变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟.docx

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟.docx

《变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性

破坏试验与数值模拟

朱合华1，2，黄锋1，2，徐前卫1，3

（1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；

3.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030）

摘要：

以一定范围内埋深（25～60m）的3车道公路隧道软弱破碎围岩（公路隧道IV级）为研究对象，研制相似模型材料和配套试验设备，再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程，分析不同埋深下围岩的应力场特征。

通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数，引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟，计算结果与模型试验吻合较好。

综合模型试验和数值模拟结果，可以得出以下结论：

（1）围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源，主要集中在拱顶上方区域，在两侧边墙下方和拱底也有局部存在；

（2）隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响，随着埋深的增大，围岩破坏区域呈渐进扩大趋势；（3）围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低，其最大值所在位置即对应压力拱位置，且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动，形成动态压力拱现象；（4）通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围，并进而确定围岩塌落荷载大小，这在理论上是可行的。

关键词：

隧道工程；围岩；渐进性破坏；模型试验；数值模拟；开挖损伤区

中图分类号：

U45文献标识码：

A文章编号：

1000–6915（2010）06–1113–10

MODELTESTANDNUMERICALSIMULATIONFORPROGRESSIVEFAILUREOFWEAKANDFRACTUREDTUNNELSURROUNDINGROCKUNDERDIFFERENTOVERBURDENDEPTHS

ZHUHehua1，2，HUANGFeng1，2，XUQianwei1，3

（1.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.DepartmentofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；3.SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China）

Abstract：

Bytakingtheweakandfracturedsurroundingrock（definedasclassIVbytheroadtunnelcodeofChina）forthethree-lanehighwaytunnelwithoverburdendepthsof25–60m，similarmaterialsandmodeltestequipmentsaredevelopedtoreproducethewholeprocessofprogressivefailureofsurroundingrockafterexcavation；andthecharacteristicsofstressfieldinrockmassunderdifferentoverburdendepthsarestudied.Meanwhile，anelastoplasticdamageconstitutivemodelisintroducedtosimulatesomecasesofmodeltestbyFEM；andtherelatedparametersofrockmassaredeterminedbylaboratorytests.Thenumericalsimulationresultsshowagoodagreementwiththoseofmodeltest.Byanalyzingtheresultsofmodeltestandnumericalsimulation，theconclusionscanbedrawnasfollows：

（1）Thefailurezoneofsurroundingrockisthesourceoftunnelcollapseload，anditisdistributedmainlyabovethevaultaswellaspartiallyatthebottomofbothsidewallsandarchbottom.

（2）Theoverburdendepthhasgreatinfluenceonthedimensionsofprogressivefailurezonearoundtunnelprofile.Astheoverburdendepthincreases，thecorrespondingfailurezoneshowsagradualexpansiontrend.（3）Thecircumferentialstresswithinthesurroundingrockrisesfirstlyandthendecreasesgraduallyaftertunnelexcavation.Thelocationofthemaximumstresscorrespondstothepositionofearthpressurearch.Withtheexpansionoffailurezone，itcontinuestodeveloptowardstheinnersideofrockmassandformadynamicpressurearch.（4）Thelocationofearthpressurearchcanbedeterminedbymeasuringthemaximumcircumferentialstresswithinrockmass，andthustodeterminethetunnelcollapseload，whichistheoreticallyfeasible.

Keywords：

tunnellingengineering；surroundingrock；progressivefailure；modeltest；numericalsimulation；excavationdamagezone

1引言

现代交通、能源工程中隧道的特点是断面大、地质条件复杂，隧道掘进面前方和洞身的不良地层条件极易引起塌方、涌水、岩溶塌陷等地质灾害。

其中，因围岩失稳而造成的塌方事故已成为隧道施工中最常见的灾害现象之一，并会造成施工困难、机械损毁以至人员伤亡等巨大损失[1，2]。

尽管现代隧道的新奥法施工不允许有塌方现象，但由于对复杂地质环境下围岩体力学特性认识上的不足，这种现象的发生是难以避免。

在各类塌方事故中，地质条件是导致隧道塌方的最主要因素，尤其是在软弱破碎围岩地层中的隧道常伴有通天形和拱形2种塌方型式，前者易发生在浅埋和超浅埋的隧道中，后者则发生在埋深较大的隧道中[3～5]。

目前对隧道塌方问题的研究主要集中在事后的治理措施及事故原因分析方面，而对塌方破坏的机制及其渐进性破坏过程尚未有系统的研究。

因此，深入开展隧道塌方破坏过程机制的研究，对隧道塌方事故的预防及治理具有重要的理论价值及实际工程意义。

同时，探讨隧道的渐进性塌方机制也是设计过程中确定隧道塌落荷载的基础[6]。

渐进性破坏概念自1936提出以来，主要研究集中在边坡稳定性分析及地基承载力等问题[7，8]，在隧道塌方分析方面则相对较少。

事实上，隧道围岩的破坏是因开挖卸荷而产生的应力重分布伴随应变软化而渐进出现的，最终因不及时或不适当支护而产生塌方事故。

对隧道塌方的研究主要手段有室内试验和数值模拟：

室内试验有2种方法，一种是离心机试验，可实现对地下洞室的塌落形态、过程的模拟[9，10]，但对开挖过程的模拟较为困难，且试验费用也较为昂贵。

另一种是普遍采用的重力相似模拟试验，可以再现隧道从开挖到塌方破坏的全过程[11]，而已有的模型试验多是用砂等（无黏聚力材料）作为相似材料而实现的[12～14]，不能准确反映围岩性能；数值模拟方法也主要有2类，一类是非连续体分析方法，如离散单元法、DDA等[15，16]，因其算法复杂，故而不适合软弱破碎岩体分析。

另一类是连续体分析方法，如有限元方法，一般采用弹塑性本构模型（应变软化模型、弱化强度参数的模型），难以建立合适的岩体破坏准则[17～19]；而从材料的微观层面研究围岩介质的渐进性破机制[20]，则存在计算机内存耗费大、计算周期长等问题。

基于上述认识，本文首先将软弱破碎隧道围岩（公路隧道围岩IV级）从力学上概化为均匀介质，研制了具有黏聚力的相似模型材料，利用自行设计的试验装置实现对自重应力场作用下深埋隧道（埋深大于25m）围岩拱形塌方破坏全过程的试验模拟。

结合模型试验及室内试验获取岩土体相关计算参数，采用适于描述围岩渐进性破坏的弹塑性损伤本构模型，建立以损伤变量为依据的破坏判据，分析不同埋深条件下隧道开挖损伤区及围岩应力分布规律。

综合数值模拟和模型试验的结果，揭示隧道围岩渐进性塌方机制，并讨论围岩塌落荷载的分布特征。

2隧道渐进性塌方的试验模拟

2.1试验原理及模型材料的选用

岩体破坏的模型试验属于地质力学模型试验的范畴，其模型的几何尺寸、边界条件及作用荷载、模拟岩体的模型材料的重度、强度及变形特性等方面均须满足地质力学相似性要求，即满足：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

式中：

为应力相似比，

为几何相似比，

为容重相似比，

为弹性模量相似比，

为应变相似比，

为泊松比相似比，

为变形相似比，

为面力相似比。

由上述关系可知，一旦模型的几何比例选定后，则必须要找到合适的模型材料，使其具有适宜的强度和变形要求。

本次试验主要是针对IV级围岩开展的，其对应的岩体力学参数可根据《公路隧道设计规范》选取，见表1中的原型。

表1IV级围岩物理力学性质指标

Table2Physico-mechanicalparametersofrockmasswith

IV-thtype

IV级

围岩

重度

/（kN·m－3）

弹性模量

E/GPa

泊松比

黏聚力

c/MPa

内摩擦角

/（°）

原型

20～23

1.30～6.00

0.30～0.35

0.20～0.70

27～39

模型

21

0.05

0.32

0.01

31

根据试验的实际情况，确定的相似比如下：

几何相似比

=50；容重相似比

=1；泊松比相似比

；应变相似比

；内摩擦角相似比

；应力、弹性模量相似比

。

以公路隧道IV级围岩作为参照的原型地层，按照上述相似比进行模型地层材料的配制。

在经历数百次的反复试验后，最终确定以重晶石粉、砂、石膏、水等数种材料按照一定的配比拌合，再将其按照一定的密实度压实后，得到的模型地层参数，见表1中的模型。

本试验所用模型材料的最大特色在于性能稳定、可重复性强，并在使用后只需加入适当的水重新搅拌，其性能仍可满足使用要求。

2.2模型试验装置

如图1所示，整个试验系统由试验土箱、加载系统、开挖装置和数据采集等子系统构成。

箱体尺寸1600mm×1300mm×400mm，顶部敞口以便填土及布置观测仪器。

箱体前、后2个面板采用有机玻璃，以便观察土体内部的位移变化情况，左右两侧面板可拆卸，并可根据需要施加侧向压力以模拟地应力的影响。

为了减少模型地层和箱壁的摩擦阻力，在箱内的四壁上贴上一层Teflon薄膜，并涂上一层润滑油脂。

模型地层采用夯实填筑法制作，其基本流程如下：

按确定的材料配比称量材料→用搅拌机均匀搅拌材料→在试验台架装置内由下往上分层摊铺、夯实材料→测试碾压后的材料密度→按设计标高在隧

图1模型试验系统

Fig.1Modeltestsystem

道洞周分层埋设测试仪器。

隧道模型试验分“先开挖后加载”和“先加载后开挖”2种方法，这2种条件下，围岩的位移场不同，但应力场几乎是一致的[21]。

尽管“先加载后开挖”与实际情况相符，但因本试验重点在于研究应力场的分布特征，采用了“先开挖后加载”的试验方法，以通过不同附加荷载代替上覆岩体，实现了不同隧道埋深的试验方案（不考虑构造地应力对隧道围岩破坏的影响），达到研究隧道在不同应力状态下围岩渐进性破坏形态的目的。

2.3试验量测内容

试验中测量的主要内容是岩体内部的压力场，采用江苏溧阳江南电子仪器厂生产的箔式微型压力盒，型号BW–0.3。

该压力盒体积小、精度高、测值稳定，其量程为30kPa，试验结果中的压力改变值，正的表示压力增加，负的表示压力减小。

岩体压力盒主要布置在拱顶、洞底、两侧部位，如图2

300

图2隧道围岩内压力测点布置示意图（单位：

mm）

Fig.2Layoutofearthpressuremeterswithinsurrounding

rock（unit：

mm）

所示。

模型中的隧道断面完全参照公路隧道3车道断面（高8.77m、宽15.50m）按几何相似比缩小50倍，高度和宽度分别是175和310mm。

2.4试验结果分析

2.4.1围岩渐进性破坏过程

试验首先是隧道开挖（解除隧道开挖装置），然后再逐渐增加上覆荷载（每级约200N）直至隧道形成稳定塌落拱。

重点研究围岩在不同上覆荷载作用下隧道塌落拱的发展过程，以及围岩内部的应力变化情况。

为便于试验分析和与数值模拟的比较，将试验过程中的外加荷载按下式换算成原型中的数据：

（6）

式中：

为等效应力（MPa），P为上覆外加荷载（N），d为模型箱厚度（m），l为模型宽度（m）。

试验中外加荷载P从0增加到6568N，换算成原型材料的外加荷载强度为0～513.125kPa。

围岩内部的压力值相应地也按照应力相似比扩大50倍，换算成真实原型材料中的应力。

随着上覆荷载增加，围岩的渐进性破坏过程（见图3）如下所述：

图3（a）为隧道模具拆除后，隧道拱顶位置有局部塌落（外加荷载为0）；随着上覆荷载的增加，拱顶进一步塌落、拱腰位置也有塌落，如图3（b）所示；图3（c）为继续加载后拱顶出现拱形裂缝时的情形；图3（d）为隧道顶部塌落成拱时的照片；图3（e）为施加最大上覆荷载时，隧道围岩最终的破坏状态，基本上形成稳定的塌落拱。

由此可见，拱形松动区围岩自重是隧道塌落荷载的来源，并且破坏区域主要集中在拱顶上方区域，边墙和拱底下方有局部破坏；塌方高度与隧道埋深的关系见图4，隧道塌方的高度随埋深增大而增大，并近似地呈线性关系。

（a）隧道开挖后，拱顶零星掉渣

（b）拱顶进一步塌落，伴随两侧拱腰处开始掉渣

（c）围岩松动范围扩大，拱顶出现裂缝

（d）围岩出现明显破坏，拱顶小范围塌落

（e）最终塌落形状

图3围岩的渐进性破坏过程

Fig.3Progressivefailureprocessesofsurroundingrock

2.4.2岩体内部压力的变化情况

图5表示的是在整个试验过程中隧道拱腰处各点岩体压力的变化情况，其中C050，C051点测取

线性拟合结果

图4拱顶损伤区厚度与埋深的关系

Fig.4Relationshipsbetweenfailureheightabovevault

andoverburdendepth

上覆荷载/MPa

图5不同上覆荷载下隧道拱腰处各点压力变化

Fig.5Variationofearthpressureattunnelhanceunderdifferent

overburdenloads

的是岩体水平方向压力（近似为径向压力），而C052，C053点测取的是岩体竖直方向压力（近似为周向压力）。

图5中各曲线代表的是岩体内各点处压力相对于隧道脱模前的改变值，而非压力的绝对值（图6，7也是如此）。

可以看出，在隧道开挖后的，除离隧道轮廓面最近的C051点的径向压力有所下降外，其他各点影响较小；随着上覆荷载的增加，各点处的岩体径向、周向压力均有所增加，但周向压力的增加程度明显大于径向压力（径向应力有小幅增加，可能是由于水平方向与径向方向有所偏差造成的）；在上覆荷载在达到0.1MPa以前，岩体径向压力是离隧道轮廓较远的点C050较大，而周向岩体压力则是离隧道较近的点C052较大；当上覆荷载超出0.1MPa后，岩体径向压力则是离隧道较近的点C051较大，而岩体周向压力则是里隧道轮廓较远的点C053较大；上述各压力值在上覆荷载达到0.45MPa后趋于稳定，此时隧道围岩基本上形成稳定的

上覆荷载/MPa

（a）径向压力变化

距拱顶的距离/m

（b）竖向压力变化

图6不同上覆荷载下隧道拱顶上方径向压力变化情况

Fig.6Radialpressurevariationfromtunnelvaulttoground

underdifferentoverburdenloads

塌落拱。

此后4个测点的位置可能都处在松动圈内，因此其应力值几乎都没有再变化。

图6（a）为试验过程中不同上覆荷载下隧道拱顶上方岩体径向压力的变化情况。

可以看出，在开挖后，由于失去底部岩体的支承作用，隧道上方各点的压力值均有所下降，并且埋深越大处的压力降低更为明显；随着上覆荷载的增加，隧道上方不同深度处岩体压力均有所回升，但距离拱顶5.0m处C054的压力在整个过程中一直是负值，即其绝对压力一直是低于隧道开挖前的水平，这是由于其处于拱形松动圈内的缘故；当上覆荷载达到0.05MPa后，距离拱顶12.5m处C056的压力增幅开始显著，但其压力值仍未恢复到开挖前的水平，此时距离拱顶20.0m处C058的压力值已恢复到开挖前的水平并继续增加；当上覆荷载达到0.1MPa后，距离拱顶12.5m处C056的压力恢复到开挖前水平，并在0.3MPa之前一直增加，此后才开始下降，此时对应隧

距离拱顶5.0m

0.36

岩体周向压力改变值/MPa

距离拱顶20.0m

距离拱顶12.5m

0.30

0.24

0.18

0.12

0.06

0.00

－0.06

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

－0.1

上覆荷载/MPa

（a）周向压力变化

距拱顶的距离/m

（b）周向压力变化分布图

图7不同上覆荷载下隧道拱顶上方周向压力分布图

Fig.7Circumferentialpressurevariationfromtunnelvault

togroundunderdifferentoverburdenloads

道拱顶出现塌落且隧道上方出现拱形松动圈。

由图6（b）可见，隧道拱顶上方不同深度处岩体径向压力的变化是不一样的，距离拱顶5.0m处的压力值一直处于减小状态，这是由于其位于隧道上方的松动压力圈范围内；距离拱顶12.5m处C056的压力值变化最大，并在上覆荷载达到0.09MPa之后开始增加；距离拱顶20.0m处C058的变化不大，但是呈增加趋势，这表明隧道围岩由隧道轮廓面往外分别处于松动圈→压力拱→原岩应力3种状态。

图7（a）表示的是试验过程中不同时刻隧道拱顶上方岩体周向压力的变化情况：

在上覆荷载达到0.3MPa之前，岩体各点的压力一直呈增加趋势，此后才开始下降，此时对应隧道拱顶土体局部塌落；当荷载增加到0.45MPa后，各点的岩体压力停止减小，并有所增加，此时对应隧道顶部塌落成拱。

由图7（b）可知，隧道拱顶上方不同深度处岩体周向压力的变化是不一样的，在荷载达到0.18MPa之前，

距离拱顶5.0m处C054的岩体压力增长最快，在此之后，则是距地表12.5m处的岩体压力增长最快。

这同样反映了隧道围岩由隧道轮廓面往外分别处于松动圈→压力拱→原岩应力状态。

3隧道围岩渐进性塌方的数值模拟

3.1本构模型与参数取值

3.1.1本构模型

（1）屈服（流动）准则

采用相关联Drucker-Prager弹塑性模型，屈服函数[22]为

（7a）

其中，

（7b）

式中：

为材料抗拉强度，p为静水压力，q为von-Mises应力。

（2）考虑损伤的弹塑性本构关系

每个计算步，分为两子步完成：

①进行常规的弹塑性计算，增量表达式如下：

（8）

（9）

根据第n步（上一步）的计算结果，可以得到n+1步（本部）的应力：

（10）

②根据J.Lemaitre[23]提出的应变等效原理，将第一子步得到的结果进行更新：

（11）

式中：

D为损伤变量值。

同时，按以下公式考虑材料弹性模量的弱化：

（12）

（3）损伤变阀值与演化规律

岩体损伤的初始化，通过等效塑性应变

来判断：

（13）

式中：

为损伤门槛值。

为描述软岩应变软化过程的变化趋势，定义损伤因子的演化按指数型规律变化，采用的表达式[24]如下：

（14a）

其中，

（14b）

式中：

为等效塑性位移；

为完全损伤（D=1）时的等效塑性应变，L为单元特征长度，

为损伤速率的控制参数。

3.1.2参数取值

模型材料的抗剪参数由直剪试验获得，弹性参数则由英国GDS仪器设备有限公司生产的标准非饱和土三轴试验系统获得，按照试验相似比换算得到原型材料的相关计算参数，见表2。

表2数值计算的参数取值（原型材料）

Table2Parametersfornumericalsimulation（realmaterial）

弹性

模量

E/GPa

泊松比

密度

/（kg·m－3）

内摩

擦角

/（°）

黏聚力

c/MPa

抗拉强度t

/MPa

损伤演化参数

损伤变量最大值Dmax

2.5

0.34

2100

30

0.5

0.16

1.4

0.7

根据Ö.Aydan等[25]的研究成果可知，材料破坏过程中各阶段的变形间存在以下关系：

（15）

通过简单变化可得：

（16）

弹性应变极限

和围压

可以在第一个计算子步（常规弹性塑性增量迭代）中产生。

同时，考虑到岩土材料的残余强度和计算的稳定性，取最大损伤变量Dmax=0.7，损伤演化速率参数

表示损伤变量随塑性变形的发展，一般取0.0～3.0，表2中的

值是通过对隧道埋深为25m的模型试验反复试算，使得计算损伤区与模型试验的破坏区域接近为止，最终拟合参数为1.