陳祥榮，張春生，朱煥春，曾新華，杜效鵠，張 鵬，劉 寧

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.Itasca（武漢）咨詢有限公司，湖北 武漢 430074；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051；4.中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)有限公司，北京 100120）

0 引言

深埋隧洞圍巖開挖后受二次應(yīng)力調(diào)整的影響產(chǎn)生變化，導(dǎo)致在不同巖體中產(chǎn)生不同的破壞現(xiàn)象，尤其是脆性巖體表現(xiàn)出片幫、巖爆等具有典型高應(yīng)力特征的破壞現(xiàn)象。隨著工程埋深的不斷增加，深埋圍巖開挖后的應(yīng)力調(diào)整和破壞機(jī)理已經(jīng)成為巖石力學(xué)理論研究和地下工程實(shí)踐中的熱點(diǎn)問題。與淺埋地下工程中受結(jié)構(gòu)面控制的塊體破壞相比，由于控制因素的增多，深埋巖體的破壞形式更加復(fù)雜。因此，對(duì)深埋條件下巖體高應(yīng)力破壞機(jī)理的分析研究具有相當(dāng)大的難度。由于深埋隧洞特殊的應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)特性，隧洞開挖后與常規(guī)條件下的響應(yīng)方式存在較大差別，如何把握深埋高應(yīng)力的特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)巖體在高應(yīng)力條件下的特性，是圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。

錦屏二級(jí)水電站 （以下簡(jiǎn)稱 “錦屏二級(jí)”）引水隧洞埋深1500～2000 m，最大埋深達(dá)2525 m，最大主應(yīng)力超過70 MPa，在如此高的應(yīng)力條件下，巖體所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為具有典型的代表性。本文通過深入研究深埋隧洞開挖卸載后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力變化規(guī)律，揭示了圍巖片幫、巖爆和邊墻型破壞發(fā)生的力學(xué)機(jī)理，有助于了解圍巖破壞損傷狀態(tài)與應(yīng)力之間的關(guān)系，以指導(dǎo)支護(hù)設(shè)計(jì)和施工。

1 深埋圍巖應(yīng)力分布特征

傳統(tǒng)巖石力學(xué)通常采用厚壁圓筒彈性解的方式描述隧洞開挖后圍巖二次應(yīng)力分布特征[1]，隧洞圍巖應(yīng)力分布見圖1。對(duì)圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)與初始地應(yīng)力場(chǎng)和隧洞斷面形態(tài)之間的關(guān)系可以歸納如下:

（1）隧洞開挖后將產(chǎn)生徑向應(yīng)力松弛和切向應(yīng)力集中。洞周的某些部位因?yàn)榍邢驊?yīng)力集中而形成應(yīng)力集中區(qū)，其出現(xiàn)的部位與初始最大主應(yīng)力σ1方位密切相關(guān)，并與初始最大主應(yīng)力σ1和開挖面切線方位保持一致。一般情況下，斷面初始最大σ1與最小主應(yīng)力σ3差越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越突出。

（2）根據(jù)圍巖應(yīng)力水平與圍巖強(qiáng)度的比值關(guān)系，應(yīng)力集中區(qū)一般臨近開挖斷面，或在開挖斷面以內(nèi)一定深度范圍內(nèi)。當(dāng)應(yīng)力水平顯著超過圍巖強(qiáng)度時(shí)，洞周一定范圍內(nèi)巖體也將處于屈服狀態(tài)形成屈服區(qū)，并且由于圍巖強(qiáng)度的降低，應(yīng)力水平也隨之降低。

（3）由于初始地應(yīng)力的影響，在洞周與應(yīng)力集中區(qū)相垂直的方位上，徑向應(yīng)力集中一般不明顯。因此，圍巖受力狀態(tài)和破壞特征明顯區(qū)別于應(yīng)力集中區(qū)。

圖1 隧洞圍巖應(yīng)力分布

深埋隧洞圍巖開挖后圍巖的三維應(yīng)力分布和圍巖破壞方式則更為復(fù)雜。一方面，巖體并非均質(zhì)的線彈性體，非均質(zhì)性表現(xiàn)為圍巖巖體強(qiáng)度特征的變化，結(jié)構(gòu)面效應(yīng)可以發(fā)揮重要作用而影響圍巖的局部受力狀態(tài)和破壞方式；另一方面，深埋隧洞圍巖中的應(yīng)力水平足以導(dǎo)致圍巖進(jìn)入屈服狀態(tài)，甚至是殘余狀態(tài)。因此，圍巖的非線性特性更為明顯。

2 深埋圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析

在深埋條件下巖體基本特性將發(fā)生變化，如摩爾-庫侖強(qiáng)度參數(shù)中的內(nèi)聚力c可以獲得較高的值，完整大理巖一般為6～12 MPa，巖體單軸抗壓強(qiáng)度σc為60～80 MPa，可能會(huì)低于深埋隧洞開挖前的初始地應(yīng)力水平。因此，在深埋隧洞開挖后的瞬間，洞壁的徑向應(yīng)力 （圍壓）被完全解除，洞壁一些部位的圍巖強(qiáng)度低于初始地應(yīng)力水平，切向應(yīng)力尚未形成集中，圍巖即出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

圖2為錦屏二級(jí)深埋隧洞洞周4個(gè)特征點(diǎn)在隧洞開挖后應(yīng)力狀態(tài)的變化過程。這種變化是以二次應(yīng)力場(chǎng)中最大、最小主應(yīng)力之間的相對(duì)關(guān)系描述的。其中，A、B點(diǎn)表示應(yīng)力集中區(qū)臨近洞壁和一定深度的部位；C、D點(diǎn)則是與應(yīng)力集中區(qū)垂直方位上與A、B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的部位 （計(jì)算對(duì)應(yīng)斷面埋深2000 m，巖體為白山組II類大理巖）。

圖2 深埋隧洞開挖后典型部位應(yīng)力變化路徑 （單位:MPa）

由圖2可知，隧洞開挖后，位于應(yīng)力集中區(qū)臨近洞壁的A點(diǎn)經(jīng)歷了一個(gè)最小主應(yīng)力 （徑向應(yīng)力、圍壓）迅速下降并很快達(dá)到強(qiáng)度包線 （屈服）的變化過程，但因?yàn)橄鄬?duì)初始地應(yīng)力水平，巖體強(qiáng)度較低，深埋條件下洞壁圍巖不具備切向應(yīng)力集中的強(qiáng)度條件，因此最大主應(yīng)力 （切向應(yīng)力）并沒有明顯超過巖體初始應(yīng)力水平。B點(diǎn)距離洞壁有一定距離，隧洞開挖后仍然經(jīng)歷了一個(gè)最小主應(yīng)力 （徑向應(yīng)力、圍壓）降低的過程，但在接近屈服之前的最大主應(yīng)力 （切向應(yīng)力）增加明顯，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

位于不同部位的A、B點(diǎn)，在隧洞開挖后經(jīng)歷了不同的應(yīng)力變化過程，本質(zhì)原因是圍壓效應(yīng)和巖體的非線性特征。隧洞開挖后，A點(diǎn)圍壓水平和巖體 （峰值）強(qiáng)度低，很容易進(jìn)入屈服和應(yīng)變軟化階段，進(jìn)一步降低巖體強(qiáng)度，甚至進(jìn)入殘余階段。而B點(diǎn)因?yàn)檩^高的圍壓而具有較高的強(qiáng)度，屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度較高。在能量方面，A點(diǎn)巖體缺乏能量積累過程，不可能誘發(fā)巖爆，而B點(diǎn)在高應(yīng)力水平下屈服時(shí)，積累了高的彈性應(yīng)變能，具備導(dǎo)致巖爆的能量條件。圍巖應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力變化方式和屈服時(shí)應(yīng)力狀態(tài)，決定了圍巖破壞方式的差異。

隧洞開挖后，C、D點(diǎn)的應(yīng)力變化特征與A點(diǎn)有著本質(zhì)的差別。A點(diǎn)的應(yīng)力降低是深埋條件下巖體迅速屈服應(yīng)變軟化后的結(jié)果，是巖體非線性特征的表現(xiàn)，即切向應(yīng)力趨于增加但圍巖強(qiáng)度不允許；C、D點(diǎn)的應(yīng)力降低則主要表現(xiàn)為應(yīng)力松弛，圍壓效應(yīng)起主要作用，切向應(yīng)力集中趨勢(shì)不明顯，某些情況下甚至不出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)的線彈性模型驗(yàn)證對(duì)比見圖3。從圖3可知，A點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了很大變化，說明A點(diǎn)受力狀態(tài)主要取決于巖體的非線性行為，而C、D點(diǎn)的變化不突出。

圖3 非線性和線彈性條件下圍巖應(yīng)力分布 （單位:MPa）

3 圍巖高應(yīng)力破壞機(jī)理

高應(yīng)力條件下隧洞圍巖有多種破壞類型。在錦屏二級(jí)引水隧洞開挖過程中，由于圍巖條件的不同表現(xiàn)出片幫、巖爆、鼓幫、細(xì)觀裂紋擴(kuò)展后的破碎性破壞等[2]。其中，以應(yīng)力松弛區(qū)邊墻鼓幫破壞、應(yīng)力集中區(qū)的片幫及巖爆破壞最為典型。

圖4描述了圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體破壞的4種方式[3]，即圖中標(biāo)出的穩(wěn)定區(qū)、應(yīng)力松弛區(qū)重力型破壞、片幫區(qū)和潛在巖爆區(qū)。圖4中折線方式的巖體強(qiáng)度包線有別于經(jīng)典巖體強(qiáng)度包線，主要體現(xiàn)了不同受力狀態(tài)下巖體中結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度的影響。與傳統(tǒng)的均化結(jié)構(gòu)面作用相比，試圖從更小的尺度和視角描述巖體強(qiáng)度。

圖2中C、D點(diǎn)的應(yīng)力變化路徑和最后的圍巖應(yīng)力狀態(tài)與圖4中的應(yīng)力松弛重力型破壞區(qū)相一致，該部位圍巖經(jīng)歷了持續(xù)的應(yīng)力松弛進(jìn)入低應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面所起的作用得到發(fā)揮，成為結(jié)構(gòu)面控制的重力型破壞區(qū)域。但是，處于應(yīng)力松弛狀態(tài)的錦屏二級(jí)引水隧洞邊墻圍巖破壞機(jī)理更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)面依然是導(dǎo)致邊墻破壞的基本因素，但不是惟一因素。邊墻結(jié)構(gòu)面切割關(guān)系并沒有普遍形成不良穩(wěn)定特征塊體，但在和隧洞軸線小夾角方向節(jié)理發(fā)育洞段邊墻的破壞非常普遍。當(dāng)相互平行的相鄰2條節(jié)理間距不大時(shí)，巖塊剪斷破壞明顯，說明了高應(yīng)力作用依然突出。因此，在深埋隧洞圍巖應(yīng)力松弛部位，應(yīng)力松弛結(jié)構(gòu)面控制作用突出是導(dǎo)致圍巖破壞的一個(gè)方面，但高應(yīng)力也是不可忽略的因素。

圖4 深埋隧洞脆性巖體破壞準(zhǔn)則

錦屏二級(jí)邊墻上垂直應(yīng)力對(duì)邊墻破壞所起的重要作用，一方面以劈裂方式導(dǎo)致陡傾向節(jié)理的張開變形；另一方面在洞壁缺少圍壓的條件下，垂直應(yīng)力導(dǎo)致節(jié)理發(fā)育部位出現(xiàn)巖塊的剪斷破壞。由此可知，在高垂直應(yīng)力的影響下，松弛機(jī)制占主導(dǎo)地位。

結(jié)合圖2、4可以看出，深埋洞室應(yīng)力集中區(qū)部位對(duì)應(yīng)的片幫破壞屬于圍壓解除、徑向應(yīng)力達(dá)到巖體強(qiáng)度的一種破壞方式，因此只出現(xiàn)在洞壁一帶。從內(nèi)在機(jī)理上，是圍壓 （徑向應(yīng)力）迅速降低、切向應(yīng)力趨于集中，但因?yàn)閲鷰r強(qiáng)度相對(duì)不足無法集中的結(jié)果。片幫破壞的這種應(yīng)力變化機(jī)制與現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象具有良好的吻合關(guān)系，片幫以平行于開挖面的薄片狀出現(xiàn)，反應(yīng)了徑向應(yīng)力強(qiáng)烈條件下的一種壓－拉破壞趨勢(shì)，因此在片幫的傳統(tǒng)剪切破壞認(rèn)識(shí)上，也出現(xiàn)了拉破裂機(jī)制的解釋[4]。

如果圍巖初始應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度之間的矛盾不是很突出 （如中等埋深），隧洞開挖后圖2中A點(diǎn)則可以出現(xiàn)切向應(yīng)力增加，反應(yīng)在圖4中則是增加到屈服破壞的一種應(yīng)力變化路徑。從應(yīng)力變化方式上講，這與巖爆破壞機(jī)理基本相同，主要區(qū)別在于應(yīng)力或能量量級(jí)上。由此可見，從應(yīng)力變化路徑角度看，隧洞圍巖的片幫破壞可以是巖體軟化導(dǎo)致的應(yīng)力水平降低，同時(shí)伴隨一定水平的應(yīng)力集中，但共同的特點(diǎn)都是能量水平不高，因此并不能等同于巖爆。后一種方式的片幫破壞更加強(qiáng)烈時(shí)，可以視為應(yīng)變型巖爆。

圖2中B點(diǎn)的應(yīng)力變化路徑滿足圖4中的潛在巖爆破壞條件，表達(dá)了一種能量積累導(dǎo)致圍壓發(fā)生屈服破壞的力學(xué)過程，可以理解為巖爆孕育過程。其典型力學(xué)行為包括以下幾個(gè)關(guān)鍵因素:①最大主應(yīng)力增加；②最小主應(yīng)力維持在一定水平；③圍巖進(jìn)入屈服狀態(tài)。

對(duì)于隧洞圍巖來講，由于洞壁一帶圍壓應(yīng)力水平很低，最小主應(yīng)力維持在一定水平，導(dǎo)致巖爆震源位于洞壁一定深度內(nèi)的圍巖中，主要表現(xiàn)為洞壁圍巖的破壞，但根本原因還是內(nèi)部圍巖中的能量積累導(dǎo)致的圍巖屈服破壞，降低巖體的強(qiáng)度。如果這種強(qiáng)度的降低程度較大且較快，則一般會(huì)伴隨能量釋放沖擊周邊巖體，形成微震現(xiàn)象，這也是巖爆發(fā)生的動(dòng)力。如果應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞時(shí)，由于結(jié)構(gòu)面殘余強(qiáng)度較低，釋放出大量的能量，出現(xiàn)的巖爆就更加強(qiáng)烈，形成斷裂型巖爆。

4 脆性圍巖的“V”形破壞機(jī)理

上世紀(jì)60年代，在深埋地下工程中就已發(fā)現(xiàn)了圍巖脆性破壞 （片幫和巖爆），破壞形態(tài)多呈 “V”形凹坑。此后，一些巖石力學(xué)研究者一直試圖研究這種破壞的機(jī)理和描述方法，巖體強(qiáng)度特征的粘結(jié)軟化和摩擦硬化模型 （CWFS模型）就是在這種條件下提出的[5]，可以被用來描述低圍壓條件脆性巖體的高應(yīng)力破壞 （圖4中的片幫區(qū)）。Hajiabdolmajid[6]在此基礎(chǔ)上開展了相關(guān)的數(shù)值模擬，在比較其他傳統(tǒng)強(qiáng)度模型后認(rèn)為，只有該模型能正確描述脆性巖體的 “V”形破壞。朱煥春等人在進(jìn)行大量高應(yīng)力區(qū)圍巖破壞特征的數(shù)值模擬研究后認(rèn)為，CWFS模型的主要貢獻(xiàn)可能是理論認(rèn)識(shí)上的，還缺乏實(shí)際應(yīng)用。就再現(xiàn)圍巖 “V”形破壞形態(tài)的能力而言，CWFS模型不是惟一的，傳統(tǒng)的應(yīng)變軟化模型也可以實(shí)現(xiàn)，并在巖體強(qiáng)度取值環(huán)節(jié)上更符合傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)[7]，因此具有更好的工程適用性。

圖5是在FLAC中采用傳統(tǒng)應(yīng)變軟化本構(gòu)關(guān)系獲得的隧洞 “V”形破壞區(qū)域和對(duì)應(yīng)該區(qū)域一帶的圍巖應(yīng)力分布。這種局部 “V”形破壞區(qū)域的圍巖應(yīng)力分布有別于對(duì)洞周圍巖應(yīng)力分布的一般認(rèn)識(shí)，揭示了局部范圍內(nèi)巖體屈服和應(yīng)力變化之間的相互關(guān)系，即屈服改變巖體應(yīng)力分布，重分布應(yīng)力又反過來改變屈服區(qū)的形態(tài)特征，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡，形成 “V”形的屈服區(qū)域。因此，脆性圍巖“V”形破壞的力學(xué)本質(zhì)是圍巖局部破壞和局部應(yīng)力變化的結(jié)果。

圖5 “V”形破壞與局部應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

圖5的結(jié)果在現(xiàn)場(chǎng)中的具體表現(xiàn)就是深埋隧洞圍巖出現(xiàn)局部的高應(yīng)力破壞現(xiàn)象，這是深埋脆性巖體一種自然的力學(xué)行為，并不一定代表巖體基本條件出現(xiàn)了局部變化。因此，把握圍巖最基本的力學(xué)特征，是宏觀判斷圍巖潛在高應(yīng)力破壞的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合錦屏二級(jí)深埋引水隧洞開挖實(shí)踐，深入探討了隧洞開挖后脆性圍巖的應(yīng)力變化和應(yīng)力分布特征，揭示了高應(yīng)力對(duì)圍巖損傷破壞特征的作用方式和影響程度，主要認(rèn)識(shí)如下:

（1）淺埋條件下隧洞開挖后圍巖應(yīng)力變化的認(rèn)識(shí)不能完全套用于深埋條件。根據(jù)傳統(tǒng)巖體強(qiáng)度理論，在隧洞開挖后的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，洞壁一帶巖體的強(qiáng)度可能低于巖體初始應(yīng)力水平而不具備產(chǎn)生切向應(yīng)力集中的條件，因此出現(xiàn)連續(xù)的應(yīng)力降低過程。這種應(yīng)力降低是巖體非線性行為引起的，是巖體在低圍壓下的屈服破壞和發(fā)生應(yīng)變軟化作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的巖體強(qiáng)度描述方法因考察問題的尺度不同而不能完全反應(yīng)局部巖體的真實(shí)強(qiáng)度。

（2）深埋隧洞圍巖的應(yīng)力降低 （松弛）可以有2種不同的成因，即屈服后應(yīng)變軟化導(dǎo)致的降低和開挖卸荷應(yīng)力松弛導(dǎo)致的降低。因此，相似的應(yīng)變變化路徑可以代表不同的巖石力學(xué)意義和圍巖破壞特征。利用數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果解釋圍巖破壞性質(zhì)時(shí)，不但要考察屈服狀態(tài)，還要考察經(jīng)歷的應(yīng)力路徑和屈服條件。

（3）“V”形破壞是高應(yīng)力條件下脆性巖體的一種自然表現(xiàn)方式，與圍巖應(yīng)力集中區(qū)巖體破裂發(fā)展與應(yīng)力變化之間的相互作用密切相關(guān)。因此，數(shù)值再現(xiàn)這一現(xiàn)象的關(guān)鍵之一就是以小尺度考察問題。CWFS模型的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在理論上，還沒有足夠的工程實(shí)例逐一驗(yàn)證。傳統(tǒng)的應(yīng)變軟化模型也可以描述脆性圍巖的 “V”形破壞現(xiàn)象。

［1］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

［2］張春生，侯靖，朱永生，等.深埋隧洞圍巖應(yīng)力分布與破壞機(jī)理[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（3）:7-13.

［3］KAISER P K,DIEDERICHS M S,EBERHARDT E.Damage initiation and propagation in hard rock during tunnelling and the influence of near-face stress rotation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41（5）:785-812.

［4］CAI M,KAISER P K,TASAKA Y.Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（5）: 833-847.

［5］MARTIN C D.Seventeenth Canadian Geotechnical Colloquium:The effect of cohesion loss and stress path on brittle rock strength[J].Canadian Geotech Journal，1997，34（4）: 698-725.

［6］HAJIABDOLMAJID V,KAISER P K,MARTIN C D.Modelling brittle failure of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2002，39（6）: 737-741.

［7］朱煥春,李浩，O’CONNER C.脆性巖體的高應(yīng)力破壞與數(shù)值模擬[C]//中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)編.第九屆全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集，北京:科學(xué)出版社，2006:260-266.