開挖卸荷作用對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響研究

樊姝芳 （韶關(guān)市礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，廣東 韶關(guān) 512026）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的日益加快，城市地下空間的開發(fā)利用越來越多的受到重視。經(jīng)人工開鑿形成的地下建筑統(tǒng)稱為洞室，開挖空間周圍應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的那部分巖體稱為圍巖。圍巖是一種復(fù)雜介質(zhì)體，其穩(wěn)定性受多種因素的影響[1-4]，開挖卸荷作用是導(dǎo)致圍巖變形和質(zhì)量劣化的重要因素之一。從本質(zhì)上來說巖體是非連續(xù)介質(zhì)，是歷經(jīng)各種作用后的損傷巖體。巖體中的應(yīng)力是殘余應(yīng)力在洞室開挖后的重新分布，巖體開挖的力學(xué)狀態(tài)為卸荷。卸荷巖體力學(xué)是研究自然界及巖體工程中卸荷巖體在力及其他因素作用下巖體的卸荷力學(xué)性質(zhì)及其工程應(yīng)用的科學(xué)[5]。張倬元等[6]指出，卸荷作用將引起卸荷面附近巖體內(nèi)部的應(yīng)力重分布造成局部應(yīng)力集中效應(yīng)。由于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面本身分布的不規(guī)則，開挖卸荷后結(jié)構(gòu)面的角度、厚度、延展長(zhǎng)度等均不一致，尤其是結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展和連通率的增大促使巖體各向異性增大[7]，在一定程度上劣化了巖體質(zhì)量，對(duì)圍巖的穩(wěn)定性有很大影響。李建林[5]等系統(tǒng)地研究了卸荷巖體力學(xué)的基本內(nèi)容，構(gòu)筑了卸荷巖體力學(xué)的基本研究框架，為研究開挖卸荷效應(yīng)提供了理論基礎(chǔ)。

1 開挖前后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)

巖石的變形性質(zhì)按卸載后變形是否可以恢復(fù)分為彈性和塑性兩類。一般來說，巖石在變形的初始階段呈彈性到后期呈塑性，故巖石的變形一般為彈塑性。卸荷巖體的力學(xué)特性包括變形特性和強(qiáng)度特性，通常我們通過本構(gòu)關(guān)系表征卸荷巖體的變形特性，破壞準(zhǔn)則體現(xiàn)其強(qiáng)度特性。

開挖前，巖體中每個(gè)點(diǎn)都受天然應(yīng)力的作用處于相對(duì)平衡狀態(tài)，表面為水平的半無限體，巖體容重為γ，在深度H 處，巖體的垂直應(yīng)力為：σv=γH；水平應(yīng)力為：σH=λσv。式中：λ 為巖體的側(cè)壓力系數(shù)，僅與μ 有關(guān)，一般取0.25～0.4。

開挖后，在不考慮支護(hù)作用的情況下，巖體的應(yīng)力重分布為：

式中：α=a/r；a為開挖洞室的半徑；r,θ 為圍巖內(nèi)任意點(diǎn)的極坐標(biāo)；σr為初始地應(yīng)力。

圍巖的應(yīng)力狀態(tài)為：當(dāng)洞室周邊切向應(yīng)力σθ滿足，認(rèn)為圍巖處于塑性狀態(tài)；滿足，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)拉應(yīng)力可能發(fā)生破壞。

2 圍巖破壞的屈服準(zhǔn)則及邊界條件

隨著巖石力學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的巖石材料屈服準(zhǔn)則，如M-C準(zhǔn)則、D-P準(zhǔn)則、Griffith準(zhǔn)則、Hoek-Brown準(zhǔn)則等。其中M-C準(zhǔn)則可以很好地反映巖土材料的強(qiáng)度特性，并且其線性特征使解析計(jì)算的推導(dǎo)過程和公式更為簡(jiǎn)潔，因此被廣泛應(yīng)用。以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為圍巖破壞的屈服條件，即：f=σθ-ξσr=σco

根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，將上述公式等效到圍巖應(yīng)力重分布后的塑性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)為：

在洞室開挖這個(gè)卸荷破壞的過程中巖體的變形和強(qiáng)度都明顯弱化，圍巖在一定范圍內(nèi)卸荷松馳甚至出現(xiàn)松動(dòng)圈使得巖體強(qiáng)度降低造成圍巖屈服或破壞。一般的彈塑性數(shù)值分析中巖體參數(shù)在計(jì)算過程中都為一恒量，而實(shí)際上這些參數(shù)是隨著圍巖應(yīng)力的重分布不斷變化的，上述準(zhǔn)則在一般情況下并不適用于卸荷巖體。為此哈秋舲、李建林、周小平[8、9]等學(xué)者提出了卸荷巖體力學(xué)及卸荷巖體本構(gòu)理論,得出巖體卸荷強(qiáng)度理論為：（σ1-σ3）2=s（σ1+σ3）+t（式中：s=m/c，t=2md/c2，參數(shù)s、t、β 可通過實(shí)驗(yàn)確定）。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某地下導(dǎo)流泄洪隧洞進(jìn)口位于洮河右岸基巖山體上，基巖巖性為前震旦系馬啣山群石英片巖夾白云質(zhì)大理巖，隧洞進(jìn)口方向NW325。隧洞全長(zhǎng)765.0m，隧洞進(jìn)口自然邊坡35°～45°，強(qiáng)風(fēng)化層厚約3.0m～4.0m，弱風(fēng)化層厚約40.0m～50.0m，自然邊坡穩(wěn)定無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，具有較好的進(jìn)洞條件。由于風(fēng)化作用，在施工期間洞口處邊坡可能會(huì)發(fā)生局部掉塊現(xiàn)象，進(jìn)口段巖體較破碎、風(fēng)化較強(qiáng)烈屬Ⅳ類圍巖，需加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)巖石強(qiáng)度、巖體完整性、引水線路通過的地質(zhì)環(huán)境等因素，對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行工程地質(zhì)分類及分段穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，其中Ⅲ類圍巖長(zhǎng)約615.0m，Ⅳ類圍巖長(zhǎng)約150m，巖石力學(xué)指標(biāo)詳見下表。

引水隧洞巖體工程地質(zhì)分類及力學(xué)參數(shù)建議值表 表1

圖1 開挖前洞室圍巖位移矢量圖

圖2 開挖前洞室圍巖應(yīng)力矢量圖

圖3 開挖后硐室圍巖主應(yīng)力矢量圖

圖4 開挖后硐室圍巖Y方向應(yīng)力云圖

圖5 開挖后硐室圍巖位移云圖

圖6 開挖后硐室圍巖位移矢量圖

3.2 隧洞開挖卸荷模擬分析

3.2.1 開挖前洞室圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)隧洞開挖前圍巖的位移和應(yīng)力進(jìn)行模擬（圖1，圖2）。由圖知，開挖前（即在天然應(yīng)力狀態(tài)下）在自重應(yīng)力場(chǎng)的作用下，最大主應(yīng)力隨深度的增加而增加并在洞周出現(xiàn)應(yīng)力集中（圖2）；圍巖位移也主要集中在洞口周邊（圖1）；遠(yuǎn)離洞室的巖體主要受重力作用，位移不是很明顯。

3.2.2 開挖后洞室圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

考慮開挖卸荷作用的影響，參考相關(guān)資料和文獻(xiàn)[10-13]，應(yīng)用李建林、哈秋舲、周小平等學(xué)者的研究成果[5、8、9]，對(duì)開挖后的圍巖應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行模擬，見圖3～圖6。由圖知，在開挖洞室的周邊最大主應(yīng)力集中較為嚴(yán)重（圖3）；靠近隧洞時(shí)，應(yīng)力方向與洞口方向水平，說明圍巖穩(wěn)定性受主應(yīng)力變化的影響較大，而遠(yuǎn)離隧洞時(shí)幾乎只受重力作用且主應(yīng)力方向?yàn)榇怪狈较颉Ｓ捎诔跏紤?yīng)力場(chǎng)被破壞，洞頂處應(yīng)力集中嚴(yán)重（圖4），圍巖位移較大（圖5），在隧洞上方出現(xiàn)較大的剪切屈服區(qū)域，比開挖前明顯；相對(duì)于開挖前，隧洞位移增加區(qū)域主要為接近洞口處（圖6）。

4 結(jié) 論

開挖引起圍巖應(yīng)力的重分布，切向應(yīng)力在臨空洞壁附近發(fā)生高度集中使該區(qū)域的巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)。隨著開挖的進(jìn)程，圍巖塑性區(qū)不斷向深部擴(kuò)展，即圍巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化與開挖卸荷過程是緊密相關(guān)的，且圍巖的應(yīng)力應(yīng)變是非線性的不可逆過程。因此，在實(shí)際工程中設(shè)計(jì)圍巖支護(hù)加固方案時(shí)應(yīng)考慮開挖卸荷作用的影響，建議采用非線性大變形力學(xué)方法制定合理措施確保施工安全。

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