隧道开挖的围岩损伤扰动带分析
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
S ( P，X，t ) = U ( P，X，t ) U ( P，X，∞)
σh
(3)
同样，对原始渗流场，隧道开挖改变了原渗流 场的渗流路径及渗透率，使原始渗流场受到扰动并 改变了初始渗流场的分布。开挖后隧道围岩水力梯
图1 隧道开挖引起的围岩损伤扰动带示意图 Fig.1 Conceptual model of the excavation-disturbed zone
ζ =
(10)
式中： N 为单位体积中的裂隙数，A 为裂隙面积，
P 为裂隙周边长，< >表示平均值。以声波速度表示
的裂隙密度的函数式
Budiausky 等(1974 ，1976 年)利用自洽方法 (selfconsistent method)和与裂隙有关的应变能理论，探
讨了含有裂隙岩石的有效模量和完整岩石的固有弹 性模量之间的关系，最终引出模量与裂隙密度的关 系。但裂隙密度是一个难以测量和估算的量。大量 的研究结果表明，岩体的波速与裂隙密度、岩体力 学性质有密切的关系。而且在工程实践中，各种弹 性波速测试技术应用相当广泛和成熟[9
，10]
ζ =
其中，
9A [2(VP / VS ) 2 − 2] B
(11)
A = [1 − (VS / VS ) 2 ][3(VP / VS ) 2 − 4][5(VP / VS ) 2 − 8] −
4[(VP / VS ) 2 − (V / VS ) 2 ]
B = 32(VP / VS ) 2 [3(VP / VS ) 2 − 4][3(VP / VS ) 2 − 4]
1
引
言
决于多方面的因素，如开挖方法、岩体力学特性、 初始地应力场、裂隙分布等。围岩损伤扰动带是 指隧道开挖后，岩体力学特性及水力特性等发生明
在隧道开挖过程中由于围岩应力重分布通常会
收稿日期：2003–12–24；修回日期：2004–02–16
基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412707)；广东省岩土工程重点学科资助课题 作者简介：吉小明(1965–)，男，博士，1989 年毕业于山东矿业学院采矿工程专业，现任副教授，主要从事隧道与地下工程方面的教学与研究工作。 E-mail：xmji2001@sohu.com。
[5] [1～4]
2
隧道开挖的扰动应力场、渗流场
隧道开挖将导致地层的地应力场、渗流场重分
布。开挖使原始地应力受到扰动并改变了地应力场 的分布。即开挖后隧道围岩应力 σ s 等于原始地应力
σ 0 加上开挖引起的调整应力 σ b ，即
{σ s } = {σ 0 } + {σ b }
应力变量扰动损伤系数：
。总的来说，对隧
(1)
道开挖引起的二次应力场变化规律已做了较多的研 究 ，取得了较多共识；而由于水文地质条件的复 杂性，对隧道开挖引起的渗流场变化规律研究则较 少。本文将分别研究隧道开挖引起的围岩力学特 性、渗流特性两方面的变化规律，为进一步研究隧 道开挖的水力耦合特性合理的数值计算模型建立方 法提供基础。
图2 Fig.2
隧道开挖引起的围岩特性的改变过程
Process of the change of rock properties related to excavation disturbance
第 24 卷
第 10 期
吉小明. 隧道开挖的围岩损伤扰动带分析
• 1699 •
起来的较能客观反映岩石爆破物理过程的一种理论 模型[6]。 损伤是指材料内部物理作用所产生的材料细观 结构变化，引起的微缺陷成核、扩展、汇合，致使 材料宏观力学性能的劣化、形成宏观开裂或破坏。 与断裂力学相比， 损伤力学更关注缺陷的群体效应， 因而在表征岩石爆破效果方面更接近于实际[7]。 岩石爆破损伤模型在 20 世纪 80 年代初由美国
摘要：在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上，提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征 及表征方法。在现场实测基础上，利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果 表明：开挖损伤主要决定于隧道开挖方法；隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合 理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。 关键词：隧道工程；开挖损伤扰动带；开挖方法；渗透 中图分类号：U 456 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)10–1697–06
σv
为表示应力扰动程度，令 b = σ 0 − σ s ，可引入
bij
α ij =
σ 0ij
(这里不对 i ， j 求和)
(2)
α ij ( i，j = 1，2，3)即为反映原岩应力大小、方
向变化的综合指标。 开挖后，由于围岩应力的调整，围岩必然产生 位移。设开挖面影响范围内的一点 P 在开挖后沿某 一方向 X 的位移为 U(P，X，t)，围岩某点的最终位 移在围岩自承作用或与支护结构共同作用下为 U(P，X， ∞ )，于是对应于某点 P 的位移释放率定 义为
第 24 卷 第 10 期 2005 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.10 May，2005
隧道开挖的围岩损伤扰动带分析
吉小明 1
，2
(1. 广东工业大学(五山校区) 建设学院，广东 广州 510643；2. 中国矿业大学(北京校区) 岩石力学与分形研究所，北京 100083)
2 N A2 < > π P
Sandia 国家实验室开始研究，是针对油页岩开采爆
破研究需要提出的数值计算模型。岩石爆破损伤模 型主要由裂纹密度、损伤演化规律以及有效模量表 达的应力–应变关系 3 部分组成[8]。 由以上分析可知，隧道在采用钻爆法施工后， 由于爆破效应在隧道周边产生一断裂损伤带。如何 量测开挖前后围岩的裂隙分布及反映开挖前后围岩力 学特性的变化是一项非常重要的工作。O. Connell，
隧道开挖
度 J s 等于原始水力梯度 J 0 加上开挖引起的调整水 力梯度 J b ，即
{J s } = {J 0 } + {J b }
可引入变量扰动系数：
(4)
为表示渗流场分布改变程度，令 c = J 0 − J s ，
cij (这里不对 i，j 求和) J 0ij
开挖损伤断裂
应力重分布
渗流ຫໍສະໝຸດ Baidu改变
• 1698 •
岩石力学与工程学报
2005 年
显变化的围岩，如应力重分布、裂隙 ( 节理 ) 重分 布及水力隙宽的变化。声波波速、水力传导系数 等岩体特性也将由于围岩损伤扰动而发生改变。由 开挖引起的断裂损伤将在围岩周边形成连通的高 渗透的水力通道。隧道围岩损伤扰动的特征对隧 道的设计与施工、围岩稳定性分析有重要影响 ( 见 图 2)。为了解和预测围岩损伤扰动带的范围、特 征，前人已做了大量的工作
16 1 − µ 2 K =1− ζ 9 K 1 − 2µ
E 16 = 1 − (1 + µ )(5 − 4 µ )ζ E 45
(7) (8) (9)
G 8 = 1 − (10 − 7 µ )ζ G 45
式中：E， G ， µ 分别为固有弹性模量、固有剪切 模量和固有泊松比；E ，G ，µ 分别为有效弹模量、 有效剪切模量和有效泊松比； ζ 为裂隙密度，是一 体积分数的标量，它的定义为
Abstract：The damage of tunnel surrounding rock masses usually results from the redistribution of stress in disturbed rock mass in tunnel excavation process. The excavation-disturbed zone (EDZ) is defined as the rock zone where the rock properties and conditions，such as fracture，stress and hydraulic aperture，have been changed due to the processes induced by excavation. EDZ is considered to be physically less stable and can form a continuous and highly permeable pathway of groundwater flow. The characterization of EDZ will affect tunnel support structure design ， tunnel construction and tunnel surrounding rock mass stability analysis. Seismic survey techniques can be used to examine the nature of EDZ around the tunnel. Based on the concept of EDZ and the primary factors that lead to the change of rock properties，a methodology is proposed to depict mechanical and hydraulic behavior of EDZ. By using the in-situ data，deformability and hydraulic properties are studied by numerical analysis. The results show that the excavation damage depends on the excavation method. In addition， the influence boundary of the excavation-disturbed stress zone is smaller than that of the seepage. Therefore，the seepage boundary condition should be emphasized in establishing the coupled fluid-solid numerical models. The results will make the establishment of coupled fluid-solid model more reasonable. Key words：tunneling engineering；excavation-disturbed zone；excavation method；seepage 引起隧道周边围岩的损伤(如图 1)，其损伤程度取
。因而建
在弹性介质中，声波波速与模量之间的关系式 为
STUDY ON MECHANICAL AND HYDRAULIC BEHAVIOR OF TUNNEL SURROUNDING ROCK MASSES IN EXCAVATION-DISTURBED ZONE
JI Xiao-ming1
，2
(1. Faculty of Construction，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510643；China； 2. Institute of Rock Mechanics and Fractals，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)
β ij =
(5)
β ij 即为反映原始地层水力梯度大小、 方向变化
裂隙分布及隙宽改变
的综合指标。
化学地质特性改变
岩体力学特性改变
水文地质特性改变
3 损伤扰动带的力学损伤测量及表征
目前，在山岭中隧道的开挖方式主要有钻爆法
隧道围岩稳定性分析
和掘进机法。这两种开挖方法对隧道围岩的损伤很 不同。在采用钻爆法施工时，提高爆破质量及有效 地保护隧道围岩稳定性是一个十分重要的问题。国 内外有关研究表明，岩石爆破损伤模型是新近发展
σh
(3)
同样，对原始渗流场，隧道开挖改变了原渗流 场的渗流路径及渗透率，使原始渗流场受到扰动并 改变了初始渗流场的分布。开挖后隧道围岩水力梯
图1 隧道开挖引起的围岩损伤扰动带示意图 Fig.1 Conceptual model of the excavation-disturbed zone
ζ =
(10)
式中： N 为单位体积中的裂隙数，A 为裂隙面积，
P 为裂隙周边长，< >表示平均值。以声波速度表示
的裂隙密度的函数式
Budiausky 等(1974 ，1976 年)利用自洽方法 (selfconsistent method)和与裂隙有关的应变能理论，探
讨了含有裂隙岩石的有效模量和完整岩石的固有弹 性模量之间的关系，最终引出模量与裂隙密度的关 系。但裂隙密度是一个难以测量和估算的量。大量 的研究结果表明，岩体的波速与裂隙密度、岩体力 学性质有密切的关系。而且在工程实践中，各种弹 性波速测试技术应用相当广泛和成熟[9
，10]
ζ =
其中，
9A [2(VP / VS ) 2 − 2] B
(11)
A = [1 − (VS / VS ) 2 ][3(VP / VS ) 2 − 4][5(VP / VS ) 2 − 8] −
4[(VP / VS ) 2 − (V / VS ) 2 ]
B = 32(VP / VS ) 2 [3(VP / VS ) 2 − 4][3(VP / VS ) 2 − 4]
1
引
言
决于多方面的因素，如开挖方法、岩体力学特性、 初始地应力场、裂隙分布等。围岩损伤扰动带是 指隧道开挖后，岩体力学特性及水力特性等发生明
在隧道开挖过程中由于围岩应力重分布通常会
收稿日期：2003–12–24；修回日期：2004–02–16
基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412707)；广东省岩土工程重点学科资助课题 作者简介：吉小明(1965–)，男，博士，1989 年毕业于山东矿业学院采矿工程专业，现任副教授，主要从事隧道与地下工程方面的教学与研究工作。 E-mail：xmji2001@sohu.com。
[5] [1～4]
2
隧道开挖的扰动应力场、渗流场
隧道开挖将导致地层的地应力场、渗流场重分
布。开挖使原始地应力受到扰动并改变了地应力场 的分布。即开挖后隧道围岩应力 σ s 等于原始地应力
σ 0 加上开挖引起的调整应力 σ b ，即
{σ s } = {σ 0 } + {σ b }
应力变量扰动损伤系数：
。总的来说，对隧
(1)
道开挖引起的二次应力场变化规律已做了较多的研 究 ，取得了较多共识；而由于水文地质条件的复 杂性，对隧道开挖引起的渗流场变化规律研究则较 少。本文将分别研究隧道开挖引起的围岩力学特 性、渗流特性两方面的变化规律，为进一步研究隧 道开挖的水力耦合特性合理的数值计算模型建立方 法提供基础。
图2 Fig.2
隧道开挖引起的围岩特性的改变过程
Process of the change of rock properties related to excavation disturbance
第 24 卷
第 10 期
吉小明. 隧道开挖的围岩损伤扰动带分析
• 1699 •
起来的较能客观反映岩石爆破物理过程的一种理论 模型[6]。 损伤是指材料内部物理作用所产生的材料细观 结构变化，引起的微缺陷成核、扩展、汇合，致使 材料宏观力学性能的劣化、形成宏观开裂或破坏。 与断裂力学相比， 损伤力学更关注缺陷的群体效应， 因而在表征岩石爆破效果方面更接近于实际[7]。 岩石爆破损伤模型在 20 世纪 80 年代初由美国
摘要：在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上，提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征 及表征方法。在现场实测基础上，利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果 表明：开挖损伤主要决定于隧道开挖方法；隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合 理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。 关键词：隧道工程；开挖损伤扰动带；开挖方法；渗透 中图分类号：U 456 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)10–1697–06
σv
为表示应力扰动程度，令 b = σ 0 − σ s ，可引入
bij
α ij =
σ 0ij
(这里不对 i ， j 求和)
(2)
α ij ( i，j = 1，2，3)即为反映原岩应力大小、方
向变化的综合指标。 开挖后，由于围岩应力的调整，围岩必然产生 位移。设开挖面影响范围内的一点 P 在开挖后沿某 一方向 X 的位移为 U(P，X，t)，围岩某点的最终位 移在围岩自承作用或与支护结构共同作用下为 U(P，X， ∞ )，于是对应于某点 P 的位移释放率定 义为
第 24 卷 第 10 期 2005 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 No.10 May，2005
隧道开挖的围岩损伤扰动带分析
吉小明 1
，2
(1. 广东工业大学(五山校区) 建设学院，广东 广州 510643；2. 中国矿业大学(北京校区) 岩石力学与分形研究所，北京 100083)
2 N A2 < > π P
Sandia 国家实验室开始研究，是针对油页岩开采爆
破研究需要提出的数值计算模型。岩石爆破损伤模 型主要由裂纹密度、损伤演化规律以及有效模量表 达的应力–应变关系 3 部分组成[8]。 由以上分析可知，隧道在采用钻爆法施工后， 由于爆破效应在隧道周边产生一断裂损伤带。如何 量测开挖前后围岩的裂隙分布及反映开挖前后围岩力 学特性的变化是一项非常重要的工作。O. Connell，
隧道开挖
度 J s 等于原始水力梯度 J 0 加上开挖引起的调整水 力梯度 J b ，即
{J s } = {J 0 } + {J b }
可引入变量扰动系数：
(4)
为表示渗流场分布改变程度，令 c = J 0 − J s ，
cij (这里不对 i，j 求和) J 0ij
开挖损伤断裂
应力重分布
渗流ຫໍສະໝຸດ Baidu改变
• 1698 •
岩石力学与工程学报
2005 年
显变化的围岩，如应力重分布、裂隙 ( 节理 ) 重分 布及水力隙宽的变化。声波波速、水力传导系数 等岩体特性也将由于围岩损伤扰动而发生改变。由 开挖引起的断裂损伤将在围岩周边形成连通的高 渗透的水力通道。隧道围岩损伤扰动的特征对隧 道的设计与施工、围岩稳定性分析有重要影响 ( 见 图 2)。为了解和预测围岩损伤扰动带的范围、特 征，前人已做了大量的工作
16 1 − µ 2 K =1− ζ 9 K 1 − 2µ
E 16 = 1 − (1 + µ )(5 − 4 µ )ζ E 45
(7) (8) (9)
G 8 = 1 − (10 − 7 µ )ζ G 45
式中：E， G ， µ 分别为固有弹性模量、固有剪切 模量和固有泊松比；E ，G ，µ 分别为有效弹模量、 有效剪切模量和有效泊松比； ζ 为裂隙密度，是一 体积分数的标量，它的定义为
Abstract：The damage of tunnel surrounding rock masses usually results from the redistribution of stress in disturbed rock mass in tunnel excavation process. The excavation-disturbed zone (EDZ) is defined as the rock zone where the rock properties and conditions，such as fracture，stress and hydraulic aperture，have been changed due to the processes induced by excavation. EDZ is considered to be physically less stable and can form a continuous and highly permeable pathway of groundwater flow. The characterization of EDZ will affect tunnel support structure design ， tunnel construction and tunnel surrounding rock mass stability analysis. Seismic survey techniques can be used to examine the nature of EDZ around the tunnel. Based on the concept of EDZ and the primary factors that lead to the change of rock properties，a methodology is proposed to depict mechanical and hydraulic behavior of EDZ. By using the in-situ data，deformability and hydraulic properties are studied by numerical analysis. The results show that the excavation damage depends on the excavation method. In addition， the influence boundary of the excavation-disturbed stress zone is smaller than that of the seepage. Therefore，the seepage boundary condition should be emphasized in establishing the coupled fluid-solid numerical models. The results will make the establishment of coupled fluid-solid model more reasonable. Key words：tunneling engineering；excavation-disturbed zone；excavation method；seepage 引起隧道周边围岩的损伤(如图 1)，其损伤程度取
。因而建
在弹性介质中，声波波速与模量之间的关系式 为
STUDY ON MECHANICAL AND HYDRAULIC BEHAVIOR OF TUNNEL SURROUNDING ROCK MASSES IN EXCAVATION-DISTURBED ZONE
JI Xiao-ming1
，2
(1. Faculty of Construction，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510643；China； 2. Institute of Rock Mechanics and Fractals，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)
β ij =
(5)
β ij 即为反映原始地层水力梯度大小、 方向变化
裂隙分布及隙宽改变
的综合指标。
化学地质特性改变
岩体力学特性改变
水文地质特性改变
3 损伤扰动带的力学损伤测量及表征
目前，在山岭中隧道的开挖方式主要有钻爆法
隧道围岩稳定性分析
和掘进机法。这两种开挖方法对隧道围岩的损伤很 不同。在采用钻爆法施工时，提高爆破质量及有效 地保护隧道围岩稳定性是一个十分重要的问题。国 内外有关研究表明，岩石爆破损伤模型是新近发展