基于离散元法的爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏模拟研究

基于离散元法的爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏模拟研究李秀茹;郭恩栋;张文静;蒋越;王祥建

【摘要】为了研究爆破扰动对深部隧道工程的影响,借助颗粒流程序PFC,开展爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏的数值模拟,分析了不同埋深隧道围岩的损伤演化过程和相同埋深隧道围岩颗粒位移与应力随时间的变化规律.研究结果表明:在距离隧道一定高度的顶面施加爆破荷载,随着埋深的增加,围岩损伤程度越严重,损伤集中于隧道的两帮,并逐渐由隧道右侧向顶板发展;隧道的失稳破坏是由爆破荷载和地应力共同造成的,爆破荷载主要使隧道围岩产生裂隙,而在高地应力的持续作用下,可能引起岩块的剥离和弹射;隧道两帮的竖向压应力大于岩体抗压强度是隧道围岩破裂的主要机制.研究成果为深埋隧道支护技术和灾害预报研究提供了依据.

【期刊名称】《灾害学》

【年(卷),期】2019(034)001

【总页数】7页(P87-93)

【关键词】深埋隧道;颗粒流;爆破荷载;损伤演化

【作者】李秀茹;郭恩栋;张文静;蒋越;王祥建

【作者单位】中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;辽宁省地震局,辽宁沈阳110034;中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;辽宁省地震局,辽宁沈阳110034;辽宁省地震局,辽宁沈阳110034;中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江哈尔滨150080

【正文语种】中文

【中图分类】X932;U455

1980年代以来，我国的隧道建设技术取得了重大的突破，建成了一批断面大、埋藏深、距离长的复杂隧道工程，积累了大量的工程建设经验。目前深埋隧道的施工方法主要采用钻爆法，钻爆法施工成本低，技术较为成熟，对不同地质条件适应性强[1]。但爆破过程容易引起开挖区围岩性质的劣化，尤其是在近距离穿越的隧道工程中，新建隧道的爆破荷载往往会对既有隧道结构造成影响，导致工程结构的失稳破坏[2]。

目前，对于深埋隧道工程的失稳破坏研究主要考虑了岩体自身软弱结构面和高地应力、高温作用。赵景彭[3]研究了裂隙产状对深埋隧道稳定性的影响。张志强等[4]将节理岩体隧道的扰动区分为剪切滑移区、节理张开区和脱落区，提出以剪切滑移区面积作为深埋隧道稳定性的量化指标。吕庆等[5]从围岩结构特征和地应力环境方面预测了苍岭深埋特长隧道的岩爆情况。陈国庆等[6]研究了温度场和应力场耦合作用下深埋硬岩隧道开挖的力学响应，并预测了岩爆烈度。事实上，爆破开挖、断层滑动等施加的荷载同样是隧道失稳破裂不可忽视的因素之一。非稳定平衡状态下的岩体，在受到爆破等荷载作用时可能突然失稳，引发岩爆灾害[7-8]。国内外学者采用理论分析和数值计算方法研究了动荷载对隧道(或巷道)工程结构的影响。张露晨等[9]采用关键块体理论分析隧道围岩稳定性时，考虑了爆破震动和地震荷载的作用，计算结果与工程实际更加吻合。Amin等[10]应用Abaqus软件模拟了含原生节理隧道在动静荷载共同作用下，破裂区岩块的速度和能量特征。刘思妤和徐则民[11]开展了一系列动静应力耦合的深埋长大隧洞岩爆灾害控制研究，认为岩爆的发生必须满足3个必要条件，此外岩爆的控制应该综合考虑动静应力的耦合

效应。

采用爆破的方法进行深埋隧道失稳破坏的室内或模型试验研究常常受到试验条件、试验人员爆破技术以及试验原料等的限制，而数值软件具有可操作强、可重复性高以及低成本等特点使得其在研究爆破等荷载方面具有明显的优势，因此，本文在前人的研究基础上，引入颗粒离散元数值软件PFC，并以新二郎山深埋长大隧道为依托工程，开展爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏的数值模拟。通过分析动态扰动过程隧道围岩的微裂纹和位移等指标的变化规律，揭示隧道岩体失稳破坏机制，以期为深埋隧道的支护技术和灾害预报研究提供可靠的理论依据。

1 工程概况

新二郎山隧道(图1)位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山，全长约13.4 km，最大埋深可达1.5 km且隧址区最大地应力高达50 MPa，隧道穿越多条区域性断裂带(图2，7条区域断裂带，5条次级断裂带)，其硬岩主要以砂岩、粉砂岩等为主，软岩主要为泥岩及砂质泥岩为主。整个隧道区段的开挖方法为三台阶七步流水开挖法(软岩中)与全断面开挖法(硬岩中)相结合。

图1 新二郎山隧道位置

图2 新二郎山构造分区情况[2]

2 模型建立

2.1 隧道开挖模拟

为研究不同埋深隧道围岩在爆破荷载作用下的损伤演化过程，同时考虑到整个隧道岩性、构造特征和开挖方法，本研究区段选择为图2中的构造3区，其围岩物理力学参数如表1所示。如图2所示，取构造3区的某一隧道断面作为研究对象，利用离散元数值计算软件PFC，在四面墙体(wall)固定的状态下，生成尺寸为25 m×25 m的黏结颗粒体模型(BPM，图3)。通过边界加载的方式模拟初始地应力场，施加指向模型内部的竖向应力σ1和横向应力σ3，直到模型平衡。自模型中

央开挖直径为6 m的圆形隧道孔洞，即删除该范围内的颗粒体，待模型再次平衡时，清除所有颗粒的位移和速度。隧道开挖平衡后，计算区域内共保留了27 142个颗粒，粒径为0.07～0.09 m。

表1 砂岩物理力学参数岩性单轴抗压强度/MPa泊松比弹性模量/GPa密度

/(kg/m3)砂岩760.28.432504

图3 隧道颗粒流模型示意图

2.2 细观参数确定

在数值计算之前，需要对模型的细观参数进行标定。对于细观参数的确定要求模型颗粒尺寸与标定试验(如单轴压缩试验、直接剪切试验等)的数值模型一致。采用单轴压缩试验标定隧道模型的参数，设定数值岩样尺寸8 m×4 m，岩样尺寸远大于普通的室内试验岩样，此时不能再用标准岩样(100 mm×50 mm)的力学参数作为标定依据，而应当参实际砂岩岩体的力学参数。岩体的泊松比直接采用岩石的泊松比，而其单轴抗压强度和弹性模量需要在岩石的基础上进一步折减。岩体单轴抗压强度σmc根据完整性系数k近似确定：

σmc=k·σ。

(1)

式中：σc是岩石的单轴抗压强度(MPa)。对于结构完整的砂岩岩体，完整性系数取0.8。岩体的弹性模量通常小于岩石的弹性模量，文献[16]中指出，岩体的弹性模量约为室内试验岩石弹性模量的60%～65%，取折减系数为0.65。结合表1计算得知砂岩岩体单轴抗压强度和弹性模量分别为：60.8 MPa和5.48 GPa.

通过对单轴压缩数值试验的细观参数进行敏感性分析，发现宏观力学参数泊松比受接触的法向与切向刚度之比影响显著，而弹性模量和单轴抗压强度主要与有效模量和黏结拉伸强度有关。据此反复调整细观参数，最终得到一组隧道围岩体模型细观力学参数，如表2所示。