深埋隧洞围岩破坏时间的预测研究

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1、深埋隧洞围岩破坏时间的预测研究　　摘要：地下隧洞的开挖引起原始地应力的重新分布，可能在围岩局部区域产生应力集中而导致围岩破坏。工程实际表明，即使在隧洞开挖过程中或开挖完成时，隧洞围岩保持稳定，隧洞在投入使用一段时间后，由于岩石强度的下降仍有可能引起隧洞围岩失稳。本文结合MSDPu强度准则和次临界裂纹生长理论详细推导了已知隧洞围岩任意一点应力状态，其达到破坏所需要的时间公式，并利用数值分析软件FLAC计算出圆形隧洞围岩顶点在不同原始地应力作用下达到破坏所需要的时间，为工程实际中隧洞围岩破坏预测提供参考。　　关键词：隧

2、洞围岩；强度准则；破坏时间；预测　　1引言　　在漫长的地质年代里，地壳里的岩层已经形成了相对稳定的原始地应力场。由于交通运输、能源开发等原因，人们在浅地表或深地表开挖建造了各种各样的隧洞工程，扰乱了岩层原有的地应力场分布，使得隧洞围岩局部区域应力集中，从而引起隧洞围岩的破坏。已有的工程实例表明[1]，即使在开挖过程中或开挖完成初期，隧洞没有发生失稳破坏的现象，由应力侵蚀、微裂纹拓展等原因引起的岩石强度下降，仍可能在隧洞运营一段时间之后造成围岩的局部失稳。如果能够对隧洞围岩的破坏时间进行预测判别，针对性的进行二次支护

3、，避免或控制隧洞围岩的破坏，具有十分重要的意义。5　　目前，国内外的专家学者在隧洞围岩破坏预测方面已做了不少研究，并取得了一些成果。向天兵等[2]依据控制因素、破坏机制、发生条件3个层次归纳出18种典型的围岩破坏模式，并进一步根据大型洞室群分步开挖过程中不断更新的工程地质条件和围岩性状，提出围岩破坏模式的动态识别、复核与调控方法，实现施工过程中围岩局部不稳定性问题的识别、预测与动态调控。戚承志等[3]利用不可逆热力学理论、连续相变形理论及弹塑性理论研究了深部隧洞围岩变形破坏的时间演化问题，给出了围岩分区破裂化现象的

4、空间及时间解析解，并针对分区破裂化现象提出了一些支护方法。邓俏[4]等针对某地下金属矿山深井隔一采一方式回采过程形成的单面临空矿柱，运用软件建立数值模拟模型，通过数值模拟，揭示矿柱及围岩的应力位移塑性区的变化情况，对回采过程中矿柱及围岩可能出现的破坏区域进行分析和预测。E.Z.Lajtai等[5]提出通过静定疲劳试验建立在特定应力状态下岩石试件达到破坏所需要的时间与所施加应力之间的曲线函数关系，来对岩石破坏时间进行预测。以上各种研究仅仅是对围岩可能出现的破坏模式或者破坏出现的位置进行预测，并没有对工程实际中比较关心

5、的破坏时间进行预测。E.Z.Lajtai等提出的“静定疲劳法”虽然可以预测围岩的破坏时间，但这种方法需要进行大量的重复试验，并且假定两组对比试验的岩石强度一致，与实际情况存在一定差异。　　本文结合MSDPu强度准则和次临界裂纹生长理论，提出通过数值模拟方法直接计算出隧洞围岩每一点的应力状态，并计算出该应力点达到破坏所需要的时间。　　2MSDPu强度准则5　　1996年，M.Aubertin和R.Simon[6]经过研究分析岩石在拉伸破坏和压缩破坏时应力状态的主要特征后，结合Mises-Scheicher准则可以较好

6、描述低应力状态下岩石的极限强度特征和Drucker-Prager准则可以较好描述高应力状态下岩石的极限强度的特点，提出了MSDP准则。后来M.Aubertin等[7-9]对该准则做了相应的修正，以适合于不同的情形。　　3次临界裂纹生长理论及破坏时间预测　　对于一个给定的介于长、短期强度屈服面的应力状态，可以利用基于Charles定理拓展而来的次临界裂纹生长理论[10]来预测破坏发生的时间。通常认为微裂纹的形状为椭圆形，微裂纹端部的应力集中因子Ki与受到的外荷载、微裂纹几何尺寸相关。Charles对玻璃进行的静态疲劳

7、分析研究和Atkinson[11]关于岩石断裂机理的分析研究表明，微裂纹端部的延伸速率V与应力集中因子Ki存在指数函数关系：　　当K1≤K0时，破坏时间tf为无限长；当KI=KC时，tf等价于tr。根据相似类比的原则，可以利用与微观尺度相似的表达式等价宏观响应，即：　　式中，β2为材料参数，σapp为所施加的偏应力。因此，当偏应力σapp等于短期强度STF时，tf等于参考时间tr；当偏应力σapp小于长期强度DIT时，破坏时间tf为无限长。公式（4-34）可以进一步改写为：　　式中，δ1是施加的偏应力与长期强度的差

8、值，δ2是短期强度SFT与施加的偏应力的差值，α1和β为材料参数，对于花岗岩而言，α1=2.7s，β5=9.73。Schmidtke和Lajtai[12]对花岗岩试件进行了单轴压缩静态疲劳试验，测得了不同加载荷载下试验发生破坏时间的数据。M.Aubertin[8]利用公式（19）对这些数据进行了拟合，其中长期强度取值短期强度的一半，得到拟合的效果比较吻合。