中圖分類號：U456.3文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.046

文章編號：1673-4874（2025）04-0165-03

0 引言

隧道開挖不可避免地會擾動巖體初始應(yīng)力場。此外，隧道開挖對圍巖的破壞將導(dǎo)致巖體初始材料性能的改變，可能會對施工過程中的應(yīng)力響應(yīng)產(chǎn)生較為重大的影響，進一步導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)、坍塌風(fēng)險的發(fā)生。因此，對隧道開挖引起的巖體損傷范圍和區(qū)域進行準確、嚴格的分析是保障施工安全的重要要求?，F(xiàn)有施工中往往將巖體的力學(xué)特性視為恒量，而隧道開挖通常會破壞圍巖的整體性，可能導(dǎo)致冒頂、坍塌，因此有必要對巖體損傷性能進行分析研究。

國內(nèi)外眾多學(xué)者通過經(jīng)驗方法[1和數(shù)值計算法[2]，對脆性巖體開挖和應(yīng)力重分布過程造成的破壞進行了研究。由于壓裂屬于脆性破壞，在高地應(yīng)力下堅硬的塊狀巖體區(qū)域進行隧道開挖，其應(yīng)力場表現(xiàn)出復(fù)雜的力學(xué)行為。破壞機制受巖體抗拉強度控制，在高強度壓應(yīng)力下開挖面生成大量裂縫，并與初始裂縫貫通[3]。KwonS等[4]采用聲波波速和鉆孔取芯方法，分析了峰后巖體力學(xué)特性變化規(guī)律。劉寧等5采用聲波檢測和鉆孔電視等手段，觀測了隧道開挖后巖體內(nèi)部裂隙的變化情況。李奧等采用微震監(jiān)測方法和現(xiàn)場變形數(shù)據(jù)結(jié)合的方法，研究了開挖隧道圍巖損傷特性。黃鋒等采用德魯克一普拉格準則推導(dǎo)了理想彈塑性模型對應(yīng)的圍巖損傷區(qū)計算公式。邢猛等8采用真實破裂過程分析軟件模擬了隧道開挖過程中圍巖的破壞過程。本文以拾貳坡隧道為研究對象，從“開挖擾動 $$ 裂隙擴展 $$ 損傷演化”的因果鏈出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬與理論分析，揭示不同產(chǎn)狀裂隙對損傷區(qū)形成的差異化影響，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1工程背景與數(shù)值模型

拾貳坡隧道位于天峨經(jīng)鳳山至巴馬項目，進口段位于鳳山縣砦牙鄉(xiāng)久隆村累懷東約150m處，出口段位于鳳山縣長洲鎮(zhèn)那老村東老北側(cè)約200m處，為越嶺隧道，隧道總體走向為南北向。設(shè)計隧道為分離式 + 小凈距特長隧道。左洞隧道設(shè)計長度為 ，右洞隧道設(shè)計長度為4720m，穿越區(qū)域以裂隙發(fā)育的脆性砂巖為主?，F(xiàn)場勘察表明，圍巖內(nèi)存在多組優(yōu)勢裂隙，其中水平裂隙占比達 65% ，長度為 15～20m ，寬度為 0.1～0.3m ，對隧道穩(wěn)定性構(gòu)成顯著威脅。

基于FLAC3D軟件建立三維隧道開挖模型，模型尺寸為60 m×60m×100m ，隧道直徑為 10m ，如圖1所示。模型頂部邊界施加等效自重荷載，底面為固定約束，兩側(cè)為等效側(cè)應(yīng)力。圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。在巖體內(nèi)部存在較大的四條裂隙，均勻分布于巖體四個方向，裂隙長度為15m，寬度為0.1m。

表1圍巖力學(xué)參數(shù)表

在隧道開挖后，受自重應(yīng)力和水平側(cè)向力的作用，洞室兩側(cè)大寬度裂隙出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并進一步導(dǎo)致水平向出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，塑性區(qū)的包絡(luò)圖也表明受裂隙分布的影響，隧道左右兩側(cè)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且極易發(fā)生斷裂破壞現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2應(yīng)變軟化模型隧道開挖后應(yīng)力分布云圖

如圖3所示為應(yīng)變軟化模型計算的隧道開挖后應(yīng)變分布情況。由圖3可知，受水平方向大裂隙的作用，應(yīng)變多集中于橫斷面上部，下部巖體受自重荷載和水平側(cè)向力作用表現(xiàn)出類似“箍\"的情況。分析其原因，主要是由于水平向裂隙應(yīng)力集中導(dǎo)致的形變能量轉(zhuǎn)化為巖體軟化及裂隙擴展的能量，從而向下部輸運能量減少，表現(xiàn)出水平裂隙上下部應(yīng)變差異顯著。當(dāng)采用相場法分析隧道周圍巖體損傷情況時，可以很明顯地觀測到水平裂隙受形變能量的作用而逐步向隧道洞周擴展，巖體沿水平裂隙方向出現(xiàn)損傷，裂隙端應(yīng)力集中導(dǎo)致該位置形變能量最高并呈現(xiàn)一字形擴展?？偠灾瑢τ谒淼篱_挖而言，由于受自重荷載的作用，水平向大裂隙對巖體損傷作用明顯強于豎直向大裂隙的作用。

圖3應(yīng)變軟化模型隧道開挖后應(yīng)變分布及等效塑性區(qū)云圖

隧道開挖后形變能作用產(chǎn)生的最大損傷應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知：與之前分析結(jié)果一致，水平向大裂隙端部損傷應(yīng)力集中并以此為中心逐步向隧道洞周蔓延，且由于自重荷載及豎直向大裂隙的作用越靠近洞周越向上部蔓延，即在上部出現(xiàn)更大的塑性區(qū)范圍，這進一步說明隧道開挖后巖體峰后應(yīng)變軟化程度分布并不均勻。因此，在具有水平產(chǎn)狀裂隙巖體的隧道開挖過程中，需要對洞室周圍采取合理措施控制形變，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

隧道開挖后洞周位移情況如圖5所示。由圖5可知：隧道開挖后隧道洞室表現(xiàn)出水平向的位移，并在距隧道軸線22m位置處達到最大值 53mm） ，出現(xiàn)這種情況的主要原因是洞周水平向大裂隙應(yīng)力集中現(xiàn)象。相較于水平向位移而言，豎直方向位移較大，這是由于隧道頂部受豎向荷載作用，且周圍巖體出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象導(dǎo)致的，在隧道頂部沉降值最大為105mm。

圖4損傷應(yīng)力分布特征云圖

圖5隧道開挖后水平位移曲線圖

圖6隧道開挖后垂直位移曲線圖

2開挖擾動下裂隙巖體損傷演化機制

當(dāng)圍巖壓力 p=3MPa ，應(yīng)變軟化系數(shù)為0.8時，圍巖高損傷區(qū)直徑 R_F 與黏聚力 ∣c∣ 和內(nèi)摩擦角 φ 的關(guān)系如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，當(dāng)黏聚力 Ψ_c 和內(nèi)摩擦角 φ 逐漸降低，圍巖高損傷區(qū)直徑 R_F 隨之逐漸增大。分析其原因，主要是由于裂隙巖石的自穩(wěn)能力較弱，為了構(gòu)建一個相對穩(wěn)定的承載拱，應(yīng)力會向更深層的巖層擴散，導(dǎo)致巖石損傷區(qū)域的面積增加。相應(yīng)的，當(dāng)巖體具有較好的材料屬性時，損傷區(qū)多集中于隧道洞周淺部位置，由于巖體整體性較好，損傷區(qū)未向深部蔓延。

圖7 R_F 與黏聚力 c 的關(guān)系曲線圖

圖8 R_F 與內(nèi)摩擦角 ? 的關(guān)系曲線圖

圖9 R_F 與 D 和脆性系數(shù) λ/E 的關(guān)系曲線圖

當(dāng)黏聚力 c=0.5MPa ，圍巖壓力 p=3MPa ，內(nèi)摩擦角 φ= 35°時，得到高損傷區(qū)直徑 R_F 與峰后應(yīng)變軟化系數(shù) D 和脆性系數(shù) λ/E 的關(guān)系，如圖9所示。由圖9可以觀察到，隨著 D 值的增加高損傷區(qū)域的面積持續(xù)增大，并且其擴展的速度也在逐漸加快，特別是 D∈（0.8 0.9時，高損傷區(qū)直徑 R_F 的增大斜率最大。因此，在隧道開挖之后，如果不迅速施加適當(dāng)?shù)闹魏图庸檀胧?，圍巖的損傷將會發(fā)生，進而降低圍巖的承載力。部分巖石的殘余強度可能降至峰值強度的 10% 以下，導(dǎo)致圍巖中高損傷區(qū)域的面積較大，隨著進一步施工，使得巖體失穩(wěn)風(fēng)險急速增加。因此，在施工過程中必須保證峰后損傷應(yīng)變軟化系數(shù) D 處于較低的水平。

3結(jié)語

（1）對于具有較大裂隙巖體的隧道而言，其開挖過程中，水平裂隙對巖體的損傷作用顯著大于豎直向裂隙。這是由于水平裂隙受形變能量的作用而逐步向隧道洞周擴展，巖體沿水平裂隙方向出現(xiàn)損傷，裂隙端應(yīng)力集中導(dǎo)致該位置形變能量最高并呈現(xiàn)一字形擴展。

（2）由于裂隙巖體的強度較小，巖體損傷向深部蔓延，使損傷區(qū)范圍擴大，表現(xiàn)出巖體損傷區(qū)范圍隨著黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小而增大，隨脆性系數(shù)的增大而增大。（3）應(yīng)變軟化參數(shù)的控制對于保證施工安全具有重要意義。當(dāng)巖體處于較高應(yīng)變軟化參數(shù)狀態(tài)時，損傷區(qū)范圍快速擴大，且隨著應(yīng)變軟化參數(shù)的增大，損傷區(qū)擴大范圍速率越來越快，加劇巖體失穩(wěn)風(fēng)險。

參考文獻

[1]MartinCD，KaiserPK，MccreathDR.Hoek-Brownparametersforpredicting the depth of brittle failurearound tunnels[J].Revue Cana-dienneDeGeotechnique，1999，36（1）：136-151.

[2]Lei Q，Latham JP，Xiang J，et al.Role of natural fractures in damageevolutionaround tunnel excavation in fractured rocks[J].EngineeringGeology，2017（231） ：100－113.

[3]Diederichs MS.The 20o3 Canadian Geotechnical Colloquium：Mecha-nistic interpretation and practical application of damage and spallingprediction criteria fordeep tunnelling[J].Canadian Geotechnical Jour-nal，2007，44（9）：1082-1116.

[4]Kwon S，Lee C S，Cho SJ，et al.An Investigation of the ExcavationDamaged Zoneat the KAERI.Underground Research Tunnel[J].Tun-nellingand UndergroundSpace Technology，20o9（1）：1-13.

[5]劉寧，張春生，褚衛(wèi)江，等.錦屏二級水電站深埋隧洞開挖損傷區(qū)特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（11）：2235-2241.

[6]李奧，張頂立，房倩，等.基于微震監(jiān)測的高速鐵路大跨度過渡段隧道開挖損傷區(qū)分布特性及演化規(guī)律[J].中國鐵道科學(xué)，2020，41（2）：53-62.

[7]黃鋒，朱合華，李秋實，等.隧道圍巖松動圈的現(xiàn)場測試與理論分析[J].巖土力學(xué)，2016，37（增刊1）：145-150.

[8]邢猛，李連崇.隧洞圍巖損傷演化與時效破壞過程的模擬分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2017，13（3）：703-710.

收稿日期：2025-01-10