×17 m×17 m，計算中采用圓形斷面，尺寸為φ3 m×15 m。計算模型采用Drucker-Prager準則的彈塑性模型［6］，模型共分為4層，從上至下分別為:礫巖層(厚5 m)、頂板層(厚3 m)、開挖層(厚6 m)和底板層(厚3 m)，在頂板、底板和兩邊幫各設置3個測點(測點間距為0.5 m)，測點布置見圖1 (a)。隧洞上方震源擾動主要來源為地下爆破施工和鉆孔擾動，因此模擬點震源和震面波2種工況。數(shù)值計算幾何模型見圖1(b)。三維數(shù)值模型見圖2，計算模型參數(shù)根據(jù)當?shù)氐刭|資料取值見表1。震源擾動作用的施加方式為在節(jié)點或面上輸入速度時程關系，持續(xù)時間為1 s，也即在節(jié)點或面上施加邊界條件完成。

圖1 模型平面幾何尺寸及監(jiān)測點分布圖(單位:m)Fig.1 Geometrical dimension of the model and layout of the monitoring points(m)

圖2 三維數(shù)值計算模型Fig.2 3D numerical calculation model

由于隧洞距離地面為無限遠，且底板受震源擾動作用不大，側面與隧洞距離可忽略尺寸效應影響，邊界條件設置為模型底板全約束，側面水平約束，頂板為自由面。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，計算中施加在模型邊界面上的初始應力場為:水平最大應力為20 MPa，水平最小應力為18 MPa，垂直應力為17 MPa。計算中，首先計算初始應力場至穩(wěn)定，然后進行隧洞每開挖步穩(wěn)定至開挖多步，形成隧洞某一開挖段，最后進行上方震源計算，對比不同震源工況下開挖隧洞的穩(wěn)定性。

2 點震源傳播衰減與沖擊作用研究

圖3為豎向應力隨計算時步的變化關系及監(jiān)測點豎向應力對比曲線。從數(shù)據(jù)結果分析可知，測點7—9豎向應力數(shù)據(jù)均為負值，且測點7數(shù)值最大(3.5 MPa)，曲線波動也最大;測點10—12豎向應力數(shù)值基本上均為正值，且測點10曲線波動較小，說明點震源傳播方向是從上至下，且距離震源位置越近，震動作用越強，正、負值說明點震源對巷道頂?shù)装宀▌幼饔檬琼敯逑蛳?、底板向上，?shù)值計算結果與以往試驗規(guī)律具有一致性。

表1 計算模型參數(shù)Table 1 Parameters of calculation model

圖3 豎向應力隨時間變化關系Fig.3 Vertical stress Vs time

圖4給出了不同時步豎向速度計算結果。從豎向速度垂直巷道剖面結果可知，點震源作用后主要向巷道方向傳播［7－8］，在0.1 s時，就已經對巷道周圍產生作用，隨著時間的增加，點震源對巷道的作用顯著增大，向巷道方向傳播過程中呈現(xiàn)擴散現(xiàn)象，并不斷包裹整個巷道，點震源對整個巷道有一定的波動作用。

圖4 不同時間豎向速度結果(單位:m/s)Fig.4 Calculation results of vertical speed(m/s)

3 震面波對地下工程開挖失穩(wěn)影響分析

圖5為豎向應力隨計算時步變化關系以及監(jiān)測點豎向應力對比曲線。由數(shù)據(jù)結果分析可知，測點7—9豎向應力數(shù)值基本上均為負值，測點8—9在正、負值之間波動，測點7數(shù)值均為負值，且曲線波動最大，最大數(shù)值為17 MPa，是受局部面震源作用強烈所致;測點10數(shù)值保持基本不變;測點11—12曲線波動較大，說明局部面震源傳播過程較復雜，局部面波傳播過程中出現(xiàn)重疊時而增強時而減弱［9－10］，整體上是距離震源位置越近，震動作用越強，正、負值也可說明局部面震源對巷道頂?shù)装宀▌幼饔檬琼敯逯饕蛳?、底板主要向上?/p>

圖5 豎向應力隨時間變化關系Fig.5 Vertical stress Vs time

圖6為不同計算時步豎向速度計算結果。從豎向速度垂直巷道剖面結果可知，巷道受局部面震源作用明顯，在0.1 s時，巷道周圍受波動作用非常明顯，在巷道圍巖附近略有局部明顯擾動;在1.0 s時，振動作用繼續(xù)持續(xù)，局部面震源作用在頂板上方形成近似“漏斗”狀，在底板下方形成近似“M”型分布，局部面震源對整個巷道有較強的波動作用，易造成巷道整體失穩(wěn)［11－13］。

圖6 不同時間豎向速度結果(單位:m/s)Fig.6 Calculation results of vertical speed(m/s)

4 結論與討論

不同方式條件下的震源波傳播和衰減具有共同點:震源作用后主要向巷道方向傳播，并很快對巷道圍巖體產生作用;隨著計算時步的增加，震源對巷道的作用不斷增大，向巷道方向傳播過程呈現(xiàn)擴散現(xiàn)象，并不斷包裹整個巷道，波動作用巷道表現(xiàn)為對頂板整體向下、兩邊幫向內側、底板向上。其不同之處在于:不同震源方式對巷道的波動作用不同，震源波對巷道波動作用很大，點震源較小，當震源波動強烈時，波動對巷道作用呈現(xiàn)整體向下、底板局部向上;另外，震源波在煤巖體中的傳播也是沖擊載荷不斷消弱的過程。震源擾動對深埋隧洞開挖速度和工序有一定影響，采用的開挖速度和工序是否有利于施工安全等問題仍需要多工況、定量化計算才能解決。

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