深埋隧洞圍巖破壞時(shí)間的預(yù)測研究

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1、深埋隧洞圍巖破壞時(shí)間的預(yù)測研究　　摘要：地下隧洞的開挖引起原始地應(yīng)力的重新分布，可能在圍巖局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致圍巖破壞。工程實(shí)際表明，即使在隧洞開挖過程中或開挖完成時(shí)，隧洞圍巖保持穩(wěn)定，隧洞在投入使用一段時(shí)間后，由于巖石強(qiáng)度的下降仍有可能引起隧洞圍巖失穩(wěn)。本文結(jié)合MSDPu強(qiáng)度準(zhǔn)則和次臨界裂紋生長理論詳細(xì)推導(dǎo)了已知隧洞圍巖任意一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)，其達(dá)到破壞所需要的時(shí)間公式，并利用數(shù)值分析軟件FLAC計(jì)算出圓形隧洞圍巖頂點(diǎn)在不同原始地應(yīng)力作用下達(dá)到破壞所需要的時(shí)間，為工程實(shí)際中隧洞圍巖破壞預(yù)測提供參考?！　￡P(guān)鍵詞：隧

2、洞圍巖；強(qiáng)度準(zhǔn)則；破壞時(shí)間；預(yù)測　　1引言　　在漫長的地質(zhì)年代里，地殼里的巖層已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的原始地應(yīng)力場。由于交通運(yùn)輸、能源開發(fā)等原因，人們在淺地表或深地表開挖建造了各種各樣的隧洞工程，擾亂了巖層原有的地應(yīng)力場分布，使得隧洞圍巖局部區(qū)域應(yīng)力集中，從而引起隧洞圍巖的破壞。已有的工程實(shí)例表明[1]，即使在開挖過程中或開挖完成初期，隧洞沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，由應(yīng)力侵蝕、微裂紋拓展等原因引起的巖石強(qiáng)度下降，仍可能在隧洞運(yùn)營一段時(shí)間之后造成圍巖的局部失穩(wěn)。如果能夠?qū)λ矶磭鷰r的破壞時(shí)間進(jìn)行預(yù)測判別，針對性的進(jìn)行二次支護(hù)

3、，避免或控制隧洞圍巖的破壞，具有十分重要的意義。5　　目前，國內(nèi)外的專家學(xué)者在隧洞圍巖破壞預(yù)測方面已做了不少研究，并取得了一些成果。向天兵等[2]依據(jù)控制因素、破壞機(jī)制、發(fā)生條件3個(gè)層次歸納出18種典型的圍巖破壞模式，并進(jìn)一步根據(jù)大型洞室群分步開挖過程中不斷更新的工程地質(zhì)條件和圍巖性狀，提出圍巖破壞模式的動(dòng)態(tài)識別、復(fù)核與調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)施工過程中圍巖局部不穩(wěn)定性問題的識別、預(yù)測與動(dòng)態(tài)調(diào)控。戚承志等[3]利用不可逆熱力學(xué)理論、連續(xù)相變形理論及彈塑性理論研究了深部隧洞圍巖變形破壞的時(shí)間演化問題，給出了圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象的

4、空間及時(shí)間解析解，并針對分區(qū)破裂化現(xiàn)象提出了一些支護(hù)方法。鄧俏[4]等針對某地下金屬礦山深井隔一采一方式回采過程形成的單面臨空礦柱，運(yùn)用軟件建立數(shù)值模擬模型，通過數(shù)值模擬，揭示礦柱及圍巖的應(yīng)力位移塑性區(qū)的變化情況，對回采過程中礦柱及圍巖可能出現(xiàn)的破壞區(qū)域進(jìn)行分析和預(yù)測。E.Z.Lajtai等[5]提出通過靜定疲勞試驗(yàn)建立在特定應(yīng)力狀態(tài)下巖石試件達(dá)到破壞所需要的時(shí)間與所施加應(yīng)力之間的曲線函數(shù)關(guān)系，來對巖石破壞時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。以上各種研究僅僅是對圍巖可能出現(xiàn)的破壞模式或者破壞出現(xiàn)的位置進(jìn)行預(yù)測，并沒有對工程實(shí)際中比較關(guān)心

5、的破壞時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。E.Z.Lajtai等提出的“靜定疲勞法”雖然可以預(yù)測圍巖的破壞時(shí)間，但這種方法需要進(jìn)行大量的重復(fù)試驗(yàn)，并且假定兩組對比試驗(yàn)的巖石強(qiáng)度一致，與實(shí)際情況存在一定差異。　　本文結(jié)合MSDPu強(qiáng)度準(zhǔn)則和次臨界裂紋生長理論，提出通過數(shù)值模擬方法直接計(jì)算出隧洞圍巖每一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并計(jì)算出該應(yīng)力點(diǎn)達(dá)到破壞所需要的時(shí)間。　　2MSDPu強(qiáng)度準(zhǔn)則5　　1996年，M.Aubertin和R.Simon[6]經(jīng)過研究分析巖石在拉伸破壞和壓縮破壞時(shí)應(yīng)力狀態(tài)的主要特征后，結(jié)合Mises-Scheicher準(zhǔn)則可以較好

6、描述低應(yīng)力狀態(tài)下巖石的極限強(qiáng)度特征和Drucker-Prager準(zhǔn)則可以較好描述高應(yīng)力狀態(tài)下巖石的極限強(qiáng)度的特點(diǎn)，提出了MSDP準(zhǔn)則。后來M.Aubertin等[7-9]對該準(zhǔn)則做了相應(yīng)的修正，以適合于不同的情形。　　3次臨界裂紋生長理論及破壞時(shí)間預(yù)測　　對于一個(gè)給定的介于長、短期強(qiáng)度屈服面的應(yīng)力狀態(tài)，可以利用基于Charles定理拓展而來的次臨界裂紋生長理論[10]來預(yù)測破壞發(fā)生的時(shí)間。通常認(rèn)為微裂紋的形狀為橢圓形，微裂紋端部的應(yīng)力集中因子Ki與受到的外荷載、微裂紋幾何尺寸相關(guān)。Charles對玻璃進(jìn)行的靜態(tài)疲勞

7、分析研究和Atkinson[11]關(guān)于巖石斷裂機(jī)理的分析研究表明，微裂紋端部的延伸速率V與應(yīng)力集中因子Ki存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系：　　當(dāng)K1≤K0時(shí)，破壞時(shí)間tf為無限長；當(dāng)KI=KC時(shí)，tf等價(jià)于tr。根據(jù)相似類比的原則，可以利用與微觀尺度相似的表達(dá)式等價(jià)宏觀響應(yīng)，即：　　式中，β2為材料參數(shù)，σapp為所施加的偏應(yīng)力。因此，當(dāng)偏應(yīng)力σapp等于短期強(qiáng)度STF時(shí)，tf等于參考時(shí)間tr；當(dāng)偏應(yīng)力σapp小于長期強(qiáng)度DIT時(shí)，破壞時(shí)間tf為無限長。公式（4-34）可以進(jìn)一步改寫為：　　式中，δ1是施加的偏應(yīng)力與長期強(qiáng)度的差

8、值，δ2是短期強(qiáng)度SFT與施加的偏應(yīng)力的差值，α1和β為材料參數(shù)，對于花崗巖而言，α1=2.7s，β5=9.73。Schmidtke和Lajtai[12]對花崗巖試件進(jìn)行了單軸壓縮靜態(tài)疲勞試驗(yàn)，測得了不同加載荷載下試驗(yàn)發(fā)生破壞時(shí)間的數(shù)據(jù)。M.Aubertin[8]利用公式（19）對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，其中長期強(qiáng)度取值短期強(qiáng)度的一半，得到擬合的效果比較吻合。