張 乾 吳 冬 萬志強(qiáng) 徐 晨 張 睿

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063；3.四川川交路橋有限責(zé)任公司 四川廣漢 618300)

1 引言

深埋硬巖隧道受施工開挖影響，在臨空面向圍巖內(nèi)一定深度范圍，圍巖的力學(xué)和物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化，并形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，該部分圍巖所處的范圍稱作開挖損傷區(qū)[1]。在開挖損傷區(qū)內(nèi)，大量微裂紋萌生、擴(kuò)展并互相貫通，巖體的強(qiáng)度和剛度顯著下降，滲透性進(jìn)一步增強(qiáng)。大量工程實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)的工程類比法相比，依據(jù)損傷區(qū)厚度進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)更具有經(jīng)濟(jì)效益。因此對開挖損傷區(qū)范圍的探明，對于設(shè)計(jì)中支護(hù)類型參數(shù)選擇和指導(dǎo)現(xiàn)場施工均有著重要的意義[2]。對于地下洞室開挖后損傷區(qū)分布范圍，國內(nèi)外已有了一些相關(guān)研究[3～6]。周棟[7]等推導(dǎo)得出了預(yù)測開挖損傷區(qū)范圍的理論公式，并結(jié)合ABAQUS有限元軟件對開挖損傷區(qū)范圍進(jìn)行了研究。劉寧[8]等針對錦屏二級水電站3＃引水隧洞，現(xiàn)場測得損傷區(qū)深度，同時(shí)使用PFC軟件對比描述了損傷區(qū)的分布特征。戴峰[9]等針對猴子巖水電站地下廠房，采用常規(guī)測試和微震監(jiān)測技術(shù)，分析損傷區(qū)的分布范圍，探討了損傷區(qū)的演化機(jī)制。

綜上所述，針對圍巖損傷區(qū)的研究，多采用經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬的方法。由于圍巖破壞機(jī)理的復(fù)雜性及施工方法的不同，針對開挖損傷區(qū)演化機(jī)理的分析有待進(jìn)一步提高。本文使用UDEC離散元軟件對米倉山隧道的開挖損傷區(qū)進(jìn)行模擬，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果，得出損傷區(qū)的分布范圍及分布特征。

2 工程背景

米倉山隧道是巴陜高速的控制性工程，位于巴中-漢中川陜交界處，為左右線分離式特長公路隧道。隧道全長13.8 km，其中陜西境內(nèi)3 km，四川境內(nèi)10.8 km。

本文所研究區(qū)段位于米倉山隧道ZK49＋900～ZK50＋150段，隧道埋深均大于1 000 m。測得平均地應(yīng)力在40 MPa以上，區(qū)段內(nèi)單軸飽和抗壓強(qiáng)度與最大水平主應(yīng)力之比(RC/σ1)為3.55，由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]可知該區(qū)段為高地應(yīng)力，隧址區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力與區(qū)域應(yīng)力一致，方向與隧道軸線方向基本一致。該段采用全斷面鉆爆法施工，爆破方式為光面爆破。

巖性以石英閃長巖為主，巖石飽和強(qiáng)度高，屬硬脆巖，呈巨塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)或塊狀整體結(jié)構(gòu)，圍巖具備發(fā)生中～強(qiáng)巖爆條件。

3 損傷區(qū)現(xiàn)場測試

3.1 測試原理及方法

單孔聲波測試法的原理是在不同性質(zhì)的介質(zhì)中超聲波傳播速度存在差異。當(dāng)處于損傷區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，巖體內(nèi)部裂隙相對發(fā)育、密度相對降低，因而超聲波在其中傳播時(shí)波速較低。反之，超聲波在相對完整的巖體中傳播時(shí)其波速要明顯高于在損傷巖體中的傳播速度。測試原理見圖1。

圖1 單孔聲波測試原理

按式(1)計(jì)算波速:

式中，s為兩個(gè)聲波接收器之間的距離(m)；Δt為聲波到達(dá)兩個(gè)接收器的時(shí)間差(s)。

數(shù)據(jù)采集區(qū)間位于米倉山隧道里程ZK49＋900～ZK50＋150內(nèi)。此區(qū)間隧道圍巖級別好，為高地應(yīng)力硬巖區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)選取兩個(gè)斷面測試圍巖損傷區(qū)范圍。選擇拱頂、拱肩、邊墻三個(gè)位置分別鉆孔，深度為3 m。測試完畢后繪制波速隨深度的變化曲線，并依據(jù)聲波在損傷巖體中的傳播速度明顯低于在未損傷巖體中的傳播速度來分析圍巖的損傷范圍[11]。

3.2 測試結(jié)果分析

(1)ZK50＋100斷面

3個(gè)測點(diǎn)的波速隨深度的變化曲線見圖2。3條曲線均存在波速突變的情況。突變前波速在1.5 km/s左右，突變后在4.5 km/s左右。圖2a表明拱頂?shù)膿p傷深度為1.5 m，圖2b表明拱肩的損傷深度為1.4 m，圖2c表明邊墻的損傷深度為1.5 m。

(2)ZK49＋950斷面

在圖3a中，由曲線明顯突變位置可以看出拱頂損傷深度為1.7 m；圖3b中波速在1 m～1.4 m之間出現(xiàn)一定程度波動(dòng)，但當(dāng)深度大于1.4 m時(shí)，波速基本穩(wěn)定在4.57 km/s，所以拱肩的損傷深度為1.4 m；圖3c中波速在1.4 m～1.7 m之間同樣出現(xiàn)波動(dòng)且增大現(xiàn)象，這是由于圍巖應(yīng)力調(diào)整，局部塊體裂隙發(fā)生壓密或者滑移松動(dòng)，造成波速上下波動(dòng)，當(dāng)大于1.7 m時(shí)波速趨于4.36 km/s，所以損傷深度為1.7 m。

圖2 ZK50＋100斷面測試結(jié)果

圖3 ZK49＋950斷面測試結(jié)果

現(xiàn)場測試波速平均值與突變位置見表1。從波速突變位置上看，米倉山隧道大埋深段圍巖開挖損傷區(qū)深度在距洞壁1.7 m范圍內(nèi)，拱肩的波速突變位置均小于在拱頂和邊墻處，所以邊墻、拱頂位置的損傷深度大于拱肩位置。通過比較不同位置波速平均值發(fā)現(xiàn)，邊墻位置損傷區(qū)波速平均值最小，拱肩次之，拱頂最大，說明邊墻的損傷程度要大于拱肩和拱頂位置。這是由于受拱效應(yīng)影響[12]，邊墻處于拱腳位置應(yīng)力集中嚴(yán)重，圍巖受開挖擾動(dòng)大，損傷程度更高。比較不同突變位置的波速波動(dòng)情況發(fā)現(xiàn)，拱頂位置損傷區(qū)與未損傷區(qū)的波速突變明顯，未出現(xiàn)拱肩和邊墻處上下波動(dòng)過渡現(xiàn)象，說明拱頂位置損傷區(qū)和彈性區(qū)區(qū)分較為明顯，而拱肩和邊墻則會(huì)存在一定波動(dòng)過渡段。

表1 波速平均值及突變位置

4 損傷區(qū)數(shù)值模擬

4.1 模型構(gòu)建

采用非連續(xù)介質(zhì)的二維離散元軟件UDEC(U-niversal Distinct Element Code)來模擬隧洞開挖后圍巖損傷的力學(xué)行為。通過UDEC中Voronoi節(jié)理生成器，離散后巖體被視為裂隙節(jié)理切割處于鑲嵌狀態(tài)大小均一的碎裂塊體，為使巖塊的集合體其整體力學(xué)行為與完整巖體相一致，將小節(jié)理賦予較高的法向剛度及較高的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。模型尺寸為18×17 m(長 ×寬)，單元塊體為0.4 m，模型塊體見圖4。

圖4 計(jì)算塊體劃分

根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力資料，簡化后分別在模型上邊界施加28 MPa法向壓應(yīng)力，左右邊界施加27 MPa法向壓應(yīng)力，豎向初始主應(yīng)力為45 MPa，在模型底部設(shè)置豎向位移約束。

4.2 本構(gòu)模型及其參數(shù)

UDEC中模型本構(gòu)分為塊體本構(gòu)與接觸面本構(gòu)。塊體單元滿足M-C屈服準(zhǔn)則，結(jié)合現(xiàn)場提供巖樣試驗(yàn)資料，其參數(shù)見表2。塊體接觸面采用有殘余強(qiáng)度庫侖滑移模型，參數(shù)見表3。

表2 塊體單元物理力學(xué)參數(shù)

表3 塊體接觸面物理力學(xué)參數(shù)

4.3 塊體之間接觸應(yīng)力分析

將11個(gè)測點(diǎn)分別布置在拱頂、拱肩和邊墻0～4.4 m內(nèi)，記錄測點(diǎn)處塊體接觸面法向應(yīng)力與切向應(yīng)力。測點(diǎn)布置見圖5。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置

在未開挖時(shí)，巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，巖塊接觸面的徑向應(yīng)力穩(wěn)定在30 MPa，切向應(yīng)力為零，開挖后其圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知在相同損傷程度下，巖石脆性越強(qiáng)，圍巖切向應(yīng)力峰值越大；巖石損傷程度與損傷半徑越大，切向應(yīng)力峰值離洞壁越遠(yuǎn)，以此來分析隧道圍巖損傷區(qū)分布范圍特征。

在拱頂位置，0～3.2 m塊體間法向應(yīng)力逐漸趨于30 MPa，而在0～1.6 m塊體之間的剪切力明顯增大，峰值達(dá)到11.2 MPa，峰值點(diǎn)在距洞壁0.8 m位置。在0～1.6 m范圍內(nèi)的圍巖塊體間法向應(yīng)力較小，切向應(yīng)力明顯增大，表明塊體之間發(fā)生明顯松弛和相對滑動(dòng)。圖6中縱坐標(biāo)nstr(normal stress)代表法向應(yīng)力，sstr(shear stress)代表切向應(yīng)力。

在拱肩位置，0～1.2 m塊體間的徑向應(yīng)力在30 MPa上下波動(dòng)，峰值為45.3 MPa，最小值為18.5 MPa；1.2 m～2.8 m內(nèi)，法向應(yīng)力逐漸接近30 MPa；超過2.8 m，塊體間的法向應(yīng)力接近原巖應(yīng)力。拱肩切向應(yīng)力距洞壁1.2 m范圍內(nèi)值較大，峰值為12.9 MPa，出現(xiàn)在距洞壁0.8 m位置；1.2 m至4.4 m范圍內(nèi)切向應(yīng)力接近4 MPa，見圖7。

圖6 拱頂區(qū)域塊體間法向應(yīng)力與切向應(yīng)力

圖7 拱肩區(qū)域塊體間徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力

邊墻處圍巖受到應(yīng)力重分布和拱效應(yīng)的影響，應(yīng)力集中明顯，0～1.2 m內(nèi)法向應(yīng)力波動(dòng)較大，峰值為88 MPa，最小值為0；在1.2 m外，塊體間的法向應(yīng)力接近原巖應(yīng)力。在0.4～1.6 m范圍內(nèi)，切向應(yīng)力明顯增大，峰值為17.6 MPa，出現(xiàn)在距洞壁1.2 m位置處；大于1.6 m后逐漸穩(wěn)定在6 MPa；而在0～0.4 m范圍內(nèi)，切向與徑向應(yīng)力均較小，可知在該區(qū)域內(nèi)的塊體發(fā)生松垮，見圖8。

隧道開挖后，由洞壁向內(nèi)塊體間應(yīng)力發(fā)生重分布，根據(jù)損傷區(qū)圍巖法向應(yīng)力減小、切向應(yīng)力明顯增高分析，拱頂區(qū)域圍巖在0～1.6 m損傷區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生明顯松弛滑移；邊墻區(qū)域圍巖的損傷范圍在0～1.6 m之間；拱肩區(qū)域損傷區(qū)范圍為0～1.2 m，小于拱頂和邊墻區(qū)域的圍巖損傷區(qū)。邊墻處切向應(yīng)力峰值點(diǎn)出現(xiàn)在距洞壁1.2 m位置，均大于拱肩和拱頂位置，說明邊墻位置的損傷程度大于拱肩與拱頂位置。總體上看，數(shù)值模擬結(jié)果要小于現(xiàn)場測試損傷區(qū)深度，這是由于在數(shù)值模擬過程中未考慮爆破荷載作用，但數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)具有一致性，吻合度較高。

圖8 邊墻區(qū)域塊體間徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力

5 結(jié)束語

(1)對比不同位置波速突變情況可知，拱頂?shù)膿p傷區(qū)和彈性區(qū)區(qū)分更為明顯。

(2)數(shù)值模擬得到的開挖損傷區(qū)深度要小于單孔聲波測試結(jié)果，但總體上具有一致性，吻合度較高。

(3)拱肩位置的損傷深度均小于邊墻和拱頂位置，總體圍巖損傷范圍在1.7 m內(nèi)；邊墻處圍巖的損傷程度大于拱頂和拱肩位置。