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(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

地下硐室是水利水電、公路鐵路、礦山等基本地下開挖工程，其穩(wěn)定性是工程順利進展的必須條件。由于地下巖體受到自重和構(gòu)造力的作用，內(nèi)部存在初始應(yīng)力，當巖體工程開挖后，由于卸荷作用使原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，空區(qū)部分巖體所承受的應(yīng)力就轉(zhuǎn)移到周邊的巖體：徑向應(yīng)力(σr)隨著向自由表面接近逐漸減小至洞壁處變?yōu)榱?；而切向?yīng)力(σθ)的變化有不同的情況，在一些部位越接近自由表面切向應(yīng)力越大，并于洞壁處達到最高值(即產(chǎn)生壓應(yīng)力集中現(xiàn)象)，在另一些部位，越接近自由表面切向應(yīng)力越小，有時在洞壁處甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力(即產(chǎn)生拉應(yīng)力集中現(xiàn)象)?？傮w來講，在開挖工程導(dǎo)致硐室周邊的應(yīng)力重新分布，在圍巖中引起強烈的應(yīng)力分異現(xiàn)象，并使被開挖巖體中的應(yīng)力在硐室周邊形成應(yīng)力集中區(qū)，這種應(yīng)力集中區(qū)往往是開挖工程破壞主要原因。而埋深較大、原巖應(yīng)力較高、巖石又致密、堅硬的隧洞或巷道往往容易發(fā)生諸如巖爆類的沖擊性破壞。近些年來，隨著水電開挖、跨流域調(diào)水、交通和采礦等領(lǐng)域深埋長大隧洞的增多，深埋高地應(yīng)力條件下硬巖地下工程開挖過程中出現(xiàn)的巖爆問題越來越突出，因其在發(fā)生時間上具有突然性，空間上具有隨機性，形式上常表現(xiàn)為爆裂彈射，具有極大的危害性，從而受到許多學(xué)者的關(guān)注。

近十余年來，隨著巖石力學(xué)研究的深入發(fā)展和工程實際的需要，在巖爆的破壞過程、形成機理及預(yù)測、巖石卸荷破壞與加荷破壞對比條件下巖爆模擬等方面取得了很大的進展。王賢能選取西康鐵路秦嶺深埋隧道的混合花崗巖、含綠色礦物混合花崗巖、攀枝花石灰礦的灰?guī)r做了卸荷試驗，設(shè)計了模擬硐室開挖過程的三軸卸荷實驗，探討了巖石在2種卸荷速率條件下的變形破壞特征以及與巖爆的關(guān)系[1]。徐林生按照地下硐室開挖過程中圍巖的實際受力狀態(tài)，采用卸荷三軸試驗方法，探討了巖爆巖石的變形破壞特征和巖爆形成力學(xué)機制問題[2-3]。張黎明對粉砂巖試樣進行了保持軸向變形不變的卸圍壓試驗，在試驗結(jié)果分析研究的基礎(chǔ)上，對卸荷導(dǎo)致的巖爆進行了研究。研究表明，處于三軸應(yīng)力狀態(tài)下的巖體，如果某一方向的應(yīng)力突然降低造成的巖石在較低應(yīng)力水平下破壞，那么原巖儲存的彈性應(yīng)變能會對外釋放，釋放的能量將轉(zhuǎn)換為破裂巖塊的動能，進而可能引起巖爆[4-5]。

開挖是一切工程(無論是地表工程還是地下工程) 建設(shè)的前提。工程巖體是否產(chǎn)生巖爆取決于開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)，這種卸荷效應(yīng)將引起巖體產(chǎn)生一系列與加荷狀態(tài)下不同的新的巖爆效應(yīng)。因此，對待工程中的巖爆問題，應(yīng)從卸荷效應(yīng)去考慮，這才能作出符合工程實際的決定。鑒于此，本文以錦屏二級水電站引水隧洞開挖過程中發(fā)生的巖爆問題為工程背景，通過采用切縫局部應(yīng)力解除法測量地下硐室開挖卸荷區(qū)巖壁上的二維應(yīng)力狀態(tài)，并采用數(shù)值模擬研究卸荷范圍和卸荷程度對巖爆的影響效應(yīng)，分析深部巖體開挖卸荷效應(yīng)與巖爆的相關(guān)性。

2 基于卸荷效應(yīng)的巖爆機理研究

2.1 卸荷區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

課題組曾采用切縫局部應(yīng)力解除法在錦屏二級水電站4#引水洞開展了卸荷區(qū)應(yīng)力測試研究[6]。測試得出強卸荷區(qū)的豎向應(yīng)力僅為17.4～26.8 MPa，水平向應(yīng)力僅為13.9～18.4 MPa。弱卸荷區(qū)的豎向應(yīng)力增加至32～41 MPa之間，其量值約為強卸荷區(qū)應(yīng)力量值的1.6倍左右。此外，根據(jù)鉆孔巖芯揭示和聲波測試成果，將洞壁圍巖沿深度分布劃分為3個區(qū)域：0～0.4 m左右可歸為強卸荷區(qū)，0.4～1 m左右可歸為弱卸荷區(qū)，1 m以后可歸為原巖區(qū)。強卸荷區(qū)巖體模量約為40 GPa，弱卸荷區(qū)巖體模量約為55 GPa。后者是前者的1.4倍。

測試結(jié)果表明：高應(yīng)力條件下硐室開挖后，受開挖卸荷和爆破損傷作用多種因素影響，洞壁淺部巖體開挖卸荷效應(yīng)明顯。

2.2 數(shù)值模擬

圖1 計算模型及網(wǎng)格劃分

計算采用的開挖模型如圖1所示，模型長(Y方向)取30 m，寬(X方向)和高(Z方向)均取60 m，計算區(qū)域劃分成57 600個單元，61 456個節(jié)點，能夠保證計算具有足夠的精度。其約束條件為：兩側(cè)及底部邊界均為法向約束，頂部為自由表面，在模型體內(nèi)考慮重力梯度，根據(jù)埋深2 000 m結(jié)合圍巖重度(2 750 kg/m3)施加自重荷載，初始地應(yīng)力場按第一主應(yīng)力：與水平面成83°傾角，63 MPa；第二主應(yīng)力：與水平面成7°傾角，34 MPa；第三主應(yīng)力：沿洞軸線方向，26 MPa來施加[7]。巖石的破壞準則采用張拉剪切組合的摩爾-庫倫準則。

表1 巖體參數(shù)隨體積應(yīng)變增量變化關(guān)系

首先建立未開挖的模型，給定本構(gòu)關(guān)系、邊界條件及加載條件進行計算，直到達到靜力平衡狀態(tài)。當體系最大不平衡力與典型內(nèi)力的比率小于定值10-5，則停止計算，認為模型已經(jīng)達到了靜力平衡狀態(tài)。接下來進行引水隧洞的開挖，開挖洞徑為10 m，每次開挖進尺3 m，開挖后對模型重新計算一定時步后再進行下一次開挖，直至開挖完畢。最后對開挖后的模型重新進行計算，直到達到一個新的平衡狀態(tài)，或者總也無法達到平衡(塑性流動，最大不平衡力一直不小于設(shè)定的值)。計算過程中通過不同的塑性體積應(yīng)變增量變化區(qū)間來對應(yīng)巖體的不同力學(xué)參數(shù)，針對隧洞開挖后不同卸荷區(qū)域巖體采用表1中的巖體力學(xué)參數(shù)，來刻畫硐室周圍巖體的開挖卸荷狀態(tài)。

2.3 卸荷范圍對巖爆的影響

為了分析硐室開挖后圍巖卸荷范圍對巖爆的影響效應(yīng)，按下列3種卸荷區(qū)范圍設(shè)計方案分別進行計算：①卸荷工況1，洞壁圍巖沿深度分布0～1 m為強卸荷區(qū)，1～2 m為弱卸荷區(qū)，2 m以后可歸為原巖區(qū)；②卸荷工況2，洞壁圍巖沿深度分布0～2 m為強卸荷區(qū)，2～4 m為弱卸荷區(qū)，4 m以后可歸為原巖區(qū)；③卸荷工況3，洞壁圍巖沿深度分布0～3 m為強卸荷區(qū)，3～5 m為弱卸荷區(qū)，5 m以后可歸為原巖區(qū)；

針對不同卸荷區(qū)域的巖體，通過單元塑性體積應(yīng)變增量變化區(qū)間與表1中不同卸荷區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)的一一對應(yīng)來實現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)在開挖卸荷過程中的演化[8]。

近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在巖爆的研究中做了大量的工作，提出了許多應(yīng)力判據(jù)[9-12]，本文選用水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287—2006)[13]，采用圍巖強度應(yīng)力比Rb/σm(Rb為巖石飽和單軸抗壓強度，本文根據(jù)文獻[14]，將巖石的飽和單軸抗壓強度綜合取值為100 MPa，σm為最大主應(yīng)力)的大小進行巖爆等級的判別。

圖2為不同卸荷范圍下洞壁周圍巖爆等級判別系數(shù)分布圖，圖2(a)至圖2(c)分別對應(yīng)前文中提到的3種卸荷范圍下巖爆等級判別系數(shù)分布情況以及潛在的巖爆動力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離。從圖中可以看出：隨著圍巖卸荷區(qū)范圍的增大，雖然洞壁附近圍巖可能發(fā)生的巖爆等級沒有減小，但洞壁附近圍巖可能發(fā)生輕微巖爆等級(巖爆等級判別系數(shù)為7的區(qū)域)的范圍在增大，也就是說洞壁附近淺表層應(yīng)力降低型破壞區(qū)在增大；潛在的巖爆動力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離分別為4.67,5.90和6.65 m，其位置逐步向深部轉(zhuǎn)移，進一步降低了地下硐室開挖后發(fā)生巖爆的可能性。

圖2 不同卸荷范圍下巖爆等級判別系數(shù)分布

2.4 卸荷程度對巖爆的影響

為了分析硐室開挖后圍巖卸荷程度對巖爆的影響效應(yīng)，在考慮卸荷范圍對巖爆影響工況2的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整卸荷區(qū)域巖體力學(xué)參數(shù)來實現(xiàn)對卸荷巖體卸荷程度的變化，即針對卸荷范圍對巖爆影響工況2所劃分的不同卸荷區(qū)域分別取表2中方案2對應(yīng)的卸荷巖體力學(xué)參數(shù)(原巖區(qū)、弱卸荷區(qū)、強卸荷區(qū)的彈性模量分別取50,30,20 GPa；泊松比分別取0.2,0.25,0.28；以此類推)和方案3對應(yīng)的卸荷巖體力學(xué)參數(shù)(原巖區(qū)、弱卸荷區(qū)、強卸荷區(qū)的彈性模量分別取50,20,10 GPa；泊松比分別取0.2，0.28，0.30；以此類推)進行計算。

圖3為同一卸荷范圍、不同卸荷程度下洞壁周圍巖爆等級判別系數(shù)分布圖，圖3(a)和圖3(b)分別對應(yīng)表2中方案2和方案3兩種卸荷巖體力學(xué)參數(shù)情形下巖爆等級判別系數(shù)分布情況以及潛在的巖爆動力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離。從圖中可以看出：在圍巖卸荷范圍一定的情況下，隨著圍巖卸荷程度的增加，洞壁附近圍巖可能發(fā)生的巖爆等級迅速減小，從方案1可能發(fā)生輕微巖爆等級(巖爆等級判別系數(shù)為7)變成方案2不發(fā)生巖爆(巖爆等級判別系數(shù)為12)和方案3不發(fā)生巖爆(巖爆等級判別系數(shù)為25)，原巖儲存的彈性應(yīng)變能釋放效果明顯；與此同時，潛在的巖爆動力源區(qū)與圍巖洞壁之間的距離由方案1的5.90 m逐漸增大到方案2的7.26 m和方案3的8.34 m，有效地抑制了地下硐室開挖后發(fā)生巖爆的可能性。

圖3 不同卸荷程度下巖爆等級判別系數(shù)分布

3 工程例證

地下工程的開挖卸荷造成圍巖中應(yīng)變能的釋放，同時也正是由于這種應(yīng)力的調(diào)整，在很多情況下會造成開挖區(qū)域附近巖體應(yīng)變能的積聚。隨著掌子面的推進、巖體的開挖，伴隨著開挖面上地應(yīng)力的卸除，聚集在圍巖中的彈性應(yīng)變能向臨空面方向釋放，若采用爆破方法開挖，由于開挖速度快，應(yīng)力調(diào)整劇烈，這種高應(yīng)變能的突然釋放就會誘發(fā)巖爆災(zāi)害。

二灘水電站地下廠房開挖過程中，因為大規(guī)模的底板爆破貫通，引起底板巖體應(yīng)力(開挖荷載)的快速釋放，導(dǎo)致圍巖瞬態(tài)卸荷回彈、突發(fā)大變形，進而誘發(fā)了鄰近圍巖的劇烈?guī)r爆：第1次是由2號尾調(diào)室南端高程1 010～989 m底板與下部已開挖尾水洞一次性貫穿所引起，造成了2號尾調(diào)室上游邊墻中上部巖體變形量突增30～60 mm，同時誘發(fā)附近巖體大范圍開裂及巖爆；第2次是由2號機窩從高程998.0～979.8 m的一次性貫穿引起的，誘發(fā)鄰近巖體大變形，即巖爆，最大變形突變量達到24～41.5 mm[14-15]。

表2 卸荷巖體力學(xué)參數(shù)變化

錦屏二級水電站1 900～2 525 m埋深處4條引水隧洞和施工排水洞(樁號分別為K5+500至K6+230和K7+374至K9+100，長度累計約10 km)大量巖洞段在TBM和鉆爆法施工過程中，由于開挖卸荷和爆破動力擾動等多種因素誘發(fā)的巖爆災(zāi)害發(fā)生了上百次。其中最具代表性的是2010年2月4日，2#引水隧洞K11+070～006洞段發(fā)生的極強巖爆，該次巖爆導(dǎo)致正在出渣作業(yè)的施工車輛被巖爆沖擊波推轉(zhuǎn)90°，車身嚴重受損。巖爆造成南側(cè)邊墻、拱腳部位巖體彈出、垮塌外，還造成上臺階底板出現(xiàn)3條裂縫，其中1條深約1m、寬約10cm的裂縫從南側(cè)拱腳延伸至北側(cè)拱腳，完全橫向貫穿隧洞[16-17]。

另外，許多已建和在建的水電站地下廠房也發(fā)生過類似的事故，嚴重威脅施工人員和機械的安全，影響工程進度。因此，如何合理控制深部地下工程開挖卸荷效應(yīng)，進而防止開挖卸荷過程積聚的高應(yīng)變能的突然釋放而誘發(fā)巖爆災(zāi)害顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

(1)工程巖體是否產(chǎn)生巖爆取決于開挖產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)，高地應(yīng)力區(qū)深部巖體開挖過程中發(fā)生的巖爆，是一種典型的卸荷破壞現(xiàn)象。

(2)切縫局部應(yīng)力解除方法能夠直接測定地下工程開挖卸荷區(qū)洞壁關(guān)鍵部位的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，測試結(jié)果可為地下工程圍巖穩(wěn)定性評價和巖爆預(yù)測提供指導(dǎo)。

(3)隨著圍巖卸荷范圍和卸荷程度的增大，潛在的巖爆動力源區(qū)逐步向圍巖深部轉(zhuǎn)移，發(fā)生巖爆的可能性進一步減小。相比較而言，圍巖的卸荷程度比圍巖的卸荷范圍對巖爆的影響效果更為顯著。

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