巖體破碎程度對TBM隧道圍巖位移量的影響★

楊 悅 陳孝國 劉紀峰 付曉強

(1.三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004； 2.黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022； 3.工程材料與結構加固福建省高等學校重點實驗室(三明學院)，福建 三明 365004； 4.三明學院信息工程學院，福建 三明 365004)

0 引言

TBM(Tunnel Boring Machine)全斷面掘進機適用于軟巖和硬巖的隧道掘進方法，掘進、支護、出渣等施工工序并行連續作業。全斷面掘進機是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快、利于環保、綜合效益高等優點，可實現傳統鉆爆法難以實現的復雜地理地貌深埋長隧洞的施工，在中國鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中應用正在迅猛增長[1]。

在破碎巖體力學性質方面已經有一定的研究成果，金豐年等[2,3]利用數值模擬方法針對南京九華山隧道的破碎度研究了圍巖穩定性。鄧國華等[4]對黃土隧道圍巖的結構變化特征進行了詳細分析，得到了一些有意義的結論。孫曉勇[5]對斷層破碎帶中的隧道支護結構背后注漿層對管片受力的影響進行了研究。楊悅等[6-9]利用數值模擬和理論解析的方法研究了深部隧道圍巖變形和支護結構力學性質隨著盾構機開挖進行的演化規律，得出一些重要結論，但是沒有涉及到巖體破碎性的影響。張子新等[10]針對黏性土地層中盾構隧道開挖面支護壓力計算方法進行了探討。關于TBM(盾構)施工隧道的力學性質研究成果諸多[11-13]，但是關于巖體破碎帶的影響的研究內容相對較少，本文擬對此進行研究。

1 巖體破碎度指標

1.1 裂隙度K

巖石的裂隙度K是取樣線方向上單位長度上的節理數。對于一組節理，設有一條長度為l的取樣線，其上有n條節理出現，則裂隙度為：

(1)

沿著該取樣線，節理的平均間距d為:

(2)

若巖體上有n組不同方向的節理，其裂隙度分別為Ka1,Ka2,Kb1,Kb2,…,Kn1,Kn2，取樣線上的節理平均間距為max,mbx,…,mnx為:

(3)

其中，ξa,ξb,…,ξn分別為各組節理與取樣線之間的夾角。

該取樣線上的裂隙度K為各組節理的裂隙度之和，即K=Ka+Kb+…+Kn。

按裂隙度的大小可以將節理分組：壓縮或糜棱化帶(K=100 m-1～1 000 m-1)；非常密集節理(K=10 m-1～100 m-1)；密節理(K=1 m-1～10 m-1)；疏節理(K=0 m-1～1 m-1)。

1.2 切割度

有些節理將巖體完全切割開，有些節理切割一部分，節理在巖體中分離的程度用切割度Xe的大小來衡量。假設平直斷面的面積為A，節理面的面積為a，那么，切割度為:

(4)

若Xe=1，巖體被完全切割開；Xe=0，巖體完整無裂隙；一般情況下，0

(5)

根據巖體的裂隙度和切割度的關系，可以將巖體的破碎程度劃分為不同破碎程度的巖體：似均質性、弱節理化、節理化、強節理化及完全節理化。

2 巖體強度理論

巖石的強度理論是巖石在某一應力或組合應力的作用下，巖石產生的破壞準則，是在大量巖石力學試驗的基礎上，加以歸納、分析、描述建立起來的。由于巖石的成分與成因不同，使巖石的破壞特征會有很多差別。不同的受力狀態也會影響巖石的強度。目前巖石強度理論主要有四種：最大剪應力理論、八面體剪應力強度理論、摩爾—庫侖強度理論和格里菲斯強度理論。本文研究巖體破碎程度的影響，因此，選用格里菲斯強度理論。

格里菲斯(Griffith)準則脆性破壞理論認為：實際的固體在結構構造上既不是絕對均勻的，也不是絕對連續的，其內部包有大量的微裂紋和微孔洞。這種固體在外力作用下，即使作用的平均應力不大，但由于微裂紋微孔洞邊緣上的應力集中，很可能在邊緣局部產生很大的拉應力。當這種拉應力達到或超過抗拉強度時，微裂紋便開始擴展，當許多這樣的微裂紋擴展、聯合時，最后使固體沿某一個或若干個平面或曲面形成宏觀破裂。巖石就是這樣一種包含于大量微裂紋和微孔洞的固體材料，因此，格里菲斯理論為巖石破壞判據提供重要的理論基礎。

3 工程實例分析

3.1 工程地質資料

某TBM施工隧道長2 453 m，最大埋深為280 m，建設過程主要采用TBM施工方法。利用護盾式掘進機，開挖洞徑7.6 m，開挖進尺為1.2 m。巖體風化程度較大，節理較發育。地下水資源豐富，開挖難度較大。結合實際工程地質資料和相關設計規范，取各層巖體的力學性質參數如表1所示。

表1 巖石力學性質參數表

3.2 數值模擬方法

采用FLAC3D有限差分軟件進行隧道開挖的數值模擬計算。由于洞口呈圓形，隧道所穿越的巖層不對稱，因此取整個洞口及一定范圍內的圍巖為研究對象。開挖洞徑7.6 m，根據數值模擬中研究范圍的一般規定，橫向取洞周圍巖的邊界是距洞中心點5倍左右洞徑，取40 m，縱向沿軸線長度也取40 m，即取40 m×40 m×40 m的圍巖，中間是直徑為7.6 m的洞口。對于研究模型上初始荷載取其上覆圍巖的原巖應力，應力邊界條件是上邊界施加實際上覆圍巖自重應力，利用水土合算的辦法計算其自重應力。隧道有一定的坡度，但是此處不考慮傾斜角度，建模時認為隧道是水平方向。按照常規建立三維坐標系，O點為隧洞圓心，水平向右為OX軸正向，隧洞徑向為OY軸正向，豎直向上為OZ軸正向。

圍巖是有一定破碎程度的非連續巖體，具有彈塑性變形性質，采用FLAC3D有限差分軟件中的Solid三維六面體單元模擬均質圍巖，支護體系采用Solid單元模擬，盾構機采用Shell殼單元模擬。開挖過程采用分步開挖，每次開挖進尺為1.2 m。由于重點分析巖體裂隙度的影響，采用格里菲斯(Griffith)強度理論作為巖體的本構模型。先模擬不考慮巖體破碎的情況，再模擬有巖體破碎的實際情況，將二者計算結果進行對比分析。破碎巖體按照均勻化理論處理，將破碎巖體視為均勻連續材料，只是和非破碎巖石的力學參數不同。

根據實際的施工參數進行開挖模擬，從第一個開挖步開始，被開挖的巖體賦予空單元來模擬開挖掉。計算此時圍巖的徑向位移、縱向位移和最大主應力。整個研究范圍需要32個開挖步才能完成，那么將同樣的開挖和計算過程循環31次即可，每次循環的初始應力是上一個開挖步的應力值。第32個開挖步完成以后的圍巖的徑向位移量是需要提取的數據。

3.3 結果分析

完成開挖以后洞周圍巖的最終徑向位移云圖如圖1所示。由圖1可見，圍巖最終徑向位移量的分布形態受巖體破碎的影響較為明顯。相對于完整巖體，當考慮破碎影響時，圍巖中每一點處的最大徑向位移量均有不同程度的增大。

將第1，10,20,30,32等五個開挖步對應的圍巖位移量列入表2，并繪制于圖2。由表2，圖2可見，各種工況下，隨著開挖步的增加圍巖徑向位移量都呈增加趨勢。裂隙度越大，圍巖徑向位移量越大。

表2 開挖支護過程中洞周圍巖的徑向位移 mm

在TBM施工過程中，隨著開挖步的開展，圍巖的徑向位移不斷發展；隨著巖體裂隙度K值的增加，巖體的徑向位移顯著增加；隨著開挖步的增加，破碎巖體的位移量受裂隙度的影響越來越顯著。

4 結語

首先給出了巖體破碎度的兩個指標，即裂隙度和張開度的計算方法。根據巖體四大強度理論的區別，選擇格里菲斯準則作為巖體破壞的判據。借助實際工程案例的地質資料，利用FLAC3D有限差分軟件對TBM施工全過程進行了仿真模擬，得到了不同開挖步對應的圍巖徑向位移分布云圖，將不同破碎程度的圍巖位移進行了詳細對比分析。明確了圍巖的裂隙度對其位移量的影響規律，研究成果將為隧洞設計和施工技術提供理論依據。