深埋地下洞室斷裂型巖爆機理的數(shù)值模擬*

趙 紅 亮,周 又 和

(1.蘭 州大學土木 工程與力學 學院,甘肅 蘭 州 730000; 2.蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

深埋地下洞室斷裂型巖爆機理的數(shù)值模擬*

趙 紅 亮1,2,周 又 和1,2

(1.蘭 州大學土木 工程與力學 學院,甘肅 蘭 州 730000; 2.蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000)

針對深部巖體中由斷層、節(jié)理等不連續(xù)性結構面引發(fā)的巖爆地質災害,根據(jù)深埋地下隧洞中潛在發(fā)震斷裂的分布特征和幾何形態(tài)建立數(shù)值分析模型,采用離散元單元法模擬存在剛性平直斷裂的深部圍巖的開挖響應,并分別考察開挖接近并通過斷裂附近時圍巖應力狀態(tài)的變化特征。通過探討斷裂的存在對圍巖應力狀態(tài)改變的作用機理,揭示出斷裂型巖爆是開挖面附近一定范圍內存在的斷裂構造在高應力作用下發(fā)生錯動,導致能量突然釋放,對圍巖造成強烈沖擊作用的結果,基本與地震的斷層“粘滑”機制相類似。

爆炸力學;巖爆機理;離散單元法;地下洞室

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,相應帶動我國基礎設施建設、資源與能源開發(fā)正以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。受地形、地質條件限制,我國水能資源的開發(fā)主要分布于西部高山峽谷地區(qū)。在西部復雜地形和地質條件下 建設大 型地下 工程,不 可避免 地會出 現(xiàn)高應 力問題[1-2]。 深部地 下隧洞 的開挖 過程 一 般 處于高地應力狀態(tài)下,由于開挖卸荷和復雜地質構造作用,圍巖中的集中應力會突然釋放,使堅硬脆性巖體發(fā)生爆裂、松脫、剝離、彈射乃至拋射性破壞等巖爆現(xiàn)象,給隧洞圍巖的穩(wěn)定性和人員設備安全造成嚴重 威 脅[3-4]。 以 R.E.Goodman[5]、S.C.Bandis等[6]、谷 德 振[7]為 代 表 的 一 大 批 巖 石 力 學 與 工 程 地 質 學家發(fā)現(xiàn)巖體結構對巖體力學有著重要的影響,認為巖體結構是巖體不同于其他材料的本質特點,并控制著巖體的應力場分布狀態(tài),進而控制著巖體的穩(wěn)定性。隨著人類巖體工程活動逐漸由淺表向深部擴展,進一步發(fā)現(xiàn)淺表與深部巖體賦存的地質環(huán)境迥異,前者長期處于一種低圍壓、低地溫狀態(tài),而后者長期處于一種高圍壓、高地溫狀態(tài)。淺表巖體受風化卸荷等表生改造強烈,Ⅳ級結構面多處于顯性狀態(tài),Ⅲ級結構面都有明顯地表出露,較容易探查,而深部巖體結構面高度隱蔽,Ⅱ級和Ⅲ級結構面長期處于高圍壓狀態(tài)且呈隱性。但在開挖卸荷狀態(tài)下,深部巖體的Ⅱ級、Ⅲ級結構面的力學效應可能會發(fā)生顯著惡化,引發(fā)巖爆的可能性不斷增大。大量的工程實踐也證明,當深埋地下工程開挖到某些斷裂附近時往往會誘發(fā)劇烈的巖爆破壞。對于與斷裂(地質間斷面)活動有關的巖爆作用,往往不易認定其直接原因。雖然巖爆也是開挖活動觸發(fā)的,但在時間上往往與掌子面(坑道施工中的一個術語,即坑道開挖中不斷向前推進的工作面)的推進不存在確定的關系,其一般發(fā)生在地質間斷面的附近,往往反映了整個影響區(qū)域范圍內的應力變化,具有區(qū)域性。

當前,我國西部地區(qū)眾多大型深埋地下工程場地或其附近往往都存在一定尺度的斷裂,廣泛發(fā)育的活動性斷裂對高地應力的產(chǎn)生和巖爆災害的發(fā)生起著顯著的控制作用。雖然人們很早就已經(jīng)認識到巖爆的存在,在巖爆相關領域的作了許多研究,但由于巖爆誘發(fā)因素的復雜性和巖爆顯現(xiàn)的突發(fā)性及隨機性,更加之地下工程埋深的逐漸增大和極端復雜地形地質條件的出現(xiàn)導致地應力顯著增高,巖體結構愈加復雜,使 得人們 至今仍 不了解 深部巖 體斷裂 結構與 巖爆的 內在關 系[8-14]。

本文中通過離散元單元法模擬存在剛性平直斷裂的深部圍巖開挖響應,探討斷裂的存在對圍巖應力狀態(tài)改變的作用機理,揭示出斷裂型巖爆是開挖面附近一定范圍內存在的斷裂構造在高應力作用下發(fā)生錯動,導致能量突然釋放,對圍巖造成強烈沖擊作用的結果,基本與地震的斷層“粘滑”機制相類似。

1 斷裂型巖爆及其認識

巖 爆 的 分 類 是 巖 爆 預 測 和 巖 爆 防 治 的 基 本 依 據(jù) 之 一[15]。 目 前,學 術 界 對 巖 爆 分 類 尚 未 達 成 一 致 。張倬元等[16]按巖 爆發(fā)生 部位及 釋放的 能 量 大 小,將 巖 爆 分 為 3 大 類,即 洞 室 圍 巖 表 部 巖 石 突 然 破 裂 引起的巖爆、礦柱 或大范 圍圍巖 突 然 破 壞 引 起 的 巖 爆、斷 層 錯 動 引 起 的 巖 爆。 古 德 生 等[17]、李 夕 兵 等[18]將金屬礦床地下開采中深井巖爆劃分為:應變型巖爆、彎曲破壞型巖爆、礦柱型巖爆、剪切型巖爆、斷層滑移型巖爆等類型。不同類型的巖爆具有不同的發(fā)生條件和不同的危害程度。應變型巖爆主要發(fā)生在圍巖結構完整,無貫穿性結構面的巖層中,巖石的主應力達到40%巖石單軸抗壓強度以上,巖爆表現(xiàn)形式以片狀剝落為主,并伴有聲響及巖片彈射,一般破壞性不大。斷層滑移型巖爆主要發(fā)生在巖石結構完整,并伴有貫穿性結構面或斷層的巖體中,巖體的應力主要集中在貫穿性結構面附近,巖體內的最大主應力往往大于或接近巖石單軸抗壓強度,主要表現(xiàn)形式為突發(fā)性的震動,并伴有強烈的響聲,在有相交結構面的圍巖中往往還因巖爆震動引起大規(guī)模的坍塌,破壞性較大。

巖爆的發(fā)生與地質構造條件關系較為密切,在褶曲軸部、斷裂帶附近、巖層產(chǎn)狀突變處,由于地應力集中或殘存著較大的構造應力,是巖爆發(fā)生的密集地帶。在地下工程實踐中,通常將與斷裂構造相關的一些強烈微震和深部巖爆統(tǒng)稱為斷裂型巖爆。在對深埋地下工程的劇烈型巖爆或微震進行研究時發(fā)現(xiàn),大多巖爆的產(chǎn)生除具備應力條件以外,還經(jīng)常與斷裂有關。斷裂破壞過程中普遍伴隨有不同程度的震動,巖爆就是開挖面附近的圍巖在震動沖擊荷載下發(fā)生破壞的動力失穩(wěn)現(xiàn)象。大量地應力測量結果表明,斷裂構造,不論規(guī)模大小,都能對其附近的應力狀態(tài)產(chǎn)生一定程度的影響,而且影響十分復雜。在各種尺度的斷裂附近,地應力的大小和方向都發(fā)生了一定程度的變化。地應力是在地質構造運動和巖體重力等作用下形成的,地應力形成后,許多局部因素又使其發(fā)生變化使得局部應力和區(qū)域應力之間有相當大的差別,引起差別的主要原因之一就在于不同尺度的斷裂構造的廣泛發(fā)育。當應力集中區(qū)存在斷裂構造時,斷裂構造可以顯著地改變其附近的應力分布:既可以降低應力集中程度,減低巖爆可能性;也可以惡化局部巖體的應力狀態(tài),導致巖爆風險增加。但到底出現(xiàn)哪一種情況,則與斷裂的基本特征(斷裂的性質、斷裂產(chǎn)狀及與圍巖二次應力場的方位等)密切相關,同時還顯著地受到施工方式的影響。

2 斷裂型巖爆機理的數(shù)值分析

巖爆機理的研究旨在揭示巖爆發(fā)生的內在規(guī)律,確定其物理力學機制。盡管人們已經(jīng)認識到斷裂型巖爆的存在,但由于斷裂型巖爆是極為復雜的動力失穩(wěn)現(xiàn)象,人們對深部斷裂觸發(fā)巖爆的內在機理還沒有統(tǒng)一的認識。當前,電子計算機的飛速發(fā)展使得人們可以對一些復雜系統(tǒng)進行計算機仿真試驗,探求系統(tǒng)的內在規(guī)律。借助專門針對巖體中斷層、層面、節(jié)理等結構面引起的非連續(xù)性問題開發(fā)的離散單元法數(shù)值分析程序,可以研究深埋條件下存在剛性平直斷裂圍巖的開挖響應,探討斷裂的存在對周邊巖體應力狀態(tài)改變的作用機理。

2.1 工程概況

錦屏二級水電站地處四川省涼山彝族自治州的木里、鹽源、冕寧三縣交界的雅礱江干流錦屏大河灣上,其輔助洞工程區(qū)位于川滇菱形斷塊,洞室上覆巖體一般埋深在1 500~2 000 m,最大埋深約為2 525 m,處于高地應力區(qū),巖爆現(xiàn)象是其最具體的體現(xiàn)。錦屏輔助洞沿線發(fā)育有很多不同方位、不同規(guī)模、不同狀態(tài)的斷裂構造,在輔助洞的現(xiàn)場工作過程中觀察到一些強烈的巖爆現(xiàn)象基本都與斷裂有關,屬于斷裂型巖爆。根據(jù)現(xiàn)場勘查工作獲得的認識,輔助洞的斷裂型巖爆主要與2組斷裂有關。一組是北東向的陡傾節(jié)理,與隧洞走向基本垂直。另一組是北東向中等偏緩傾節(jié)理?，F(xiàn)場觀察到的多處斷裂型巖爆呈現(xiàn)出以下特征:

(1)錦屏輔助洞西端 B洞施工中遭遇到一系列的強巖爆,且大多與一組40°左右中等傾角的節(jié)理有關,該組節(jié)理表面新鮮呈剛性特征,無軟弱物質充填,走向與隧洞軸線大角度相交。

(2)輔助洞西端 B 洞4~5.5 km 段,巖爆基 本 上 都與一組北東 向 斷 裂 有關,該組斷裂規(guī) 模 不 大,表面呈剛性。另外,該組斷裂以一定的間距間隔出現(xiàn),巖爆產(chǎn)生的破壞坑基本上都位于相鄰兩條斷裂之間,呈一定的韻律出現(xiàn)。

(3)輔助洞東端 B 洞12.5~13 km 段,巖爆的破壞形式主要表現(xiàn)為頂拱一帶的片狀剝落,但在逐漸接近一條與隧洞軸線大角度相交的陡傾橫向斷層時,破壞程度不斷增加。在臨近斷層的部位,隧洞斷面形態(tài)發(fā)生顯著變化,頂拱一帶出現(xiàn)尖銳的鱗狀巖爆坑,最大深達1.5 m 左右。但是,當開挖穿過斷層進入另一盤后,巖爆現(xiàn)象出現(xiàn)明顯減弱。

2.2 數(shù)值模型

根據(jù)錦屏輔助洞潛在發(fā)震斷裂的分布特征和幾何形態(tài),數(shù)值計算以輔助洞白山組埋深2 000 m 的Ⅱ類大理巖為對象,Ⅱ類大理巖的彈性模量為31.6 GPa,泊松比為0.22,內 摩 擦 角 為 35.04°,內 聚 力 為9.89 MPa。采用離散元程序建立數(shù) 值分析的概化模型,分別考察開挖接近并通過斷裂附近時深部地下圍巖受力狀態(tài)的變化,揭示相應的工程意義。計算模型取隧洞縱剖面,將陡傾節(jié)理簡化成剛性垂直斷裂,結合對工程開挖進尺的考慮,節(jié)理間距取為3 m,緩傾節(jié)理的傾角取45°。計算分析過程不考慮結構面的起伏特性,但考慮先期開挖的影響。模型包括開挖洞段和未開挖洞段,對應著分別考察掌子面前方存在陡傾節(jié)理、緩傾節(jié)理和不存在斷裂3種不同工況。當開挖掌子面通過全部斷裂發(fā)育區(qū)后,掌子面前方的巖體完整,不再受斷裂影響。圖1表示了斷裂型巖爆機理數(shù)值論證分析的概化模型。

2.3 結果分析

在深部地下隧洞的開挖施工過程中,當掌子面前方存在緩傾或中等傾角的斷裂構造時,盡管不存在明顯的局部原始應力場異常,斷裂構造也不存在起伏、交叉等現(xiàn)象,僅就斷裂影響二次應力場的分布特征而言,深部斷裂的存在可以顯著地影響巖爆產(chǎn)生的可能性和巖爆的劇烈程度。圖2~4分別表示了掌子面前方存在陡傾斷裂和不同程度逼近緩傾斷裂時掌子面前方的圍巖應力分布特征,比較3種條件下的圍巖應力分布可以看出:

(1)當開挖面逼近陡傾斷裂時,掌子面前方可以形成較高的應力集中區(qū),相應的最大主應力水平達到120 MPa,對比與巖爆產(chǎn)生的應力條件是比較高的。

(2)當開挖面距離緩傾節(jié)理6 m 左右時,掌子面前方的應力集中區(qū)逼近緩傾結構面,應力集中區(qū)形態(tài)明顯受到緩傾斷裂的影響,應力集中水平進一步增高,最大主應力水平達到140 MPa以上,并在斷裂上盤巖體中產(chǎn)生強烈的應力集中區(qū),構成強烈?guī)r爆的動力來源。

(3)當開挖面通過垂直斷裂,進一步逼近緩傾斷裂時,應力集中部位進入到斷裂的下盤巖體,出現(xiàn)了顯著的應力衰減現(xiàn)象,應力集中水平顯著降低,缺乏誘發(fā)巖爆的應力條件。

考慮應力集中區(qū)是潛在巖爆的動力來源,數(shù)值分析工作主要考察應力集中區(qū)部位在開挖過程中的應力變化特征和最終的應力狀態(tài)。針對3種不同工況,數(shù)值分析中沿洞室中心線在 掌子面前方2、3、4、5、6和7 m 的部位分別布置1個應力監(jiān)測點,監(jiān)測其在隧洞開挖過程中應力的調整變化。記錄6個布置 在 應 力 集 中 區(qū) 內 監(jiān) 測 點 的 應 力 值 ,將 圍 巖 的 應 力 變 化 過 程 曲 線 以 最 大 主 應 力 (σ1)和 最 小 主 應 力 (σ3)曲線的方式分別繪制在圖5~7中,同時將巖體的峰值強度和殘余強度包絡線表示在對應圖中。

圖1 斷裂型巖爆機理數(shù)值論證的概化模型Fig.1 The generalization model for mechanism demonstration to rock burst induced by fault

圖2 掌子面前方存在陡傾斷裂時的應力分布Fig.2 Stress distribution with steeply inclined faults at front of heading face

圖3 掌子面逐漸接近緩傾斷裂時的應力分布Fig.3 Stress distribution with slow inclined faults nearby heading face

圖4 應力集中區(qū)跨過斷層后的應力分布Fig.4 Stress distribution with stress concentration zone past fault

圖5 掌子面前方存在陡傾斷裂時隧洞不同部位的應力變化Fig.5 The stress variation at significant locationin front tunnel heading while presenting steep dipping fault

圖6 掌子面逐漸接近緩傾斷裂時隧洞不同部位的應力變化Fig.6 The stress variation at significant location in front tunnel heading while closing slow dipping fault

圖7 掌子面跨過斷層后隧洞不同部位的應力變化Fig.7 The stress variation at significant location in front tunnel heading while passing slow dipping fault

在距離掌子面2~7 m 范圍內,采用不同顏色區(qū)分各應力監(jiān)測曲線。第1種工況:開挖掌子面前方存在緩傾斷裂,應力集中區(qū)最大主應力迅速上升并與強度包絡線相交,表明掌子面前方3~5 m 范圍內圍巖都可以在高應力水平下進入屈服狀態(tài),應力變化特征對應于潛在的巖爆可能性。第2種工況:隨著開挖掌子面逐漸逼近緩傾斷裂,掌子面前方偏下部位的應力水平顯然更高,主應力水平高達140 MPa,應力差(σ1-σ3)顯著增加,在中心線上掌子面前方3 ~6 m的范圍內巖體都在高應力條件下達到屈服狀態(tài),且屈服時的最高應力相應增加。更大范圍和更高應力條件下的巖體屈服,明確預示著更強烈一些的掌子面巖爆風險。第3種工況:開挖掌子面穿過緩傾斷裂后,計算結果表明只有掌子面前方3 m處的巖體在較高應力條件下屈服,主應力水平僅在110 MPa,應力差明顯下降。距離開挖掌子面更深部位,巖體應力狀態(tài)受斷裂的影響明顯減弱,4 m 深度處的圍巖最大主應力盡管也經(jīng)歷了一個上升過程,但沒有與強度包線相交,仍然處于彈性狀態(tài)。相比而言,對應條件下掌子面前方的圍巖,不論是形成巖爆條件的范圍和能量水平,都顯著要小得多,潛在巖爆可能性顯著降低,甚至缺少強巖爆的總能量水平。總體上,當掌子面前方的應力集中區(qū)接近斷裂時,可以導致較大范圍內應力更強烈的集中,巖爆幾率更高。當應力集中區(qū)穿過斷裂以后,出現(xiàn)顯著的應力衰減現(xiàn)象。當斷裂以一定的間距成組出現(xiàn)時,也造成了巖爆按相應的間距有韻律地產(chǎn)生,并且?guī)r爆往往發(fā)生在掌子面接近斷裂時、但和斷裂存在一定距離的部位?，F(xiàn)場強巖爆出現(xiàn)的規(guī)律與數(shù)值計算的分析結果也基本是一致的,證實了錦屏輔助洞現(xiàn)場巖爆的斷裂型特性。

3 結 論

深部堅硬巖體地質條件復雜,地應力儲能水平高,開挖擾動過程中圍巖應力梯度和狀態(tài)變化劇烈,能量發(fā)生快速聚集與釋放,巖體結構分區(qū)碎裂化。深部地下開挖過程中既可能導致原有斷裂的重新活動,又有可能產(chǎn)生新的斷裂,其結果如同自然地震一樣,會導致巖爆的發(fā)生,呈現(xiàn)與淺部工程巖體截然不同的動力響應和破壞機制:

(1)錦屏輔助洞開挖掌子面前方存在緩傾或中等傾角的斷裂構造時,剛性平直的斷裂構造可以因為改變二次應力場的分布而導致巖爆,斷裂的存在也可以增加巖爆發(fā)生的可能性和巖爆的劇烈程度。

(2)錦屏輔助洞斷裂型巖爆的發(fā)生并不是洞周高應力直接作用的結果,而是開挖面附近某一范圍內存在的斷裂構造在高應力作用下發(fā)生錯動導致能量突然釋放,對圍巖造成強烈沖擊作用的結果。

(3)錦屏輔助洞開挖掌子面逐漸接近潛在發(fā)震斷裂時,斷裂附近的主應力值發(fā)生程度不同的變化,容易誘發(fā)斷裂型巖爆。但開挖掌子面充分接近或穿過斷裂以后,主應力值逐漸趨于與區(qū)域應力場一致,缺乏產(chǎn)生斷裂型巖爆的條件。

(4)斷裂型巖爆的機制可認為與地震的斷層"粘滑"機制相類似。由于圍壓效應,深埋條件下斷裂可以具備良好的強度,開挖擾動形成應力集中區(qū)時,斷裂的潛在滑動趨勢可能使斷裂強度很快發(fā)生降低,峰值強度和殘余強度之間的顯著差異導致巨大的能量釋放,形成巖爆。

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Numerical simulation on mechanism of fractured rock burst in deep underground tunnels

Zhao Hong-liang1,2,Zhou You-he1,2
(1.School of Civil Engineering and Mechanics,Lanzhou University, Lanzhou 730000,Gansu,China; 2.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, Lanzhou University,Ministry of Education of China,Lanzhou 730000,Gansu,China)

Aiming at rockburst geological disaster induced by discontinuity such as faults or joints in deep lay rock mass,numerical model is presented according to distributional characteristics and geometrical aspects of potential seismic faults in underground tunnel.Subsequently,excavation response of deep lay surrounding rock with rigid flat faults is simulated via distinct element codes,and varied features of stress state in surrounding rock are examined while excavation process approaches and then passes through fault zones.Finally,Mechanism of action is discussed on the base of stress state change induced by available faults.Energy releases sharply via rockburst under high stress,and it is revealed that faulted structure occur movement within a certain region of excavation section.Rockburst impacts on surrounding rock intensely,and the mechanism is similar to fault stick slip in earthquake process.

mechanics of explosion;rockburst mechanism;discrete element method;underground tunnel

O383.2國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0343-07

(責任編輯 王易難)

2013-11-14;

2014-03-28

國家自然科學基金項目(41272326);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20100211120030);中央 高?；究?研業(yè)務費專 項基金項目(lzujbky-2015-174);蘭州大學博士后基金項目(870870)

趙紅 亮(1975— ),男,博士,講師,zhhl@lzu.edu.cn。