考虑震源扰动作用的深埋隧洞开挖失稳研究

吕祥锋

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037;2.地下工程建设预报预警北京市重点实验室，北京 100037)

0 引言

随着地球浅部资源逐渐枯竭，深部资源成为主要开采源。深部地下工程开挖，安全问题是工程面临的主要问题，尤其在深部开挖过程中伴有不断的震动扰动，对深部开挖安全产生极大的威胁［1－2］。国内外科研和技术工作者在此方面开展了大量的研究工作，张春生等［3］研究了深埋隧洞开挖时不同部位围岩应力的变化路径，探讨了脆性围岩高应力破坏的局部化问题;宋宏伟等［4］研究了开挖中围岩破裂性质和支护问题，指出碎胀变形是地下工程支护的主要载荷来源;刘招伟等［5］探讨了复杂环境条件下地下工程微震爆破施工技术，对降低爆破震动对周围环境的影响提出了相应技术措施。而针对深埋地下隧洞开挖失稳方面的研究还较少，尤其是受震源扰动的三维数值计算规律尚不明确。随着地下工程开挖难度的不断加大，围岩应力往往大于其极限承载能力，加上某处常伴有震源冲击作用，使得围岩体发生变形或破坏，对地下工程开挖安全造成明显威胁，需要掌握震源波在围岩体中的传播和衰减及其对围岩体冲击作用的影响。因此，研究考虑震源扰动作用下的深埋隧洞开挖稳定和控制，对深部地下工程安全施工提供理论指导，具有重要、实际意义。本文采用GPU加速技术数值模拟方法，对不同震源扰动方式的深部地下工程开挖稳定和控制进行研究。

1 震源扰动三维模型

数值计算中，选取深埋隧洞某一开挖段为研究对象，计算模型尺寸为24 m×17 m×17 m，计算中采用圆形断面，尺寸为φ3 m×15 m。计算模型采用Drucker-Prager准则的弹塑性模型［6］，模型共分为4层，从上至下分别为:砾岩层(厚5 m)、顶板层(厚3 m)、开挖层(厚6 m)和底板层(厚3 m)，在顶板、底板和两边帮各设置3个测点(测点间距为0.5 m)，测点布置见图1 (a)。隧洞上方震源扰动主要来源为地下爆破施工和钻孔扰动，因此模拟点震源和震面波2种工况。数值计算几何模型见图1(b)。三维数值模型见图2，计算模型参数根据当地地质资料取值见表1。震源扰动作用的施加方式为在节点或面上输入速度时程关系，持续时间为1 s，也即在节点或面上施加边界条件完成。

图1 模型平面几何尺寸及监测点分布图(单位:m)Fig.1 Geometrical dimension of the model and layout of the monitoring points(m)

图2 三维数值计算模型Fig.2 3D numerical calculation model

由于隧洞距离地面为无限远，且底板受震源扰动作用不大，侧面与隧洞距离可忽略尺寸效应影响，边界条件设置为模型底板全约束，侧面水平约束，顶板为自由面。根据现场测试数据，计算中施加在模型边界面上的初始应力场为:水平最大应力为20 MPa，水平最小应力为18 MPa，垂直应力为17 MPa。计算中，首先计算初始应力场至稳定，然后进行隧洞每开挖步稳定至开挖多步，形成隧洞某一开挖段，最后进行上方震源计算，对比不同震源工况下开挖隧洞的稳定性。

2 点震源传播衰减与冲击作用研究

图3为竖向应力随计算时步的变化关系及监测点竖向应力对比曲线。从数据结果分析可知，测点7—9竖向应力数据均为负值，且测点7数值最大(3.5 MPa)，曲线波动也最大;测点10—12竖向应力数值基本上均为正值，且测点10曲线波动较小，说明点震源传播方向是从上至下，且距离震源位置越近，震动作用越强，正、负值说明点震源对巷道顶底板波动作用是顶板向下、底板向上，数值计算结果与以往试验规律具有一致性。

表1 计算模型参数Table 1 Parameters of calculation model

图3 竖向应力随时间变化关系Fig.3 Vertical stress Vs time

图4给出了不同时步竖向速度计算结果。从竖向速度垂直巷道剖面结果可知，点震源作用后主要向巷道方向传播［7－8］，在0.1 s时，就已经对巷道周围产生作用，随着时间的增加，点震源对巷道的作用显著增大，向巷道方向传播过程中呈现扩散现象，并不断包裹整个巷道，点震源对整个巷道有一定的波动作用。

图4 不同时间竖向速度结果(单位:m/s)Fig.4 Calculation results of vertical speed(m/s)

3 震面波对地下工程开挖失稳影响分析

图5为竖向应力随计算时步变化关系以及监测点竖向应力对比曲线。由数据结果分析可知，测点7—9竖向应力数值基本上均为负值，测点8—9在正、负值之间波动，测点7数值均为负值，且曲线波动最大，最大数值为17 MPa，是受局部面震源作用强烈所致;测点10数值保持基本不变;测点11—12曲线波动较大，说明局部面震源传播过程较复杂，局部面波传播过程中出现重叠时而增强时而减弱［9－10］，整体上是距离震源位置越近，震动作用越强，正、负值也可说明局部面震源对巷道顶底板波动作用是顶板主要向下、底板主要向上。

图5 竖向应力随时间变化关系Fig.5 Vertical stress Vs time

图6为不同计算时步竖向速度计算结果。从竖向速度垂直巷道剖面结果可知，巷道受局部面震源作用明显，在0.1 s时，巷道周围受波动作用非常明显，在巷道围岩附近略有局部明显扰动;在1.0 s时，振动作用继续持续，局部面震源作用在顶板上方形成近似“漏斗”状，在底板下方形成近似“M”型分布，局部面震源对整个巷道有较强的波动作用，易造成巷道整体失稳［11－13］。

图6 不同时间竖向速度结果(单位:m/s)Fig.6 Calculation results of vertical speed(m/s)

4 结论与讨论

不同方式条件下的震源波传播和衰减具有共同点:震源作用后主要向巷道方向传播，并很快对巷道围岩体产生作用;随着计算时步的增加，震源对巷道的作用不断增大，向巷道方向传播过程呈现扩散现象，并不断包裹整个巷道，波动作用巷道表现为对顶板整体向下、两边帮向内侧、底板向上。其不同之处在于:不同震源方式对巷道的波动作用不同，震源波对巷道波动作用很大，点震源较小，当震源波动强烈时，波动对巷道作用呈现整体向下、底板局部向上;另外，震源波在煤岩体中的传播也是冲击载荷不断消弱的过程。震源扰动对深埋隧洞开挖速度和工序有一定影响，采用的开挖速度和工序是否有利于施工安全等问题仍需要多工况、定量化计算才能解决。

［1］ 王思敬，杨志法，刘竹华，等.地下工程岩体稳定分析［M］.北京:科学出版社，1984.(WANG Sijing，YANG Zhifa，LIU Zhuhua，et al.Stability analysis of surrounding rock for underground cavern［M］.Beijing:Science Press， 1984.(in Chinese))

［2］ 吴和平，陈建宏，张涛，等.高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策研究［J］.金属矿山，2007(9):50－54.(WU Heping，CHEN Jianhong，ZHANG Tao，et al.Study on deformation-destruction mechanism of high stress weak-rock tunnel and control measures［J］.Metal Mine，2007(9): 50－54.(in Chinese))

［3］ 张春生，侯靖，朱永生，等.深埋隧洞围岩应力分布与破坏机理［J］.现代隧道技术，2011，48(3):7－13.(ZHANG Chunsheng，HOU Jing，ZHU Yongsheng，et al.Stress distribution and stress-induced failures in surrounding rock mass of deep tunnels［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(3):7－13.(in Chinese))

［4］ 宋宏伟，贾颖绚，段艳燕.开挖中的围岩破裂性质与支护对象研究［J］.中国矿业大学学报，2006，35(2):192－196.(SONG Hongwei，JIA Yingxuan，DUAN Yanyan.Study on characteristics of rock broken by excavation and roof supporting object［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2006，35(2):192－196.(in Chinese))

［5］ 刘招伟，方俊波.复杂环境条件下地下工程微振爆破施工技术探讨［J］.隧道建设，2003，23(4):5－7.(LIU Zhaowei，FANG Junbo.Construction technology of micro vibration blasting in underground engineering under complicated environment condition［J］.Tunnel Construction，2003，23(4):5－7.(in Chinese))

［6］ 鄢建华.高地应力围岩挤压性大变形分析及数值模拟［D］.南京:南京水利科学研究院，2004.(YAN Jianhua.Analysis on large deformation of surrounding rock mass squeezed by high ground stress［D］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2004.(in Chinese))

［7］ 周垂一，李军，严鹏.锦屏二级水电站深埋隧洞施工难点解析［J］.隧道建设，2013，33(6):481－488.(ZHOU Chuiyi，LI Jun，YAN Peng.Analysis on difficulties in construction of deep covered tunnels:Case study on tunnels of JinpingⅡ hydropower station［J］.Tunnel Construction， 2013，33(6):481－488.(in Chinese))

［8］ 梁晓丹.地下工程开挖与支护的非线性分析［J］.隧道建设，2005，25(6):9－10.(LIANG Xiaodan.Nonlinear analysis of underground excavation and support ［J］.Tunnel Construction，2005，25(6):9－10.(in Chinese))

［9］ 潘明亮.建筑物地下室底板下软弱土层中浅埋暗挖隧道施工技术［J］.隧道建设，2011，31(2):240－245.(PAN Mingliang.Construction technology for shallow-buried mining tunnel in soft soil strata below bottom floor of basement［J］.Tunnel Construction，2011，31 (2):240－245.(in Chinese))

［10］ 于广明，张春会，潘永战，等.与地面环境协调的地下工程开挖预警方法研究［J］.青岛理工大学学报，2006，27(4): 1－4.(YU Guangming，ZHANG Chunhui，PAN Yongzhan，et al.An early warning study on underground engineering excavation coordinated with ground environment［J］.Journal of Qingdao Technological University，2006，27(4):1－4.(in Chinese))

［11］ 冯夏庭，江权，苏国韶.高应力下硬岩地下工程的稳定性智能分析与动态优化［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(7):1341－1352.(FENG Xiating，JIANG Quan，SU Guoshao.Integrated intelligent stability analysis and dynamic optimization of underground engineering in hard rock with high geostress［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(7):1341－1352.(in Chinese))

［12］ LEE S M，PARILB B S，LEE S W.Analysis of rockbursts that have occurred in a water way tunnel in Korea［J］.InternationalJournalofRock Mechanicsand Mining Sciences，2004，41(3):545.

［13］ 张传庆，周辉，冯夏庭.基于破坏接近度的岩土工程稳定性评价［J］.岩土力学，2007，28(5):888－894.(ZHANG Chuanqing，ZHOU Hui，FENG Xiating.Stability assessment of rock mass engineering based on failure approach index［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28 (5):888－894.(in Chinese))