強(qiáng)降雨影響下破碎復(fù)理巖地層隧道洞口段失穩(wěn)機(jī)理

高陽,2，孫浩凱，劉德軍3，徐飛，張騫

(1.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北石家莊，050043；2.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊，050043；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京，100083)

隨著全球變暖，極端強(qiáng)降雨災(zāi)害天氣頻發(fā)，容易發(fā)生隧道塌方冒頂事故，影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重威脅洞內(nèi)人員及工程財(cái)產(chǎn)安全，因此，開展降雨入滲作用下的隧道冒頂機(jī)制研究是隧道施工中面臨的重要課題。復(fù)理巖是一種特殊的海相沉積巖，具有多次重復(fù)性韻律層理，單層厚度從頁片狀厚度幾毫米到塊狀厚度數(shù)米不等，總厚度巨大，構(gòu)造節(jié)理、裂隙發(fā)育風(fēng)化強(qiáng)烈，遇水極易軟化，因此，在復(fù)理巖開挖過程中應(yīng)充分估算暴雨工況下的水文地質(zhì)條件，以防止降雨入滲危害隧道安全。目前，對(duì)降雨入滲穩(wěn)定性的研究大多集中在邊坡、路堤、滲流場(chǎng)、安全系數(shù)、濕潤(rùn)峰等方面[1-4]，而對(duì)節(jié)理豐富的隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，大都僅限于對(duì)節(jié)理角度、覆土厚度方面進(jìn)行變形、應(yīng)力、塑性區(qū)、安全系數(shù)的研究[5-8]。隧道的流固耦合研究大多對(duì)單個(gè)巖石節(jié)理裂隙的物理力學(xué)性質(zhì)及滲流場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行細(xì)觀研究，對(duì)強(qiáng)降雨作用下隧道洞口段節(jié)理巖體的穩(wěn)定性分析及破壞過程的研究較少。巖體的力學(xué)性質(zhì)主要受節(jié)理控制[9]，巖體滲流本質(zhì)上也是裂隙水力學(xué)問題，節(jié)理中的尺寸和連通程度遠(yuǎn)比巖石中的孔隙的大，使得節(jié)理的水力傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于完整巖石中孔隙的滲透系數(shù)，因此，節(jié)理是地下水運(yùn)動(dòng)的主要通道[10]，巖體工程的穩(wěn)定性很大程度上取決于節(jié)理的滲流特性[11]。由于傳統(tǒng)的連續(xù)圍巖介質(zhì)有限元、有限差分等方法均無法真實(shí)模擬節(jié)理對(duì)巖體的影響[12]。而離散元軟件中，巖體的滲透性同時(shí)受到節(jié)理的幾何形態(tài)和受力狀態(tài)的影響，可以較好地模擬流固耦合問題。因此，本文作者以Kosman隧道為背景，采用離散元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法分析強(qiáng)降雨下隧道洞口段破碎圍巖擾動(dòng)區(qū)裂縫的數(shù)量、走向、發(fā)育速度及勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，為評(píng)價(jià)研究滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)共同作用下隧道的塌方機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

Kosman隧道位于黑山北部山嶺地帶，海拔1 000～1 200 m，線路區(qū)巖性主要為復(fù)理石區(qū)，洞口段主要為坡積體沖積層，多呈散體結(jié)構(gòu)，土體及圍巖自穩(wěn)性差。隧道穿越地層以泥灰?guī)r、粉砂巖、砂巖、角礫巖和砂質(zhì)灰?guī)r為主，呈層狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)地勘資料顯示，隧道地表有厚4～5 m的殘坡積碎石土，下覆為強(qiáng)風(fēng)化的復(fù)理巖破碎巖石。在右洞掌子面拱頂和拱腰處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)拱頂沉降和周邊收斂，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1。降雨前30 d的拱頂下沉和周邊收斂數(shù)據(jù)見圖2。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析，開挖后圍巖應(yīng)力重分布，拱頂、拱肩處分別產(chǎn)生3 cm和1 cm的沉降及收斂后不再繼續(xù)增加。

因連續(xù)暴雨，導(dǎo)致Kosman隧道出口右洞開挖施工至RK29+200.2處于2016-11-07在隧道內(nèi)掌子面處發(fā)生滲水，并逐漸發(fā)展為突泥涌水。雨水持續(xù)日降雨量較大，達(dá)到90 mm以上，水流快速的涌進(jìn)隧道，并夾帶泥石涌出，隨后掌子面處逐漸脫空導(dǎo)致地表下沉，進(jìn)而導(dǎo)致冒頂發(fā)生。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立及本構(gòu)關(guān)系

使用通用離散元軟件UDEC構(gòu)造數(shù)值模型，選取洞口段掌子面為對(duì)象建立二維模型，該模型以地表為上邊界，埋深約為9.6 m，左右邊界距隧道中心線約2倍洞徑，距隧道仰拱約4倍洞徑為下方邊界，并將敏感區(qū)域自上而下分為Ⅰ～Ⅵ區(qū)域，區(qū)域?qū)?0 m，埋深范圍如圖3所示。破壞分析中，采用庫侖滑移模型準(zhǔn)則分析本模型的裂隙節(jié)理的本構(gòu)關(guān)系。

圖1 事故現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)Fig.1 Field monitoring

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.2 Field monitoring data

2.2 邊界條件及參數(shù)賦值

左右邊界在水平方向約束，下邊界在垂直方向設(shè)約束，地表為自由邊界。隧道所在地層多為殘破積碎石土、強(qiáng)風(fēng)化破碎復(fù)理巖。為了分析降雨裂隙水對(duì)圍巖裂隙發(fā)育及滲流場(chǎng)的影響，在現(xiàn)場(chǎng)勘察基礎(chǔ)上，采用正六邊形單元(邊長(zhǎng)為0.5 m)模擬表層的殘坡積碎石土層，采用垂向間距為1.3 m的水平節(jié)理并在水平節(jié)理之間填充正六邊形節(jié)理這一組合形式模擬下部強(qiáng)風(fēng)化復(fù)理巖破碎巖石層，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。其中，噴射混凝土采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)以及仰拱采用提高噴射混凝土參數(shù)指標(biāo)的方法等效模擬，不再單獨(dú)考慮格柵鋼架的支護(hù)作用。

圖3 Kosman隧道模型Fig.3 Kosman tunnel model

在實(shí)際建模時(shí)，由于管棚直徑相對(duì)較小，將管棚及注漿加固采用等效橫截面的方法對(duì)管棚影響區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化，用一種均勻單一的地層材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)抗壓剛度等效的原則，將格柵鋼架的彈性模量折算為噴射混凝土的彈性模量[13]。

3 降雨破壞的數(shù)值模擬

3.1 降雨前模型建立及計(jì)算

在初始應(yīng)力場(chǎng)下開挖隧道斷面并施做初期支護(hù)，降雨前圍巖位移計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

隧洞開挖后會(huì)產(chǎn)生向臨空面位移，即表現(xiàn)為拱頂下沉，左右邊墻向中間收斂。最明顯的為拱頂上部的巖體產(chǎn)生較大沉降，隧道輪廓兩側(cè)拱腰處產(chǎn)生較大水平位移。故在拱腰及拱頂處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)拱頂沉降及周邊收斂位移。數(shù)值模擬結(jié)果表明：拱頂沉降及周邊收斂位移分別約為38 mm和12 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)33 mm和10 mm基本一致，從而說明此模型的可行性。

圖4 降雨前圍巖位移Fig.4 Displacement of rock before rainfall

3.2 強(qiáng)降雨作用下隧道冒頂計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)強(qiáng)降雨時(shí)地表積水約為2 cm，因此在模型自由表面處施加200 Pa孔隙水壓力模擬暴雨導(dǎo)致的地表積水，左右兩邊界設(shè)為不透水邊界，底面設(shè)置為透水邊界，打開流體計(jì)算。

在分析降雨對(duì)巖體的破壞機(jī)理時(shí)，僅研究滲流巖體中的孔隙水壓力與巖石應(yīng)力場(chǎng)的力學(xué)耦合是比較片面的，還需著重考慮的還有水對(duì)節(jié)理的濕潤(rùn)弱化。通過研究[14-15]可知，不同巖層中節(jié)理的力學(xué)特性受水的影響不同，當(dāng)含水量增加時(shí)，節(jié)理剪切強(qiáng)度、剛度顯著降低，在含土較多巖層的節(jié)理裂隙中，節(jié)理中水飽和時(shí)的抗剪強(qiáng)度較干燥時(shí)的降低約50%；砂巖的抗剪強(qiáng)度在浸水后降低20%～24%，且受浸水時(shí)間及飽和度影響較低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，復(fù)理巖組成部分中砂巖含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，故將復(fù)理巖地層中節(jié)理的強(qiáng)度減少20%，上部殘積坡碎石土層強(qiáng)度減少50%。因此，通過軟件二次開發(fā)改變滲流嚴(yán)重處節(jié)理的力學(xué)參數(shù)，根據(jù)剪切破壞準(zhǔn)則、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及上述折減標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)內(nèi)聚力、摩擦角、剪切剛度進(jìn)行折減(見表1)，模擬雨水下滲對(duì)節(jié)理影響。

隧道開挖破壞了圍巖應(yīng)力平衡，引起圍巖的變形移動(dòng)。降雨入滲導(dǎo)致孔隙水壓力發(fā)生變化，同時(shí)，又對(duì)節(jié)理的濕潤(rùn)弱化，必然打破已有的應(yīng)力平衡狀態(tài)從而導(dǎo)致圍巖再次變形。這種變形可以分解成2個(gè)分量，一個(gè)為水平方向位移，表現(xiàn)為水平向剪切破壞造成圍巖分層；另一個(gè)為豎直方向位移，表現(xiàn)為豎直位移的總和構(gòu)成地表的凹陷，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響極大。

滲流矢量示意圖如圖5所示。由圖5可見，降雨初期雨水沿六邊形的節(jié)理裂隙由地表處均勻向下運(yùn)動(dòng)。雨水滲透至隧道拱頂，引起滲流通道的貫通隨著滲流力、自重應(yīng)力對(duì)節(jié)理開度及滲流通道貫通及圍巖孔隙水壓力場(chǎng)影響，滲流矢量逐漸集中于拱頂，于工程冒頂前拱頂不斷突涌泥石一致。

圖6 拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Dome monitoring point monitoring curve

在拱頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離隧道圓心分別為1倍洞徑、1.5倍洞徑和2倍洞徑。對(duì)位移、應(yīng)力、滲流場(chǎng)、孔隙水壓力、流速、流量等進(jìn)行數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)。降雨破壞過程可以歸納為3個(gè)階段：裂隙擴(kuò)張階段、滲流上升階段和滲流破壞階段(見圖6)。取拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析，降雨前，拱頂累計(jì)沉降為3 cm且不再繼續(xù)增加，破壞節(jié)理極少。在施加降雨邊界條件后，在裂隙擴(kuò)張階段，流量由0 m3/s迅速增加至0.000 3 m3/s，但是孔隙水壓力保持0 kPa保持不變，可見土層比較松散，易于降雨滲透，孔隙水壓力極小，孔隙水壓力不變也說明土層沒有對(duì)新產(chǎn)生的裂隙產(chǎn)生壓力，土層還沒有沉陷垮落的跡象；在滲流上升階段，孔隙水壓力急劇上升，表明此時(shí)圍巖已受到滲流影響，節(jié)理強(qiáng)度、剛度弱化造成裂隙擴(kuò)張，給降雨滲流創(chuàng)造一系列有利通道，孔隙水壓力、流量急劇增大，拱頂開始逐漸下沉。出現(xiàn)貫通滲流通道后孔隙水壓力降低，節(jié)理大量破壞導(dǎo)致拱頂沉降量急劇增大，冒頂產(chǎn)生。每一次孔隙水壓力變化必然伴隨流量的急劇變化?？傊?，流固耦合是裂隙、孔隙水壓力、流量和圍巖應(yīng)力相互作用、相互制約的動(dòng)態(tài)過程。因此，可以根據(jù)空隙水壓力確定隧道垮落的時(shí)間和加強(qiáng)防護(hù)的時(shí)段。

裂隙破壞情況與孔隙水壓力變化情況大致相似，在模擬初期，裂隙破壞數(shù)量、長(zhǎng)度急劇上升，同時(shí)滲流通過裂隙通道向下滲透，孔隙水壓力、流量急劇增大，在擾動(dòng)嚴(yán)重區(qū)域，內(nèi)孔隙水壓力變化明顯，且與同一高度上擾動(dòng)較小區(qū)域孔隙水壓力相比明顯下降，流量變化劇烈。在擾動(dòng)嚴(yán)重區(qū)域外的節(jié)理破壞裂隙較少，基本為原巖自然狀態(tài)下的節(jié)理分布，孔隙水壓力較為平穩(wěn)，流量穩(wěn)定，開挖及降雨對(duì)其造成的影響較小。

4 圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

4.1 圍巖裂隙擴(kuò)展分析

在離散元中，塊體內(nèi)部不會(huì)被破壞只產(chǎn)生彈性變形，不同塊體之間只會(huì)在接觸面、點(diǎn)發(fā)生剪切破壞和張拉破壞。其中，在垂直于接觸面的方向上，應(yīng)力-應(yīng)變是線性的并且由剛度控制，當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生張拉破壞且接觸點(diǎn)拉應(yīng)力為0 kPa。在剪切方向上，破壞由剪切剛度控制，由剪應(yīng)力及節(jié)理內(nèi)聚力、摩擦力決定，當(dāng)剪切應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞[16-17]。

為了進(jìn)一步觀測(cè)裂縫的發(fā)展，通過二次開發(fā)設(shè)計(jì)了“聲發(fā)射(AE)”功能，由于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征與能量特征常呈現(xiàn)一致性趨勢(shì)，因此結(jié)合兩者進(jìn)行分析，還能對(duì)試件在試驗(yàn)過程中內(nèi)部的損傷破壞部位進(jìn)行實(shí)時(shí)的空間定位，再現(xiàn)損傷過程[18-22]。本研究監(jiān)測(cè)張拉裂縫及剪切裂縫長(zhǎng)度、方向、個(gè)數(shù)在隧道不同位置的情況，進(jìn)而得出裂縫發(fā)展與隧道破壞之間的關(guān)系。

裂隙變化及分布由如圖7所示。由圖7可知，Ⅰ區(qū)域內(nèi)，剪切裂縫占此區(qū)域總節(jié)理數(shù)的52%，且在較短的時(shí)間內(nèi)迅速增大后趨于穩(wěn)定；張拉裂縫發(fā)展速度較慢，約占總數(shù)的18%。隨埋深增加破壞程度逐漸減小，在Ⅰ～Ⅵ區(qū)域內(nèi)，剪切裂縫數(shù)量比例約為52%，40%，42%，22%，10%和15%。隨埋深增加，Ⅰ～Ⅵ區(qū)域張拉裂縫數(shù)量比例分別約為19%，12%，10%，2%，1%和0.3%。在Ⅰ～Ⅵ區(qū)域，剪切裂縫長(zhǎng)度與縱裂縫長(zhǎng)度之比分別約為60%，41%，45%，24%，14%和10%，拉伸裂縫長(zhǎng)度與節(jié)理長(zhǎng)度之比分別約為19%，12%，9%，2%，1%和0.3%。剪切破壞的長(zhǎng)度和數(shù)量都遠(yuǎn)大于張拉破壞的長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)，且隨著埋深增加，比值逐漸減小，破壞長(zhǎng)度比的變化規(guī)律與破壞數(shù)量比的變化規(guī)律大致相同。

拱底及拱頂首先出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)育，拱頂裂縫沿一定角度向地表擴(kuò)散，貼近地表層隨即出現(xiàn)剪切裂縫。沿拱頂裂縫發(fā)育角度、拱頂、貼近地表層形成的封閉圖形內(nèi)，剪切裂縫不斷填充，張拉破壞裂縫主要分布在左、右及中部，且2種裂縫圍成的封閉圖形下邊形成開口向兩側(cè)下方的雙曲線形狀，并隨著流固耦合進(jìn)行下邊不斷下移，且前期裂隙發(fā)育速度較快。

4.2 裂隙貫通機(jī)制分析

當(dāng)發(fā)生大變形后，隧道頂部圍巖不斷塌落造成節(jié)理間張拉錯(cuò)動(dòng)及剪切錯(cuò)動(dòng)加劇，其中水平向節(jié)理造成圍巖分層，豎向及傾斜節(jié)理造成水平相鄰塊體分離。模擬塊體形狀選取為正六邊形，其特有節(jié)理角度為 30°，90°，150°，210°，270°和330°。塊體邊界示意圖如圖8所示。由圖8可知，張拉裂縫主要由正六邊形30°，210°(左側(cè)圍巖)，150°，330°(圍巖右側(cè))組成，單側(cè)平均角度為51.3°，張拉裂縫主要由正六邊形30°，210°(左側(cè)圍巖)，150°，330°(圍巖右側(cè))，90°和270°(復(fù)理巖水平向節(jié)理)組成，單側(cè)平均角度為127.8°。在同一埋深處，L-1及R-1節(jié)理同時(shí)剪切破壞，破壞繼續(xù)發(fā)生時(shí)分別于L-2及R-2，L-3及R-3相連。裂隙向下貫通至隧道拱腰向上貫通至左右兩側(cè)裂隙相交，與隧道輪廓線形成三角形貫通裂隙使裂隙包圍土體失去穩(wěn)定性從而向下移動(dòng)。

4.3 圍巖能量轉(zhuǎn)化分析

能量是物體變化的本質(zhì)屬性，從能量的角度分析圍巖破壞及失穩(wěn)過程比研究破壞過程中的應(yīng)力應(yīng)變的變化更可靠。模擬過程中塊體離散為若干個(gè)有限差分三角形，即通過離散的三角形節(jié)點(diǎn)發(fā)生相互作用。根據(jù)每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)確定區(qū)域內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量、速度，并對(duì)該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)動(dòng)能求和可得到塊體動(dòng)能，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)總動(dòng)能。

式中：Uk為節(jié)點(diǎn)總動(dòng)能；ngp為節(jié)點(diǎn)數(shù)；mi為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；?i為節(jié)點(diǎn)速度；為區(qū)域內(nèi)塊體平均動(dòng)能；N為區(qū)域內(nèi)塊體數(shù)。

重力勢(shì)能的變化根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重力及位移來計(jì)算，對(duì)該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的增量位移求和可得區(qū)域內(nèi)總重力勢(shì)能。

式中：Ub為總勢(shì)能變化；uxi和uyi分別為節(jié)點(diǎn)位移x方向和y方向的分量；gx和gy分別為x和y方向上的加速度；b為區(qū)域內(nèi)塊體平均勢(shì)能。

圍巖能量變化過程與所在的地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，由淺部至深部經(jīng)歷了由重力主導(dǎo)、水平應(yīng)力主導(dǎo)和構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)，在開挖前初始地應(yīng)力場(chǎng)作用下，應(yīng)力場(chǎng)存在但沒有應(yīng)變，長(zhǎng)期外部輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能；開挖后，機(jī)械能與彈性變形儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能又包括重力勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，開裂及塑性變形對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的能量釋放，微裂縫不斷發(fā)育導(dǎo)致耗散能增加。

不同區(qū)域內(nèi)能量轉(zhuǎn)化如圖9所示。由圖9可知：在開挖初期，動(dòng)能急劇增大，彈性能及勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化分別表現(xiàn)為拱底區(qū)域(Ⅴ和Ⅵ)圍巖機(jī)械能變大(重力勢(shì)能及動(dòng)能)，拱底以上區(qū)域(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)動(dòng)能逐漸變大勢(shì)能逐漸衰減。在彈性能釋放不足以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能后，拱底區(qū)域動(dòng)能幾乎為0；上部區(qū)域開挖之后，動(dòng)能急劇增大，但隨著裂縫發(fā)生及塊體間碰撞動(dòng)能達(dá)到峰值后降低，并趨于穩(wěn)定但不為0，表明圍巖繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。

圖7 裂隙變化及分布Fig.7 Fracture change and distribution

由圖9還可知：各區(qū)域內(nèi)動(dòng)能相互制約，一個(gè)區(qū)域內(nèi)動(dòng)能較大必然會(huì)引起與下一區(qū)域塊體的碰撞從而損失動(dòng)能。區(qū)域Ⅱ最終塊體平均動(dòng)能最大，即移動(dòng)速率最快和破壞最嚴(yán)重；區(qū)域Ⅴ和Ⅵ最終平均動(dòng)能最小，表明移動(dòng)速率最小、最穩(wěn)定；區(qū)域Ⅱ平均動(dòng)能峰值最大，在破壞過程中移動(dòng)峰值速率最大。結(jié)合圖3中節(jié)理分布情況可知，在開挖初期，首先受到擾動(dòng)的是拱底區(qū)域，其次為拱腰區(qū)域、拱頂區(qū)域。拱腳處應(yīng)力集中影響拱腳及拱底處穩(wěn)定性，導(dǎo)致上部圍巖失穩(wěn)，上部圍巖不穩(wěn)定的勢(shì)能及應(yīng)變能在較大程度上轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此，在開挖初期，著重對(duì)拱底、拱腳處進(jìn)行加固，進(jìn)而對(duì)地表巖體進(jìn)行超前加固，確保施工安全。

圖8 塊體邊界Fig.8 Block boundary

5 結(jié)論

1)裂縫破裂區(qū)域內(nèi)孔隙水壓力變化劇烈，貫通裂縫即形成滲流通道，裂隙、孔隙水壓力、滲流速率的動(dòng)態(tài)變化過程，三者之間相互約束，通過反復(fù)耦合得到流固耦合過程。

2)在降雨條件下，圍巖節(jié)理的強(qiáng)度(內(nèi)聚力、摩擦角)及剛度(剪切剛度)降低，且孔隙水壓力變小使塊體有效應(yīng)力升高，進(jìn)而使沉降增大導(dǎo)致出現(xiàn)隧道冒頂事故?？紫端畨毫Σ粌H與埋深有關(guān)，而且與地形、地質(zhì)有密切關(guān)系。

3)隧道在滲流破壞中破壞形式為剪切破壞，圍巖拉伸破壞區(qū)域較少且集中在兩側(cè)及中部；最終剪切破壞區(qū)域占較大比例，且在地表處最大，占55%左右，大部分剪切裂縫分布在地面、隧道輪廓線以及拱腳與地表連接線三者包圍的區(qū)域內(nèi)，在隧道左側(cè)主要是六邊形塊體的左上邊；右側(cè)主要是六邊形塊體的右上邊，且隨埋深增加，剪切破壞比例逐漸減小，形成空心三角形塌陷層。

4)隧道開挖后，開裂及塑性變形產(chǎn)生的能量釋放，微裂縫不斷發(fā)育導(dǎo)致耗散能增加。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ區(qū)域內(nèi)開挖初期動(dòng)能急劇增大，重力勢(shì)能減??；Ⅴ和Ⅵ區(qū)域內(nèi)重力勢(shì)能增大，動(dòng)能增大，對(duì)應(yīng)2種不同的主導(dǎo)能量轉(zhuǎn)化過程。動(dòng)能和重力勢(shì)能變化越劇烈，圍巖越不穩(wěn)定，兩者差值越大，儲(chǔ)存的應(yīng)變能或斷裂損失的耗散能越多。