不同傾角層狀巖體巷道圍巖變形破壞特征及機(jī)制研究

沙 杰 葉義成,2 姚 囝

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430081;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢 430081)

隨著我國巷道施工建設(shè)的不斷發(fā)展,層狀巖體圍巖在巷道工程建設(shè)中經(jīng)常遇到[1-3],由于層狀巖體含有層理結(jié)構(gòu)面,導(dǎo)致其力學(xué)特性表現(xiàn)為明顯的各向異性[4],其變形破壞特征及機(jī)理要比均質(zhì)巖體更加復(fù)雜[5]。為確保層狀巖體地下巷道圍巖的安全與穩(wěn)定,有必要針對(duì)不同傾角下層狀巖體巷道圍巖的破壞特征及機(jī)理開展研究,這對(duì)實(shí)際工程具有十分重要的意義。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和相似模擬的方法對(duì)上述問題開展了大量的研究。徐同啟等[6]以重慶黔江蒲草溝隧道為依托,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了不同傾角下隧道拱頂?shù)某两堤卣?沙鵬等[7]分析了在高應(yīng)力條件下,不同層理面角度隧道圍巖變形特征及支護(hù)受力特征,并提出針對(duì)性的支護(hù)方案;賈蓬等[8]利用RFPA軟件研究了層狀頂板巷道圍巖的變形破壞特征及不同條件下頂板的破壞規(guī)律;彭巖巖等[9]以徐州旗山-1 000 m聯(lián)絡(luò)大巷為背景進(jìn)行了相似模型試驗(yàn),研究了緩傾斜層狀巖體巷道的變形破壞特征;夏彬偉和李丹等[10-11]均以共和隧道為對(duì)象,開展緩傾斜層狀巖體隧道相似模擬試驗(yàn),得到不同荷載作用下圍巖應(yīng)力變化規(guī)律及破壞特征;吳夢(mèng)軍等[12]通過數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS對(duì)陡傾層狀巖體隧道的變形破壞特征及機(jī)理進(jìn)行了探討,隨著層面傾角的增大,發(fā)生順層滑移破壞的概率增大;郭小龍等[13]以楊家坪隧道為依托,采用FLAC3D軟件分析了圍巖破壞特點(diǎn),提出高應(yīng)力陡傾層狀巖體軟巖巷道的變形破壞機(jī)理。

以上對(duì)于層狀巖體巷道圍巖的研究,一方面是針對(duì)某一具體傾角開展研究,另一方面是研究者采用基于連續(xù)介質(zhì)理論的有限元方法開展研究,該方法不能克服模型和巖體介質(zhì)客觀屬性之間存在的差異,不能準(zhǔn)確反映巷道開挖過程中巖體的力學(xué)響應(yīng)行為。因此,本文采用數(shù)值模擬的方法,使用離散元模擬軟件UDEC對(duì)不同傾角層狀巖體巷道圍巖變形破壞特征并對(duì)其破壞機(jī)制展開了討論,以期對(duì)層狀巖體巷道圍巖破壞以及后續(xù)采取針對(duì)性的支護(hù)措施具有理論及實(shí)踐意義。

1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)選取

1.1 計(jì)算模型的建立及邊界條件

采用非連續(xù)介質(zhì)的通用離散元程序(UDEC)軟件,巖層采用基于M-C強(qiáng)度準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型,層理面接觸采用Coulomb滑移準(zhǔn)則。為了簡化層狀巖體巷道模型,假設(shè)巷道的開挖是瞬時(shí)完成的。

根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理,為減小邊界效應(yīng)對(duì)巷道開挖的影響,取模型大小為50 m×50 m,巷道斷面為直墻半圓拱形,跨度5 m,高度5 m。計(jì)算采用裸洞的形式,不考慮支護(hù)作用。且為了監(jiān)測(cè)巷道開挖后層狀巖體圍巖的變形位移大小,在巷道周邊設(shè)置幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。層狀巖體巷道圍巖開挖數(shù)值模型如圖1所示,圖中θ為層面傾角。

圖1 計(jì)算模型(以30°為例)Fig.1 Computational model (Take 30 degrees for example)

巷道開挖之前,對(duì)巖體和節(jié)理面進(jìn)行參數(shù)賦值,并對(duì)模型邊界施加應(yīng)力或位移約束。對(duì)模型底部進(jìn)行豎向位移約束,模型兩側(cè)邊界固定水平方向位移,頂部邊界可根據(jù)計(jì)算情況對(duì)其施加相應(yīng)的壓力以模擬上覆巖體的自重應(yīng)力σ1,模型兩側(cè)施加應(yīng)力σ3模擬水平應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)巷道實(shí)際情況下的地應(yīng)力環(huán)境,在豎向應(yīng)力場(chǎng)方向賦予豎向應(yīng)力變化梯度。

1.2 巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)

根據(jù)某層狀砂巖為主的巷道施工工程現(xiàn)場(chǎng),對(duì)砂巖的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值,巖體與層理面參數(shù)見表1。

表1 巖體及層理面計(jì)算參數(shù)取值Table 1 Parameter value of rock mass and bedding plane calculation

由于在數(shù)值模擬計(jì)算中需要確定巖體的體積模量和剪切模量,通過以下公式計(jì)算:

根據(jù)表1中砂巖的彈性模量E和泊松比μ,可以計(jì)算得出砂巖的體積模量K為4.4×109Pa,剪切模量G為3.3×109Pa。

1.3 計(jì)算工況

巷道埋深取500 m,經(jīng)計(jì)算自重應(yīng)力為12 MPa,側(cè)壓系數(shù)取0.8,水平應(yīng)力為9.6 MPa。層理面垂直距離0.6 m,層理面傾角分別取0°、30°、45°、60°、90°進(jìn)行計(jì)算。為了對(duì)比分析層狀巖體巷道圍巖破壞特征的不同,方案中添加了均質(zhì)巖體巷道(無層理面),具體方案見表2。

表2 不同傾角層狀巖體分析方案Table 2 Analysis scheme of layered rock mass with different dip angles

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同層理傾角下圍巖位移分析

均質(zhì)巖體和不同傾角層狀巖體在巷道開挖后圍巖的變形位移特征如圖2所示。由圖2(a)可知,均質(zhì)巖體巷道圍巖的變形位移僅出現(xiàn)在巷道周邊較小區(qū)域內(nèi),且變形位移值較小,尤其巷道底角處的變形位移相比其余部位更小,其余部位變形位移大小基本相同。相比均質(zhì)巖體巷道圍巖的變形位移,層狀巖體巷道圍巖的變形位移部位及大小都有著很大的區(qū)別。當(dāng)層理面傾角為0°時(shí),由圖2(b)可知,巷道圍巖變形位移主要集中在巷道的頂?shù)装逄?最大位移值出現(xiàn)在巷道頂板為37.76 mm,其次是底板的30.77 mm,而巷道兩幫及底角變形位移相對(duì)而言較小,變形位移大小分布左右對(duì)稱。層理面傾角為30°時(shí),由圖2(c)可知,巷道圍巖頂?shù)装逄幍淖冃挝灰迫匀惠^大,頂板位移仍達(dá)到了30.49 mm,底板30.30 mm,但最大變形位移部位在左側(cè)拱肩處,其大小為38.12mm,右底角的變形位移要明顯大于左底角,變形位移大小明顯不對(duì)稱分布,且巷道兩幫變形位移大小相比0°傾角時(shí)略有增大。層理面傾角為45°時(shí),由圖2(d)可知,最大變形位移部位繼續(xù)向拱肩偏移,大小為37.79 mm,此時(shí)巷道頂?shù)装遄冃挝灰迫暂^大,右底角的變形位移遠(yuǎn)大于左底角的變形位移,變形位移大小不對(duì)稱分布。層理面傾角為60°時(shí),由圖2(e)可知,巷道圍巖最大變形位置繼續(xù)向左側(cè)偏移到拱肩與左幫之間,其大小為37.08 mm,巷道兩幫變形位移大小增加明顯,左幫的變形位移達(dá)到了28.66 mm,右?guī)妥冃挝灰戚^為明顯,大小為31.62 mm,但值得注意的是巷道頂板的變形位移情況有所好轉(zhuǎn)。層理面傾角為90°時(shí),由圖2(f)可知,巷道頂?shù)装宓淖冃挝灰戚^小,但此時(shí)巷道左右兩幫的變形位移達(dá)到最大,分別為33.35 mm和33.25 mm,變形位移大小左右對(duì)稱分布。

圖2 不同傾角層狀巖體巷道圍巖徑向位移Fig.2 Radial displacement of roadway surrounding rock of stratified rock mass with different dip angles

總體來看:除均質(zhì)巖體,層理面傾角為0°與90°的層狀巖體巷道圍巖外,其余傾角的層狀巖體巷道圍巖的變形位移均呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。當(dāng)層理面傾角從0°～90°的過程中,層狀巖體巷道圍巖變形破壞的非對(duì)稱性先增大后減小。值得注意的是,層狀巖體巷道圍巖變形位移最大的位置始終垂直于層理面方向,由剛開始的頂?shù)装遄罱K變成巷道兩幫。

由圖2可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(頂板)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)5(底板)的變形位移隨著層理面傾角的增大而逐漸減小,層理面傾角越小,對(duì)兩處影響越大;監(jiān)測(cè)點(diǎn)8的變形位移大小先有小幅度的上漲,但當(dāng)層面傾角大于45°時(shí),開始下降,且下降幅度較大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)2(右拱肩)的變形位移大小隨著傾角的逐漸增大而減小,與監(jiān)測(cè)點(diǎn)8(左拱肩)的變形位移大小變化有所不同。層理面傾角在0°～60°時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)3(右邊墻)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)7(左邊墻)的變形位移大小均隨層理面傾角的增大而增大,當(dāng)傾角達(dá)到60°時(shí),變形位移大小急劇增大,原因可能是巖層間作用力超過了其極限抗剪強(qiáng)度而引起較大程度的變形位移,層理面角度為90°時(shí),巷道邊墻是劈裂擠出破壞,與剪切滑移變形相比程度較輕,且右邊墻(順傾側(cè))的變形位移始終大于左邊墻(反傾側(cè))。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4(右底角)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6(左底角)的位移變化完全相反,右底角位移隨傾角的變化先增大后減小,左底角位移隨傾角的變化先減小后增大,值得注意的是,層理面傾斜時(shí),右底角的位移始終要比左底角的位移大得多,層理面傾角為45°時(shí),左右底角的位移量相差最大為13.13 mm。

由圖2、圖3可以看出,當(dāng)層狀巖體層面傾角逐漸增大時(shí),圍巖的變形破壞呈明顯的非對(duì)稱性,因此采用非對(duì)稱的支護(hù)方式才能最好地支護(hù)傾斜巖層巷道圍巖,即應(yīng)加強(qiáng)控制垂直層理面方向上的圍巖。當(dāng)層面傾角較大時(shí),要注意巷道兩幫產(chǎn)生較大的變形破壞,加強(qiáng)兩幫的支護(hù)強(qiáng)度,當(dāng)層面傾角較小或近水平時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)頂?shù)装宓闹ёo(hù)強(qiáng)度。

圖3 巷道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移Fig.3 Displacement of different monitoring points in roadway

2.2 巷道圍巖最小主應(yīng)力分布

不同層理面傾角下巷道圍巖的最小主應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 不同層理面傾角最小主應(yīng)力云圖(圖中數(shù)字為對(duì)應(yīng)圖例編號(hào))Fig.4 Nephogram of minimum principal stress at different angles of bedding planes

由應(yīng)力云圖可知,均質(zhì)巖體、0°、90°巷道圍巖的最小主應(yīng)力云圖呈對(duì)稱性分布。從等值線最小主應(yīng)力云圖可以明顯看出,貼近巷道臨空面的淺層圍巖處于受拉狀態(tài),深部圍巖都處于受壓狀態(tài),且應(yīng)力大小隨著距離臨空面越來越遠(yuǎn)表現(xiàn)為先增大后減小。由于層理面的存在,推遲了圍巖最小主應(yīng)力峰值位置的出現(xiàn),圍巖應(yīng)力得到了釋放。均質(zhì)巖體壓應(yīng)力增高區(qū)集中在距巷道兩幫一定距離的區(qū)域內(nèi),且面積較小;0°傾角巷道圍巖的壓應(yīng)力增高區(qū)除頂?shù)装逋?均勻分布在巷道周圍,呈“()”型,跨度較大;傾斜層理面巷道圍巖壓應(yīng)力增高區(qū)逐漸向拱肩位置轉(zhuǎn)移,呈“彎月形”,并隨著傾角的增大逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),表現(xiàn)為“左輕右重”的分布特點(diǎn);90°傾角巖體的壓應(yīng)力增高區(qū)同樣集中在距兩邊墻一定距離的區(qū)域內(nèi),但其有明顯向圍巖深部延伸的趨勢(shì),面積較大。

3 破壞機(jī)理分析

通過上述層狀巖體圍巖內(nèi)部最小主應(yīng)力分布規(guī)律研究結(jié)果,對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

3.1 水平層狀巖體巷道破壞機(jī)理

水平層狀巖體巷道頂板的破壞與材料力學(xué)中板梁結(jié)構(gòu)的破壞類似[14]。受到上覆圍巖重力及水平應(yīng)力的作用產(chǎn)生離層現(xiàn)象,即結(jié)構(gòu)面的剪切、張拉變形導(dǎo)致巖層的不同步下沉[15]。層狀頂板圍巖抗拉剪破壞的能力較弱,成為單層巖梁承載結(jié)構(gòu)后,當(dāng)單層巖梁承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到巖梁的極限時(shí),頂板巖體中間位置開始出現(xiàn)裂隙,由于強(qiáng)度的降低,裂隙不斷向上延伸,“梁”最終受張裂拉壞、彎折變形并向巷道內(nèi)部塌落,如圖5所示。

圖5 水平層狀巖體巷道破壞機(jī)理Fig.5 Failure mechanism of horizontal stratified rock mass roadway

水平層狀巖體巷道底板的破壞機(jī)理與頂板類似,巷道開挖后,應(yīng)力集中在兩幫區(qū)域及邊墻角,在水平應(yīng)力和向上的垂直應(yīng)力的共同作用下底板巖層首先發(fā)生剪切滑移、離層破壞,當(dāng)超過巖體的極限強(qiáng)度時(shí),便會(huì)發(fā)生擠向巷道內(nèi)部的底鼓破壞。而一般來說,水平層狀巖體巷道的邊墻在非高地應(yīng)力地區(qū)較為穩(wěn)定。

3.2 傾斜層狀巖體巷道破壞機(jī)理

隨著傾角的增大,沿層理面的層間摩擦力增大,層間位移量減小,不利于壓力的釋放[9],靠近巷道臨空面一側(cè)的巖體在垂直層面方向上的力和沿層理面方向上的擠壓應(yīng)力的共同作用下,層理面會(huì)先發(fā)生張拉破壞(離層),隨著破壞的發(fā)展,然后發(fā)生垂直于層理面方向上的彎折破壞和拉應(yīng)力破壞。同樣地,巷道底板在沿層理面方向的力和垂直層理面方向的力的共同作用下,層理面離層,后隨著開挖時(shí)間的增加,受層狀巖體各向異性力學(xué)性質(zhì)的影響,切向應(yīng)力增加較快,垂直于層理面方向的裂紋不斷向深部發(fā)展,并最終發(fā)生非對(duì)稱性的折斷性底鼓破壞,如圖6所示。

圖6 傾斜層狀巖體巷道破壞機(jī)理Fig.6 Failure mechanism diagram of inclinedstratified rock mass roadway

層理面傾角越大,巷道邊墻的穩(wěn)定性越差。傾角不斷增大,圍巖沿層理面方向上的下滑分力也越大,當(dāng)層理面提供的較弱粘結(jié)強(qiáng)度不能支持巖體沿層理面方向的下滑力時(shí),這也是造成邊墻發(fā)生沿層理面方向的剪切滑移破壞的主要原因[16]。巷道開挖后,無有效支護(hù)的情況下,層理面的法向應(yīng)力釋放程度較大,相鄰層面之間的摩擦阻力大幅減小,在上述2個(gè)影響因素的共同影響下,巷道邊墻的穩(wěn)定性較弱。

3.3 豎直層狀巖體巷道破壞機(jī)理

層理面傾角為90°可以視為傾斜層狀巖體的一種特殊情況。巷道開挖后,邊墻處的圍巖處于二維受力狀態(tài),巷道邊墻圍巖產(chǎn)生很大且與層理面方向平行的切向應(yīng)力,從而導(dǎo)致產(chǎn)生垂直層理面方向的拉應(yīng)力,靠近巷道臨空面的層理面會(huì)先發(fā)生層理面剪切破壞,然后發(fā)生層理面的拉伸破壞。表層的層理面破壞后,層狀圍巖在垂直應(yīng)力擠壓和水平應(yīng)力拉伸的共同作用下,造成邊墻圍巖的劈裂拉伸破壞,并最終向巷道內(nèi)部擠出[13],如圖7所示。

圖7 豎直層狀巖體巷道破壞機(jī)理Fig.7 Failure mechanism of vertical stratified rock mass roadway

4 結(jié) 論

(1)受層理面的影響,均質(zhì)巖體巷道圍巖與層狀巖體巷道圍巖的變形破壞特征存在明顯的差異。在給定條件下,當(dāng)層理面傾角較小時(shí),層狀巖體巷道圍巖的變形破壞位置最易出現(xiàn)在層理面法向方向。因此,在給定條件下沿易出現(xiàn)破壞的位置加強(qiáng)支護(hù),對(duì)增強(qiáng)巷道的穩(wěn)定性效果更加明顯。

(2)在給定條件下,隨著層理面傾角的增大,巷道周邊的應(yīng)力分布非對(duì)稱性增強(qiáng),造成巷道圍巖變形破壞的非對(duì)稱性。當(dāng)層理面傾角大于60°時(shí),巷道邊墻的變形位移明顯增大,但一定程度上減輕了巷道頂?shù)装宓牟焕绊憽?/p>

(3)巷道開挖后,在地應(yīng)力的誘導(dǎo)下,在沿層理面方向的應(yīng)力作用下,首先發(fā)生層面剪切滑移變形,然后向臨空面方向發(fā)生撓曲、離層,最終穿過層理面發(fā)生巖體的剪切拉伸破壞。