開挖卸荷作用對洞室圍巖穩定性的影響研究

樊姝芳 （韶關市礦產資源與地質環境監測中心，廣東 韶關 512026）

隨著國民經濟的快速發展和城市化進程的日益加快，城市地下空間的開發利用越來越多的受到重視。經人工開鑿形成的地下建筑統稱為洞室，開挖空間周圍應力狀態發生改變的那部分巖體稱為圍巖。圍巖是一種復雜介質體，其穩定性受多種因素的影響[1-4]，開挖卸荷作用是導致圍巖變形和質量劣化的重要因素之一。從本質上來說巖體是非連續介質，是歷經各種作用后的損傷巖體。巖體中的應力是殘余應力在洞室開挖后的重新分布，巖體開挖的力學狀態為卸荷。卸荷巖體力學是研究自然界及巖體工程中卸荷巖體在力及其他因素作用下巖體的卸荷力學性質及其工程應用的科學[5]。張倬元等[6]指出，卸荷作用將引起卸荷面附近巖體內部的應力重分布造成局部應力集中效應。由于巖體內結構面本身分布的不規則，開挖卸荷后結構面的角度、厚度、延展長度等均不一致，尤其是結構面的擴展和連通率的增大促使巖體各向異性增大[7]，在一定程度上劣化了巖體質量，對圍巖的穩定性有很大影響。李建林[5]等系統地研究了卸荷巖體力學的基本內容，構筑了卸荷巖體力學的基本研究框架，為研究開挖卸荷效應提供了理論基礎。

1 開挖前后圍巖的應力狀態

巖石的變形性質按卸載后變形是否可以恢復分為彈性和塑性兩類。一般來說，巖石在變形的初始階段呈彈性到后期呈塑性，故巖石的變形一般為彈塑性。卸荷巖體的力學特性包括變形特性和強度特性，通常我們通過本構關系表征卸荷巖體的變形特性，破壞準則體現其強度特性。

開挖前，巖體中每個點都受天然應力的作用處于相對平衡狀態，表面為水平的半無限體，巖體容重為γ，在深度H 處，巖體的垂直應力為：σv=γH；水平應力為：σH=λσv。式中：λ 為巖體的側壓力系數，僅與μ 有關，一般取0.25～0.4。

開挖后，在不考慮支護作用的情況下，巖體的應力重分布為：

式中：α=a/r；a為開挖洞室的半徑；r,θ 為圍巖內任意點的極坐標；σr為初始地應力。

圍巖的應力狀態為：當洞室周邊切向應力σθ滿足，認為圍巖處于塑性狀態；滿足，此時圍巖中出現拉應力可能發生破壞。

2 圍巖破壞的屈服準則及邊界條件

隨著巖石力學的發展，國內外學者提出了不同的巖石材料屈服準則，如M-C準則、D-P準則、Griffith準則、Hoek-Brown準則等。其中M-C準則可以很好地反映巖土材料的強度特性，并且其線性特征使解析計算的推導過程和公式更為簡潔，因此被廣泛應用。以Mohr-Coulomb準則為圍巖破壞的屈服條件，即：f=σθ-ξσr=σco

根據強度準則，將上述公式等效到圍巖應力重分布后的塑性區內，應力狀態為：

在洞室開挖這個卸荷破壞的過程中巖體的變形和強度都明顯弱化，圍巖在一定范圍內卸荷松馳甚至出現松動圈使得巖體強度降低造成圍巖屈服或破壞。一般的彈塑性數值分析中巖體參數在計算過程中都為一恒量，而實際上這些參數是隨著圍巖應力的重分布不斷變化的，上述準則在一般情況下并不適用于卸荷巖體。為此哈秋舲、李建林、周小平[8、9]等學者提出了卸荷巖體力學及卸荷巖體本構理論,得出巖體卸荷強度理論為：（σ1-σ3）2=s（σ1+σ3）+t（式中：s=m/c，t=2md/c2，參數s、t、β 可通過實驗確定）。

3 工程實例

3.1 工程概況

某地下導流泄洪隧洞進口位于洮河右岸基巖山體上，基巖巖性為前震旦系馬啣山群石英片巖夾白云質大理巖，隧洞進口方向NW325。隧洞全長765.0m，隧洞進口自然邊坡35°～45°，強風化層厚約3.0m～4.0m，弱風化層厚約40.0m～50.0m，自然邊坡穩定無不良物理地質現象，具有較好的進洞條件。由于風化作用，在施工期間洞口處邊坡可能會發生局部掉塊現象，進口段巖體較破碎、風化較強烈屬Ⅳ類圍巖，需加強支護。根據巖石強度、巖體完整性、引水線路通過的地質環境等因素，對隧洞圍巖進行工程地質分類及分段穩定性評價，其中Ⅲ類圍巖長約615.0m，Ⅳ類圍巖長約150m，巖石力學指標詳見下表。

引水隧洞巖體工程地質分類及力學參數建議值表 表1

圖1 開挖前洞室圍巖位移矢量圖

圖2 開挖前洞室圍巖應力矢量圖

圖3 開挖后硐室圍巖主應力矢量圖

圖4 開挖后硐室圍巖Y方向應力云圖

圖5 開挖后硐室圍巖位移云圖

圖6 開挖后硐室圍巖位移矢量圖

3.2 隧洞開挖卸荷模擬分析

3.2.1 開挖前洞室圍巖的應力應變狀態

據工程實際情況，對隧洞開挖前圍巖的位移和應力進行模擬（圖1，圖2）。由圖知，開挖前（即在天然應力狀態下）在自重應力場的作用下，最大主應力隨深度的增加而增加并在洞周出現應力集中（圖2）；圍巖位移也主要集中在洞口周邊（圖1）；遠離洞室的巖體主要受重力作用，位移不是很明顯。

3.2.2 開挖后洞室圍巖的應力應變狀態

考慮開挖卸荷作用的影響，參考相關資料和文獻[10-13]，應用李建林、哈秋舲、周小平等學者的研究成果[5、8、9]，對開挖后的圍巖應力應變狀態進行模擬，見圖3～圖6。由圖知，在開挖洞室的周邊最大主應力集中較為嚴重（圖3）；靠近隧洞時，應力方向與洞口方向水平，說明圍巖穩定性受主應力變化的影響較大，而遠離隧洞時幾乎只受重力作用且主應力方向為垂直方向。由于初始應力場被破壞，洞頂處應力集中嚴重（圖4），圍巖位移較大（圖5），在隧洞上方出現較大的剪切屈服區域，比開挖前明顯；相對于開挖前，隧洞位移增加區域主要為接近洞口處（圖6）。

4 結 論

開挖引起圍巖應力的重分布，切向應力在臨空洞壁附近發生高度集中使該區域的巖體進入塑性狀態。隨著開挖的進程，圍巖塑性區不斷向深部擴展，即圍巖位移場和應力場的變化與開挖卸荷過程是緊密相關的，且圍巖的應力應變是非線性的不可逆過程。因此，在實際工程中設計圍巖支護加固方案時應考慮開挖卸荷作用的影響，建議采用非線性大變形力學方法制定合理措施確保施工安全。

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[6]張倬元，等.工程地質分析原理[M].北京：中國地質出版社，2009.

[7]哈秋舲,劉國霖.巖石邊坡卸荷巖體工程地質研究[M].北京：中國建工業出版社,1996.

[8]周小平,張永興.卸荷巖體本構理論及其應用[M].北京：科學出版社,2007.

[9]哈秋舲,李建林,張永興，等.節理巖體卸荷非線性巖體力學[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[10]谷兆祺,彭守拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京：清華大學出版社，1994.

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