爆破荷載對含軟弱夾層隧道圍巖穩(wěn)定性和變形破壞特征的影響*

徐葉勤,李 梅,姚俊偉，梅萬全，熊永亮

(1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責任公司，鄭州 450000 )

巖土工程鉆爆法施工過程中會產(chǎn)生較大的動力擾動，應(yīng)力波在傳播過程中對圍巖的損傷不可忽略，當有軟弱夾層存在時情況將更為復(fù)雜，不同應(yīng)力狀態(tài)下圍巖的損傷分析對工程安全和質(zhì)量具有重要意義。

對于不同應(yīng)力條件下含軟弱夾層圍巖的研究，由于材料和變形的不連續(xù)，往往呈現(xiàn)出非線性的特征，理論求解十分困難，主要通過簡化的物理模型來模擬其特性?？壮韧ㄟ^FLAC3D開展了不同中間主應(yīng)力對隧道拱頂沉降及塑性區(qū)的影響研究，并建立了考慮中間主應(yīng)力的巖體本構(gòu)模型[1]。石少帥等通過模擬分析了不同軟弱夾層產(chǎn)狀下隧道圍巖位移場、塑性區(qū)的分布特征，得出了軟弱夾層對隧道圍巖破壞的影響規(guī)律[2]。Miao等、Pan等采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不同初始地應(yīng)力條件下含軟弱結(jié)構(gòu)面圍巖的變形破壞規(guī)律[3,4]。Li等、Yang等通過數(shù)值模擬，從動態(tài)應(yīng)力集中和能量演化的角度分析了隧道周圍的動力響應(yīng)[5,6]。肖定軍等通過ANSYS/LS-DYNA建立了邊坡臺階爆破模型，研究了不同抵抗線下巖體順傾軟弱夾層的破壞規(guī)律[7]。Li等、Amin等模擬了深埋隧道的巖石動態(tài)破壞過程，在動載荷作用下研究了深埋隧洞斷層附近的沖擊地壓響應(yīng)機理[8,9]。Hu等通過三維離散元DEM，研究了切向弱動力擾動觸發(fā)沖擊地壓的特性和機理[10]。

由上可知，過往研究多集中于靜載下不同初始地應(yīng)力或軟弱夾層產(chǎn)狀對含軟弱夾層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響以及動載下隧道圍巖的動態(tài)響應(yīng)，關(guān)于爆破荷載下不同中間主應(yīng)力與軟弱夾層位置下隧道圍巖穩(wěn)定性分析這方面的文獻較少。基于此，以某引水工程為例，通過彈塑性細胞自動機EPCA3D的動力模塊[11-13]，分析爆破荷載下不同中間主應(yīng)力及軟弱夾層位置的隧道圍巖破壞行為，以等效塑性應(yīng)變?yōu)槠茐奶卣髁糠治鰢鷰r的變形破壞特征。

1 隧道模型建立

隧道模型參考某引水工程引水隧洞設(shè)計參數(shù)，隧道輪廓為半徑為6.5 m的圓形隧洞。建立長寬高分別200 m×5 m×200 m的三維模型，由于需要改變夾層位置，模型單元數(shù)在169206至208008之間。本構(gòu)模型采用巖體局部劣化模型[14](RLDM)，該模型考慮了局部應(yīng)力狀態(tài)對巖體力學(xué)行為的控制作用，為簡便起見，采用RLDM模型的簡化形式，即考慮內(nèi)聚力隨塑性增加逐步弱化而摩擦強度逐步增強的力學(xué)演化行為，該方法在模擬高地應(yīng)力下脆性巖石破壞區(qū)分布效果較好。數(shù)值模型示意圖見圖1(a)，對開挖后的隧道臨空面施加爆炸荷載(圖1(b))，選擇三角形爆破荷載函數(shù)(圖1(c))定義爆破載荷的時間歷程。爆破荷載沿著隧道徑向均布施加在圓形輪廓面上，壓縮脈沖的峰值應(yīng)力為30 MPa，脈沖持續(xù)時間為3 ms。采用靜態(tài)邊界條件來吸收向外傳播的應(yīng)力波，有限元模型足夠大可避免應(yīng)力波反射對模型計算結(jié)果的影響[15]。

本文采用等效塑性應(yīng)變(Equipment Plastic Strain，EPS)分析不同初始地應(yīng)力條件及軟弱夾層位置下隧道圍巖的破壞行為，為簡便起見，將等效塑性應(yīng)變的計算結(jié)果編制成能導(dǎo)入Tecplot讀取的數(shù)據(jù)格式，對模型破壞區(qū)進行可視化處理，以達到有效顯示相關(guān)破壞特征量的目的。

表1 模型物理參數(shù)Table 1 Model physical parameters

2 爆破荷載對含軟弱夾層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

2.1 中間主應(yīng)力對含軟弱夾層隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

為研究爆破荷載下不同方向中間主應(yīng)力對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，在保持豎直方向地應(yīng)力σz為70 MPa不變的情況下，考慮兩種情況，一種是以沿隧道軸向應(yīng)力σy為中間主應(yīng)力，即保持σz=70 MPa、σx=20 MPa不變的情況下σy從20 MPa逐漸增加到70 MPa，間隔10 MPa，另一種則是以水平方向應(yīng)力σx為中間主應(yīng)力,保持σz=70 MPa、σy=20 MPa不變的情況下σx從20 MPa逐漸增加到70 MPa，間隔10 MPa。具體見表2。

表2 不同中間主應(yīng)力模擬方案Table 2 Different intermediate principal stress simulation schemes

2.1.1 軟弱夾層距離隧道壁0.5r

由工況一，考慮軟弱夾層的存在，且d=0.5r、θ=45°，結(jié)果云圖如圖2所示，軟弱夾層由于其構(gòu)造特點導(dǎo)致抗剪強度較低，相比附近的圍巖更早進入屈服狀態(tài)，不同于隧道圍巖塑性區(qū)僅出現(xiàn)在隧道周邊一定范圍內(nèi)，軟弱夾層塑性區(qū)發(fā)展至更遠的區(qū)域。統(tǒng)計最大等效塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)(表3)，左側(cè)拱腰處塑性應(yīng)變明顯大于右側(cè)。與圍巖的危險區(qū)只分布在隧道周邊一定范圍內(nèi)相比，軟弱夾層塑性區(qū)可以擴展到更遠的區(qū)域。中間主應(yīng)力沿隧道軸向時，隨著σy的不斷增大，施加在y方向(隧道軸向)的應(yīng)力對隧道圍巖整體穩(wěn)定性影響較小，驗證了以最大水平主應(yīng)力方向為隧道開挖方向這一實際工程經(jīng)驗的合理性。由于σy數(shù)值的變化對圍巖整體穩(wěn)定性影響甚微，之后的研究將不再討論中間主應(yīng)力沿隧道軸向的情況。

保持σz=70 MPa、σy=20 MPa不變，中間主應(yīng)力沿水平方向，如圖3所示，當σx處于較低水平時，由于軟弱夾層的存在，隧道左側(cè)拱腰處應(yīng)變明顯大于右側(cè)，隨著σx逐漸增大，隧道左右兩側(cè)及軟弱夾層等效塑性應(yīng)變都隨之降低，軟弱夾層內(nèi)部的塑性區(qū)逐漸縮小，當σx為50 MPa時軟弱夾層內(nèi)部塑性區(qū)完全消失，說明水平方向應(yīng)力σx的增大抑制了隧道圍巖及軟弱夾層內(nèi)部破壞區(qū)的發(fā)展，表現(xiàn)為σx對隧道圍巖及軟弱夾層穩(wěn)定性的影響較大。

表3 軟弱夾層d=0.5r下EPS統(tǒng)計表Table 3 EPS statistical table under weak interlayer d=0.5r

2.1.2 軟弱夾層距離隧道壁0.25r

根據(jù)工況二，考慮軟弱夾層的存在，d=0.25r、θ=45°，數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖4所示。

與圖3相似，由于軟弱夾層的存在，隧道左側(cè)拱腰處應(yīng)變明顯大于右側(cè)。在σx從20 MPa增加到50 MPa過程中，軟弱夾層內(nèi)部及隧道左右兩側(cè)等效塑性應(yīng)變均隨之降低，夾層及圍巖穩(wěn)定性逐漸增強；當σx增至60 MPa時，隧道左側(cè)拱肩塑性區(qū)與軟弱夾層貫通，達到70 MPa時，軟弱夾層與隧道左上方圍巖塑性貫通區(qū)繼續(xù)擴大。說明當σx數(shù)值大小處于這兩個水平時，隧道與軟弱夾層之間的圍巖更容易產(chǎn)生破壞。并且，等效塑性應(yīng)變最大值(表4)在σx增大過程中并不是同圖3一樣逐漸減小，這是由于σx在60 MPa時圍巖與軟弱夾層出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)，導(dǎo)致隧道左側(cè)拱肩至上部軟弱夾層中間區(qū)域圍巖發(fā)生錯位滑移，應(yīng)變值突變，70 MPa時塑性區(qū)范圍雖繼續(xù)擴大，但應(yīng)力重分布下圍巖破壞所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移到了軟弱夾層中，具體表現(xiàn)為隧道圍巖等效塑性應(yīng)變的最大值減小，軟弱夾層塑性應(yīng)變區(qū)增大。

表4 軟弱夾層d=0.25r下EPS統(tǒng)計表Table 4 EPS statistical table under weak interlayer d=0.25r

2.2 軟弱夾層位置變化對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

為研究爆破荷載下不同軟弱夾層位置對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，在保持地應(yīng)力σx、σy、σz分別為20、20、70 MPa不變的情況下，考慮兩種情況，一種是保持軟弱夾層傾角θ=45°不變的情況下夾層距隧道距離d從2r逐漸縮減到0.25r，另一種則是夾層距隧道距離d=0.5r不變的情況下軟弱夾層傾角從0°增加到90°，間隔15°。具體方案如表5。

表5 不同軟弱夾層位置模擬方案Table 5 Simulation scheme of different weak intercalation positions

2.2.1 軟弱夾層距離變化對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程實際，掘進方向隧道臨空面應(yīng)盡量避開斷層破碎帶、軟弱夾層等劣化巖體，且隧道上方存在的軟弱夾層對圍巖影響程度明顯大于下方存在的軟弱夾層，故分析計算時僅考慮軟弱夾層出現(xiàn)于隧道上方，不考慮軟弱夾層經(jīng)過隧道橫截面及隧道下方的情況。

根據(jù)工況三，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖中可以看出，隨著軟弱夾層與隧道距離逐漸減小，軟弱夾層內(nèi)部及隧道圍巖塑性應(yīng)變區(qū)均逐漸增大；當距離減小到0.25r時，隧道左側(cè)拱肩巖體與軟弱夾層形成塑性貫通區(qū)，此時要特別留意隧道左側(cè)拱肩圍巖的變化情況，及時做好支護措施。對比圖5(d)與圖5(e)，發(fā)現(xiàn)距離為0.25r時，無爆破荷載下圍巖與軟弱夾層塑性貫通區(qū)消失，爆破荷載下等效塑性應(yīng)變最大值增加140%(表6)。

2.2.2 軟弱夾層傾角變化對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工況四，塑性區(qū)分布如圖6所示。在爆破荷載的作用下，應(yīng)力波的傳播與原巖應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力疊加，最終大于巖石強度，圍巖出現(xiàn)塑性變形。軟弱夾層的存在導(dǎo)致隧道左幫破壞較為嚴重，當傾角大于45°時，左側(cè)拱腰的破壞范圍顯著大于右側(cè)。對于塑性區(qū)的分布情況，可見隨著軟弱夾層傾角的增大，軟弱夾層與隧道圍巖塑性區(qū)范圍均先增大后減小，傾角為60°和75°時，軟弱夾層基本完全破壞，此時隧道左幫與軟弱夾層產(chǎn)生了貫通的塑性區(qū)。

表6 不同軟弱夾層距離下EPS統(tǒng)計表Table 6 EPS statistical table under different distances of weak interlaye

3 結(jié)論

論文利用中科院武漢巖土所自主研發(fā)的CASRock軟件系列模塊，即彈塑性細胞自動機EPCA3D動力模塊，采用巖體局部劣化(RLDM)本構(gòu)模型，分析了爆破荷載作用下中間主應(yīng)力、軟弱夾層距離和傾角變化對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)軟弱夾層的存在對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響較大，中間主應(yīng)力沿隧道軸向時對圍巖整體穩(wěn)定性基本無影響，中間主應(yīng)力沿水平方向時隧道圍巖穩(wěn)定性隨著中間主應(yīng)力的增大逐漸增強。

(2)軟弱夾層越靠近隧道邊界產(chǎn)生的影響越大，當距離為0.25r時，隧道左側(cè)拱肩上部圍巖與軟弱夾層形成貫通塑性區(qū)，與靜態(tài)荷載相比，爆破荷載下軟弱夾層距離0.25r時等效塑性應(yīng)變最大值增加140%，爆破荷載對軟弱夾層及隧道圍巖變形破壞的影響程度遠高于靜態(tài)荷載。

(3)軟弱夾層傾角對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度隨角度增長先增大后減小，在60°至75°范圍內(nèi)影響程度達到最大，此時應(yīng)及早采取防護措施，保證隧道圍巖安全。