跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析_乔亚飞.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析乔亚飞1，肖颖鸣1，丁文其1，何满潮1，2，樊勇3（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）摘要:跨断层隧道围岩性质会发生突变，给隧道施工扰动分析和安全预测带来了挑战。准确识别跨断层隧道在不同围岩条件下施工诱发的应力路径并开展基于应力路径的扰动分析，具有重要的科学价值和工程实践意义。因此，构建了基于围岩应力路径的隧道开挖扰动分析方法，通过三维数值分析识别了跨断层隧道施工诱发的典型应力路径并进行了扰动分析，总结了跨断层隧道施工扰动时空规律。结合围岩的强度准则和应力路径，用扰动系数描述扰动后围岩应力状态接近破坏的程度。随着扰动系数的增大，围岩应力状态逐渐接近破坏准则，当扰动系数等于 1时，围岩发生破坏。跨断层隧道在上下盘围岩区的扰动系数始终小于 1，处于弹性状态；而断层破碎区因围岩性质差，其开挖扰动系数达到 1，进入塑性和破坏状态。离洞壁越远，施工扰动越小，扰动系数亦越小。支护后，断层破碎区和上下盘硬岩区的扰动系数均出现减小趋势，围岩趋于稳定，表明了支护的有效性。关键词:断层；隧道；施工扰动；应力路径；数值模拟中图分类号:TU443；X947 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01005010Identification of Stress Path and Analysis of Disturbance Induced by Construction of Tunnel across FaultQIAO Yafei1，XIAO Yingming1，DING Wenqi1，HE Manchao1,2，FAN Yong3(1.Department of Geotechnical Engineering,College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China；2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China；3.Yunnan Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Kunming 650021,China)Abstract:The mechanical properties of rock changes abruptly at the fault，which poses challenges for the analysis of construction disturbance and safety prediction of tunnels across faults.It is of great scientific value and practical engineering significance to accurately identify the stress path induced by the construction of a tunnel across faults under different surrounding rock conditions and performing disturbance analysis based on the stress path.Therefore，this paper proposes a new analysis method of disturbance induced by the tunnel construction based on the stress path and identifies the typical stress path induced by the construction of a tunnel across a fault through three-dimensional numerical analysis.The disturbance analysis is finally performed and the results are summarized in terms of the time-DOI：10.13409/ki.jdpme.20210526003收稿日期：2021-05-26；修回日期：2021-10-08基金项目：国家自然科学基金(42007255,52090083)、滇中引水工程关键技术研究(2020)资助作者简介：乔亚飞(1990)，男，副教授，博士。主要从事隧道及地下工程方面的科研工作。E-mail:通讯作者：丁文其(1969)，男，教授，博士。主要从事隧道及地下工程方面的科研与教学工作。E-mail：50space law of construction disturbance.By combining the strength criterion and stress path，the disturbance coefficient（DC）is defined to describe the relative distance between the stress state and the strength line.As DC increases，the stress state approaches the strength line.When DC=1，the rock reaches the failure state.For tunnels across faults，DC in the footwall or hanging wall is always less than 1，indicating its elastic state，while DC in the fault equals 1 after excavation due to its poor mechanical properties.DC deceases with the increase of distance to the cave.After the construction of lining，DC in both fault zone and footwall/hanging wall zone decrease，and the surrounding rock become more stable，demonstrating the effectiveness of the lining.Keywords:fault；tunnel；construction disturbance；stress path；numerical simulation0引言随着“一带一路”的推进和“西部大开发”战略的实施，我国西南地区的跨断层隧道工程日益增多，如在建的川藏铁路、滇中引水工程等。因断层破碎带地质条件复杂多变，这些隧道在建设过程中时常出现大变形、塌方等灾害1。上述灾害的发生是围岩应力状态随开挖过程不断演变，并达到破坏的结果。为了揭示大变形或塌方等灾害的发生机制和规律，众多学者24开展了隧道围岩的开挖扰动分析，并取得有益结论。另一方面，清晰地认识不同施工阶段围岩应力发展规律对施工步序优化以及支护措施选择也具有重要意义。隧道开挖改变了围岩的原有应力状态，对围岩产生了加卸载，使其产生变形甚至破坏5。有关围岩开挖扰动的既有分析方法主要有静态分析与动态分析两种。静态分析主要针对开挖后洞室围岩的应力和稳定性进行分析，而动态分析则强调不同施工步中围岩应力的演变趋势和规律。静态分析方法6多将隧道开挖问题简化为平面应变问题，采用弹塑性力学基本理论，进行解析求解或者数值求解，得到隧道开挖完成后围岩应力状态的空间分布；然后，结合围岩的强度理论，判断隧道周边围岩的 扰 动 状 态。基 于 径 向 围 岩 应 力 的 分 布 规 律，F.Huang 等7将围岩划分为应力松动区、应力承载区，其中应力松弛区是指切向应力增量及径向应力增量均小于 0 的区域，而应力承载区是切向应力增量大于 0，径向应力增量小于 0 的区域；周建等8认为切向应力沿径向由增大趋势变为减小趋势的转折点可以作为塑性圈的临界位置，而任明洋等9则将其作为压力拱的边界点。静态分析虽可以很好地得到隧道成形后的围岩应力分布，并可为支护措施优化等提供依据，但它不能考虑隧道施工过程的影响，不能预判施工过程中的潜在风险点，与围岩的动态化设计理念不相匹配。动态分析则强调隧道施工过程的影响，研究围岩应力随施工过程的变化，分析围岩应力状态的时空演变规律，进而为支护时机的选择和支护措施的优化提供支撑。一些学者1011通过引入应力释放的概念，研究了围岩应力随开挖核心工况过程的变化，得到了围岩应力和隧道变形随开挖过程的演变规律，但该方法的关键在于建立应力释放系数随开挖工况的关系，而这一问题尚没有得到很好的解决。因此，很多学者1213借助数值分析，通过建立考虑施工全过程的数值模型研究了隧道围岩应力状态随施工过程的变化规律。同时，基于现场监测数据也可以进行围岩应力的动态分析，如分析典型施工工序对某一处围岩应力状态的扰动趋势1416或在某一施工步下围岩应力的发展过程及速度等17。上述动态分析方法虽然分析了围岩应力随开挖工况的变化趋势，但多仅针对某一工况的围岩状态进行了扰动分析，不能够动态反应围岩扰动状态的变化，且对应力路径的关注较少。实际上，在跨断层隧道工程扰动分析中，施工扰动与围岩性质和应力路径密切相关，应采用考虑应力路径的岩体力学开展相关扰动分析18。室内试验也表明岩石的破坏过程与应力状态类型和应力路径有关1921。但隧道开挖诱发的围岩应力路径远比室内试验的应力路径复杂22，要借助多种手段进一步研究揭示。因此，分析总结隧道施工过程中围岩的应力路径有助于更真实、更清晰地反应隧道施工的扰动效应，以有效支撑支护结构的优化和支护时机的选择，这对面临岩性突变问题的跨断层隧道尤为重要。综上所述，本文旨在识别跨断层隧道施工诱发的典型应力路径，并基于应力路径分析实现围岩扰51动的动态分析，为跨断层隧道的动态设计和施工提供理论和方法支撑。首先，本文构建了基于应力路径分析的扰动评估方法，介绍了其基本要素和分析过程；然后，基于跨断层隧道施工全过程的三维数值分析，揭示了断层破碎区及上下盘围岩区隧道开挖诱发的典型应力路径，并进行了施工扰动评估。1 基 于 应 力 路 径 分 析 的 围 岩 扰 动评估方法基于围岩应力路径分析的扰动评估方法主要由三个要素构成，分别为应力空间的建立、围岩强度准则的选择和扰动系数的计算。1.1 应力空间围岩应力是一个张量，某一时刻的应力（1，2，3）可以表示为三维应力空间中的一点，故三维应力空间可以真实地表征围岩的应力状态。但考虑既有围岩强度准则多不考虑中间主应力的影响，本文用（1，3）平面空间来描述围岩的应力状态（图 1），忽略中间主应力的影响。（1，3）空间中的每一点均代表围岩的某一特定应力状态，如 o 点表示其最大主应力是 o1，最小主应力是 o3。1.2 围岩强度准则围岩是一种典型的弹塑性介质，在达到峰值强度之前，一般经历压密阶段、弹性阶段、起裂阶段等；随着应力逐渐接近峰值强度，围岩将发生损伤，并不断积累；达到峰值强度后，围岩的承载能力将快速下降