孟凡斐，王酉鈺，李之建，馬國偉

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

非貫通節(jié)理[1-2]、斷續(xù)延伸的軟弱夾層[3]等非貫通結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、位置和填充情況復(fù)雜難測[4]，常誘發(fā)塌方、塊體失穩(wěn)、巖爆等嚴(yán)重災(zāi)害，在隧洞工程領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[5]。研究非貫通結(jié)構(gòu)面對圍巖破壞機(jī)制的影響規(guī)律對提高巖體工程安全性具有重要意義。Zhou等[6]分析了錦屏二級水電站建設(shè)過程中小規(guī)模結(jié)構(gòu)面引發(fā)的巖爆現(xiàn)象，根據(jù)致災(zāi)機(jī)理的不同將其劃分為斷層滑移型巖爆、剪切破裂型巖爆和屈曲型巖爆。Pan等[7]利用數(shù)字圖像技術(shù)(DIC)和聲發(fā)射系統(tǒng)觀測含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞模型的破壞過程，試驗結(jié)果表明，填充物可以減輕結(jié)構(gòu)面引發(fā)的災(zāi)害。Tang等[8]利用數(shù)字圖像技術(shù)監(jiān)測動態(tài)擾動下含有不同小斷層的隧洞試件表面的應(yīng)變場，研究表明小斷層對隧洞穩(wěn)定性的影響取決于斷層到隧洞的距離以及斷層傾角。Manouchehrian等[9]利用Abaqus模擬了靜力和動力荷載作用下非貫通結(jié)構(gòu)面在洞周引發(fā)的巖體變形破壞，研究結(jié)果表明，隨著結(jié)構(gòu)面長度的增加，隧洞的失穩(wěn)破壞更為嚴(yán)重。

學(xué)者們對含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的成果。目前，該方面的研究主要集中在隧洞直線段。實際上，各類地下工程中還存在著跨度驟增、斷面形式復(fù)雜的隧洞交叉段。含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞交叉段的破壞機(jī)制更加復(fù)雜和重要，模型試驗是研究此類問題的有效方法。3D打印技術(shù)在制作復(fù)雜模型方面具有顯著優(yōu)勢，在利用3D打印模型研究巖體問題時，模型成型方法有兩類：一類是直接打印復(fù)雜的巖體模型，如Song等[10]、Jiang等[11]利用石膏粉和PLA作為打印材料制作的隧道模型和裂隙模型，打印材料的力學(xué)性質(zhì)與巖石的力學(xué)性質(zhì)有較大差距；另一類是打印模具后澆筑材料成型，如蘇海健等[12]制作的內(nèi)置粗糙節(jié)理類巖石試樣、王本鑫等[13]制作的粗糙交叉節(jié)理類巖石試樣，成型后打印模具難以取出，無法替換填充材料。與上述成型方法相比，增減材3D打印技術(shù)利用固定在減材頭上的光滑鋼針刻劃制作結(jié)構(gòu)面和隧洞，結(jié)構(gòu)面和隧洞臨空面平整，可填充不同種類的材料；所用材料的力學(xué)性質(zhì)接近砂巖，可用于模擬巖體的脆性破壞。

筆者采用3D打印水泥基材料增減材技術(shù)制備含非貫通結(jié)構(gòu)面的異形隧洞模型，利用DIC觀測模型在單軸加載下的破壞過程，評估打印路徑對隧洞模型破壞模式的影響，并研究結(jié)構(gòu)面傾角對異形隧洞破壞機(jī)制的影響規(guī)律，為隧洞圍巖穩(wěn)定性評估提供試驗數(shù)據(jù)及理論參考。

1 試驗方案

1.1 模型制備方法

基于雙機(jī)械臂自主研發(fā)了水泥基材料的增減材3D打印系統(tǒng)，如圖1(a)所示。該系統(tǒng)由水泥基材料的擠出型增材單元和減材切割單元組成，包括兩臺機(jī)械臂，一臺機(jī)械臂上裝有打印頭，用于水泥基材料的擠出與堆積建造(混凝土3D打印)，以制備實體模型；另一臺機(jī)械臂上裝有減材頭，用于切割去除已打印的實體結(jié)構(gòu)，以制備裂隙及空洞。模型的制備流程如圖1(b)所示，在制備過程中，每增材兩層進(jìn)行一次減材工作(圖1(c))，最后對制備的模型進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及切割打磨以備試驗。

圖1 隧洞模型制備方法

3D打印水泥基材料由石英砂、復(fù)合硅酸鹽水泥、工業(yè)固廢粉末、水和外加劑配制而成，材料質(zhì)量配合比(總質(zhì)量為1)為：復(fù)合硅酸鹽水泥35%、石英砂48%、粉煤灰2%、硅灰3%、減水劑0.2%、水11.8%。參照Ma等[14]的測試方法，測得材料的擴(kuò)展直徑為177 mm。經(jīng)試驗測試，材料的力學(xué)指標(biāo)如表1所示，與砂巖相近，且表現(xiàn)出類似真實巖體的脆性破壞特性[15]，適合模擬真實砂巖材料的力學(xué)特性。

表1 3D打印水泥基材料與砂巖力學(xué)參數(shù)對比

1.2 模型設(shè)計

選取積石峽水電站導(dǎo)流洞和泄洪洞交叉段中部的異形斷面為研究對象，隧洞跨度為28 m，高約22 m。隧洞的初始地應(yīng)力主要為自重應(yīng)力，圍巖以中細(xì)砂巖和礫巖為主。頂板失穩(wěn)是常見的隧洞失穩(wěn)現(xiàn)象[16]，而此隧洞交叉段頂部巖體中有多類非貫通結(jié)構(gòu)面，因此，有必要對含結(jié)構(gòu)面隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。將結(jié)構(gòu)面走向簡化為與導(dǎo)流洞走向一致，此時隧洞可簡化為圖2(c)所示的平面應(yīng)變模型；在此基礎(chǔ)上，將洞頂結(jié)構(gòu)面概化為圖2(b)所示的4類模型，分別代表水平未揭露結(jié)構(gòu)面(0組)、傾斜未揭露結(jié)構(gòu)面(15組、30組)和傾斜揭露結(jié)構(gòu)面(45組)。此外，設(shè)置了不含結(jié)構(gòu)面的w組作為對照組。

圖2 交叉隧洞模型設(shè)計

制備5組隧洞模型，以探究洞頂結(jié)構(gòu)面傾角對交叉隧洞穩(wěn)定性的影響。如表2所示，不含結(jié)構(gòu)面的為w組，按照結(jié)構(gòu)面傾角不同，模型分為0組、15組、30組、45組。模型尺寸如圖2(b)、(c)所示，非貫通結(jié)構(gòu)面長度為60 mm，厚度為1.5 mm，填充物為黃土。為研究打印路徑對模型破壞模式的影響，每組采用兩種打印路徑進(jìn)行制備，如圖2(d)所示。經(jīng)測量，隧洞洞跨、最大洞高、結(jié)構(gòu)面長度、結(jié)構(gòu)面厚度的平均打印誤差分別為1.4、1.1、1.2、0.04 mm，最大打印誤差小于5%。

表2 模型設(shè)計方案

1.3 測試方法

如圖3所示，采用先開洞后加載的方法，通過在模型頂部不斷加載來模擬隧洞開挖后圍巖應(yīng)力集中的過程。由于隧洞圍巖強(qiáng)度較高，圍巖變形主要源于地應(yīng)力而非圍巖所受重力，因此，可不考慮重力加速度對圍巖變形的影響。相應(yīng)地，在試驗中，模型材料的力學(xué)性質(zhì)接近砂巖，在加載過程中，模型所受的重力荷載遠(yuǎn)低于模型初裂和失穩(wěn)破壞時的荷載，重力加速度對圍巖變形的影響非常小，這與工程原型一致。

圖3 測試裝置

試驗開始前，在模型頂部、底部和兩側(cè)均涂抹一層凡士林，墊設(shè)鋼板并安裝夾具，采用量程為1 000 kN的WAW-1000型電液伺服試驗機(jī)以0.1 mm/min的速度對試件進(jìn)行豎向加載，設(shè)計2 cm厚的鋼夾具限制模型的側(cè)向變形，當(dāng)荷載驟降至峰值荷載的80%以下后停止試驗，即以圍巖承載力驟降作為隧洞失穩(wěn)破壞的標(biāo)志。

圍巖變形場是分析隧洞模型失穩(wěn)過程的重要依據(jù)[17-18]，采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)觀察隧洞模型在豎向荷載下的破壞過程，將試件表面磨平，然后在模型正面依次噴涂白色底漆和黑色斑點來制作散斑場。在試件前方放置兩個高精度數(shù)碼相機(jī)以捕獲試件表面的圖像，并在試件側(cè)面放置兩個補(bǔ)光燈，以在試件表面產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的光。使用校準(zhǔn)板對試驗進(jìn)行位置校準(zhǔn)，試驗時，首先采集若干參照圖像，然后進(jìn)行加載，在加載過程中，每2 s采集一張圖像。通過Vic-3D軟件比較變形圖像與初始參照圖像的灰度分布，獲得研究區(qū)域的位移場和應(yīng)變場。同時，采用內(nèi)窺鏡觀測隧洞內(nèi)部損傷破壞。為獲得完整的DIC變形圖像，模型前后面不施加約束。

2 3D打印路徑對破壞模式的影響

采用水泥基材料的增減材3D打印系統(tǒng)制備物理模型，采用增材3D打印方法制備模型實體，采用減材系統(tǒng)制備隧洞及結(jié)構(gòu)面。3D打印方法采用層層堆積的建造方式，打印條間及層間存在界面問題，會引起實體模型的各向異性特征，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)面尖端、斷面突變處等應(yīng)力集中區(qū)域的變形過程。為評估3D打印方法對帶結(jié)構(gòu)面隧洞模型失穩(wěn)模式的影響程度，采用如圖2(d)所示的兩種打印路徑進(jìn)行試件制備。前期研究表明，通過調(diào)整材料流動性和打印條間搭接寬度(噴頭直徑的30%)可有效提高實體模型的各向同性，降低弱面對模型破壞模式的影響[19]。利用此方法打印邊長為8 cm的立方體，經(jīng)CT掃描試驗，模型內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的層間弱面現(xiàn)象(圖4)。采用同樣方法制備異形隧洞模型。

圖4 CT掃描切片圖像

2.1 裂紋擴(kuò)展

圖5為模型加載過程中的水平位移場云圖。巖體中水平位移發(fā)生突變代表裂紋的產(chǎn)生，根據(jù)水平位移場中色塊分界線的收束表征裂縫的發(fā)展情況[20]。如圖5(b)所示，0-1隧洞圍巖中的裂縫幾乎同時萌生于結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)面尖端出現(xiàn)裂縫并逐步向下擴(kuò)展，直至喪失承載力。雖然0-2隧洞的打印路徑與0-1模型不同，但模型中貫通裂縫的位置和長度基本一致。如圖5(a)、(c)、(d)、(e)所示，同組隧洞中裂縫的萌生位置、擴(kuò)展方向和開展順序基本相同。

圖5 模型的水平位移場

2.2 荷載-位移曲線

圖6為模型的荷載-位移曲線。由圖可知，各隧洞模型的曲線趨勢基本一致，分為壓密段、線彈性段和開裂段，其中壓密段和線彈性段可統(tǒng)稱為彈性段(OA)，開裂段(AB)為圍巖初裂至變形破壞的過程。以0組隧洞為例，兩個試件的峰值位移相差7.6%，兩條曲線非常接近。由圖6可知，各組隧洞的荷載-位移曲線基本一致，且由圖9可知，同組隧洞兩個試件的極限荷載最大相差10.3%。這說明，3D打印路徑對隧洞模型破壞模式的影響較小，不會轉(zhuǎn)變其裂紋的擴(kuò)展模式，采用研發(fā)的增減材系統(tǒng)制備的含結(jié)構(gòu)面隧洞物理模型進(jìn)行隧洞破壞機(jī)理的研究具有有效性及可行性。

圖6 荷載-位移曲線

3 結(jié)構(gòu)面傾角對破壞模式的影響

3.1 位移場分析

3.1.1 圍巖破裂過程 如圖7(a)所示，對于無結(jié)構(gòu)面隧洞w組，頂板中部偏左處首先開裂，隨后底板中部距右拱腳約1/3洞跨處有細(xì)小裂紋出現(xiàn)并豎直向下擴(kuò)展，分別為頂板沉降、底鼓導(dǎo)致的受拉破壞。繼續(xù)加載，右墻腳處有裂紋萌生。最終，左拱腰處巖體突然脫離(圖8)。

圖7 隧洞相對位移場及圍巖破裂過程

圖8 不含結(jié)構(gòu)面隧洞模型的落塊現(xiàn)象

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°時，如圖7(b)所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右墻腳約1/3洞跨；隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)面兩尖端出現(xiàn)向下延伸的裂紋；進(jìn)一步增加荷載，左右兩側(cè)的巖柱突然斷開，結(jié)構(gòu)面右尖端引發(fā)的裂紋貫穿至下邊界。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為15°時，如圖7(c)所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右拱腳約1/2洞跨。隨著加載的進(jìn)行，拱頂中部出現(xiàn)一條豎向裂紋。最終，結(jié)構(gòu)面右尖端和隧洞右拱腰之間的巖體突然斷開，頂板右側(cè)的巖體被切分為脫離塊體。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為30°時，如圖7(d)所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右拱腳約1/3洞跨。隨著加載的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)面兩端萌生裂紋并向下擴(kuò)展，左側(cè)裂紋貫通左邊墻中部，右側(cè)裂紋向下弧形擴(kuò)展。最終，右側(cè)裂紋尖端和右側(cè)拱腳之間的巖體被瞬間剪斷，頂板被分割成橫跨整個異形斷面的巨大塊體。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為45°時，如圖7(e)所示，在結(jié)構(gòu)面尖端和隧洞右墻腳同時出現(xiàn)初始裂紋。隨著加載進(jìn)行，左墻腳和結(jié)構(gòu)面右尖端出現(xiàn)新裂紋，最終，隧洞頂部的三角形懸挑巖體從圍巖中瞬間脫離。

由此可見，不含結(jié)構(gòu)面隧洞產(chǎn)生貫通隧洞的裂紋，0°傾角結(jié)構(gòu)面的尖端位于圍巖較深處，模型的破壞主要由巖柱失穩(wěn)造成，洞周圍巖較完整；而傾角為15°、30°和45°的結(jié)構(gòu)面的尖端靠近臨空面，失穩(wěn)時隧洞頂部出現(xiàn)不同規(guī)模的脫離塊體。結(jié)合特征荷載數(shù)據(jù)(圖9)可知，非貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向兩側(cè)巖柱卸荷，阻礙或延緩了頂板裂紋的萌生及擴(kuò)展，保護(hù)了圍巖，顯著提高了隧洞的初裂荷載。

圖9 特征荷載

直墻拱形洞室的拱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其頂板比底板更難出現(xiàn)受拉破壞，然而不含結(jié)構(gòu)面的異形隧洞(w組)的初始裂紋卻位于頂板中部偏左的位置，這表明直墻拱形隧洞交叉、擴(kuò)挖后其圍巖中的拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯減弱，異形隧洞頂板的穩(wěn)定性降低。

3.1.2 頂?shù)装迨諗孔冃?提取距左墻腳0.25、0.5、0.75倍洞跨處頂?shù)装迨諗课灰屏浚L制收斂位移隨時間的變化曲線，如圖10所示。由圖可知，w組隧洞頂?shù)装宓淖畲笙鄬ξ灰菩∮谄骄锤叩?%，且遠(yuǎn)大于0組、15組和30組隧洞的頂?shù)装逑鄬ξ灰啤?5組隧洞的結(jié)構(gòu)面與隧洞相切，在加載初期，其相對位移量小于w組，之后，隨著底鼓變形和頂部巖體的沉降迅速增加至0.29 mm，比w組隧洞最大位移量高出36%。

圖10 頂板和底板的收斂位移

對比各組隧洞頂?shù)装迨諗孔冃慰芍?，w組和45組隧洞的收斂位移明顯超過0組、15組和30組。頂板和底板的收斂位移為頂板沉降量和底板底鼓量之和，試驗在洞頂設(shè)置了結(jié)構(gòu)面，因此，各組隧洞收斂位移的差別主要源于頂板沉降量的變化。w組不含洞頂結(jié)構(gòu)面，在豎向荷載作用下，頂板有較大的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°、15°、30°時，結(jié)構(gòu)面未揭露，在豎向荷載下，含軟弱填充物的結(jié)構(gòu)面剛度較低，豎向荷載主要由兩側(cè)巖柱承擔(dān)，結(jié)構(gòu)面下盤巖體處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，因此，洞頂沉降量增長緩慢，收斂位移較小。當(dāng)傾角為45°時，結(jié)構(gòu)面在左拱腳處露頭，形成圖11(e)所示的頂部懸挑巖體，在加載初期，懸挑巖體應(yīng)力狀態(tài)較低，因而頂板沉降量增長緩慢，頂板和底板的收斂位移與0組、15組和30組較接近；隨著結(jié)構(gòu)面右端裂縫向下擴(kuò)展，裂縫上粗下細(xì)，說明懸挑巖體逆時針剛體轉(zhuǎn)動，這導(dǎo)致加載后期頂板沉降量顯著增加，頂板和底板的收斂位移與w組接近。

結(jié)合極限荷載可知，當(dāng)非貫通結(jié)構(gòu)面未揭露時，結(jié)構(gòu)面改變了應(yīng)力傳遞模式，將荷載傳遞給兩側(cè)的巖柱，保護(hù)了頂板，提高了頂部圍巖的穩(wěn)定性；當(dāng)非貫通結(jié)構(gòu)面揭露時，結(jié)構(gòu)面將喪失對洞周巖體的保護(hù)作用(45組)。

3.2 應(yīng)變分析

3.2.1 彈性階段 (OA段) 隧洞模型的主應(yīng)變場如圖11所示，由圖11可知，不含結(jié)構(gòu)面隧洞的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)在頂板中部偏左處、底板中部偏右處，非對稱的斷面形式導(dǎo)致隧洞變形偏移；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°、15°和30°時，隧洞的應(yīng)變集中在結(jié)構(gòu)面尖端、結(jié)構(gòu)面上側(cè)中部、底板中部；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為45°時，圍巖的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)在右側(cè)墻腳處。由應(yīng)變集中區(qū)的位置和形狀可知，初始裂紋均為拉裂紋。

圖11 隧洞模型的主應(yīng)變場

3.2.2 破裂階段(AB段) 初裂后，各組隧洞模型的失穩(wěn)過程有顯著差異。w組隧洞圍巖中沒有新的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)，最終拱頂應(yīng)變集中區(qū)的底端扭向左側(cè)拱腳，此時左側(cè)拱腰處出現(xiàn)落塊現(xiàn)象；0組隧洞初裂后，應(yīng)變集中區(qū)域自結(jié)構(gòu)面尖端向上下延伸，最終左側(cè)應(yīng)變集中區(qū)突然延伸至邊墻，右側(cè)應(yīng)變集中區(qū)突然延伸至模型下邊界；15組隧洞初裂后，頂板中部率先出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域，最后，結(jié)構(gòu)面右端和右側(cè)拱腳之間突現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)，裂隙開展并導(dǎo)致模型失穩(wěn)；30組隧洞初裂后，結(jié)構(gòu)面左端的應(yīng)變集中區(qū)延伸至左邊墻中部，同時，結(jié)構(gòu)面右端出現(xiàn)新的應(yīng)變集中區(qū)域并向下方開展，當(dāng)向下延伸至右拱腳附近時，結(jié)構(gòu)面右端的應(yīng)變集中區(qū)域突然水平延伸至右側(cè)拱腳；45組隧洞初裂后，結(jié)構(gòu)面兩尖端、兩拱腳的帶狀應(yīng)變集中區(qū)不斷擴(kuò)展，失穩(wěn)時結(jié)構(gòu)面右端的應(yīng)變集中區(qū)驟然延伸至右側(cè)拱腳附近。

4 結(jié)論

1)3D打印路徑對隧洞模型破壞模式的影響較小，采用增減材系統(tǒng)制備結(jié)構(gòu)面起主要控制作用的裂隙圍巖隧洞模型并研究隧洞破壞機(jī)理具有有效性及可行性。

2)含軟弱填充物的非貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向兩側(cè)巖柱卸荷，客觀上保護(hù)了圍巖，提高了隧洞的穩(wěn)定性。

3)0°傾角結(jié)構(gòu)面的尖端距隧洞較遠(yuǎn)，模型的破壞模式為巖柱失穩(wěn)破壞，洞周圍巖較完整；傾角為15°、30°和45°的結(jié)構(gòu)面的尖端位于隧洞附近，裂縫由結(jié)構(gòu)面尖端延展至臨空面，形成脫離塊體，模型表現(xiàn)為塊體分離破壞。

4)直墻拱形隧洞交叉、擴(kuò)挖后，其圍巖中的拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯減弱，與對稱隧洞斷面在圍巖應(yīng)力分布和破壞模式上存在明顯的差異性。