深埋隧洞围岩高应力损伤破坏机理探讨

陈祥荣，张春生，朱焕春，曾新华，杜效鹄，张 鹏，刘 宁

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.Itasca（武汉）咨询有限公司，湖北 武汉 430074；3.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051；4.中国水电工程顾问集团有限公司，北京 100120）

0 引言

深埋隧洞围岩开挖后受二次应力调整的影响产生变化，导致在不同岩体中产生不同的破坏现象，尤其是脆性岩体表现出片帮、岩爆等具有典型高应力特征的破坏现象。随着工程埋深的不断增加，深埋围岩开挖后的应力调整和破坏机理已经成为岩石力学理论研究和地下工程实践中的热点问题。与浅埋地下工程中受结构面控制的块体破坏相比，由于控制因素的增多，深埋岩体的破坏形式更加复杂。因此，对深埋条件下岩体高应力破坏机理的分析研究具有相当大的难度。由于深埋隧洞特殊的应力环境和岩体力学特性，隧洞开挖后与常规条件下的响应方式存在较大差别，如何把握深埋高应力的特点以及现场岩体在高应力条件下的特性，是围岩稳定性评价和支护优化设计工作的基础。

锦屏二级水电站 （以下简称 “锦屏二级”）引水隧洞埋深1500～2000 m，最大埋深达2525 m，最大主应力超过70 MPa，在如此高的应力条件下，岩体所表现出来的力学行为具有典型的代表性。本文通过深入研究深埋隧洞开挖卸载后的围岩应力状态和应力变化规律，揭示了围岩片帮、岩爆和边墙型破坏发生的力学机理，有助于了解围岩破坏损伤状态与应力之间的关系，以指导支护设计和施工。

1 深埋围岩应力分布特征

传统岩石力学通常采用厚壁圆筒弹性解的方式描述隧洞开挖后围岩二次应力分布特征[1]，隧洞围岩应力分布见图1。对围岩二次应力状态与初始地应力场和隧洞断面形态之间的关系可以归纳如下:

（1）隧洞开挖后将产生径向应力松弛和切向应力集中。洞周的某些部位因为切向应力集中而形成应力集中区，其出现的部位与初始最大主应力σ1方位密切相关，并与初始最大主应力σ1和开挖面切线方位保持一致。一般情况下，断面初始最大σ1与最小主应力σ3差越大，应力集中现象越突出。

（2）根据围岩应力水平与围岩强度的比值关系，应力集中区一般临近开挖断面，或在开挖断面以内一定深度范围内。当应力水平显著超过围岩强度时，洞周一定范围内岩体也将处于屈服状态形成屈服区，并且由于围岩强度的降低，应力水平也随之降低。

（3）由于初始地应力的影响，在洞周与应力集中区相垂直的方位上，径向应力集中一般不明显。因此，围岩受力状态和破坏特征明显区别于应力集中区。

图1 隧洞围岩应力分布

深埋隧洞围岩开挖后围岩的三维应力分布和围岩破坏方式则更为复杂。一方面，岩体并非均质的线弹性体，非均质性表现为围岩岩体强度特征的变化，结构面效应可以发挥重要作用而影响围岩的局部受力状态和破坏方式；另一方面，深埋隧洞围岩中的应力水平足以导致围岩进入屈服状态，甚至是残余状态。因此，围岩的非线性特性更为明显。

2 深埋围岩应力状态分析

在深埋条件下岩体基本特性将发生变化，如摩尔-库仑强度参数中的内聚力c可以获得较高的值，完整大理岩一般为6～12 MPa，岩体单轴抗压强度σc为60～80 MPa，可能会低于深埋隧洞开挖前的初始地应力水平。因此，在深埋隧洞开挖后的瞬间，洞壁的径向应力 （围压）被完全解除，洞壁一些部位的围岩强度低于初始地应力水平，切向应力尚未形成集中，围岩即出现屈服现象。

图2为锦屏二级深埋隧洞洞周4个特征点在隧洞开挖后应力状态的变化过程。这种变化是以二次应力场中最大、最小主应力之间的相对关系描述的。其中，A、B点表示应力集中区临近洞壁和一定深度的部位；C、D点则是与应力集中区垂直方位上与A、B点对应的部位 （计算对应断面埋深2000 m，岩体为白山组II类大理岩）。

图2 深埋隧洞开挖后典型部位应力变化路径 （单位:MPa）

由图2可知，隧洞开挖后，位于应力集中区临近洞壁的A点经历了一个最小主应力 （径向应力、围压）迅速下降并很快达到强度包线 （屈服）的变化过程，但因为相对初始地应力水平，岩体强度较低，深埋条件下洞壁围岩不具备切向应力集中的强度条件，因此最大主应力 （切向应力）并没有明显超过岩体初始应力水平。B点距离洞壁有一定距离，隧洞开挖后仍然经历了一个最小主应力 （径向应力、围压）降低的过程，但在接近屈服之前的最大主应力 （切向应力）增加明显，出现应力集中现象。

位于不同部位的A、B点，在隧洞开挖后经历了不同的应力变化过程，本质原因是围压效应和岩体的非线性特征。隧洞开挖后，A点围压水平和岩体 （峰值）强度低，很容易进入屈服和应变软化阶段，进一步降低岩体强度，甚至进入残余阶段。而B点因为较高的围压而具有较高的强度，屈服时对应的强度较高。在能量方面，A点岩体缺乏能量积累过程，不可能诱发岩爆，而B点在高应力水平下屈服时，积累了高的弹性应变能，具备导致岩爆的能量条件。围岩应力集中区应力变化方式和屈服时应力状态，决定了围岩破坏方式的差异。

隧洞开挖后，C、D点的应力变化特征与A点有着本质的差别。A点的应力降低是深埋条件下岩体迅速屈服应变软化后的结果，是岩体非线性特征的表现，即切向应力趋于增加但围岩强度不允许；C、D点的应力降低则主要表现为应力松弛，围压效应起主要作用，切向应力集中趋势不明显，某些情况下甚至不出现增加的趋势。对应的线弹性模型验证对比见图3。从图3可知，A点的应力状态发生了很大变化，说明A点受力状态主要取决于岩体的非线性行为，而C、D点的变化不突出。

图3 非线性和线弹性条件下围岩应力分布 （单位:MPa）

3 围岩高应力破坏机理

高应力条件下隧洞围岩有多种破坏类型。在锦屏二级引水隧洞开挖过程中，由于围岩条件的不同表现出片帮、岩爆、鼓帮、细观裂纹扩展后的破碎性破坏等[2]。其中，以应力松弛区边墙鼓帮破坏、应力集中区的片帮及岩爆破坏最为典型。

图4描述了围岩应力状态和岩体破坏的4种方式[3]，即图中标出的稳定区、应力松弛区重力型破坏、片帮区和潜在岩爆区。图4中折线方式的岩体强度包线有别于经典岩体强度包线，主要体现了不同受力状态下岩体中结构面对岩体强度的影响。与传统的均化结构面作用相比，试图从更小的尺度和视角描述岩体强度。

图2中C、D点的应力变化路径和最后的围岩应力状态与图4中的应力松弛重力型破坏区相一致，该部位围岩经历了持续的应力松弛进入低应力状态，结构面所起的作用得到发挥，成为结构面控制的重力型破坏区域。但是，处于应力松弛状态的锦屏二级引水隧洞边墙围岩破坏机理更加复杂，结构面依然是导致边墙破坏的基本因素，但不是惟一因素。边墙结构面切割关系并没有普遍形成不良稳定特征块体，但在和隧洞轴线小夹角方向节理发育洞段边墙的破坏非常普遍。当相互平行的相邻2条节理间距不大时，岩块剪断破坏明显，说明了高应力作用依然突出。因此，在深埋隧洞围岩应力松弛部位，应力松弛结构面控制作用突出是导致围岩破坏的一个方面，但高应力也是不可忽略的因素。

图4 深埋隧洞脆性岩体破坏准则

锦屏二级边墙上垂直应力对边墙破坏所起的重要作用，一方面以劈裂方式导致陡倾向节理的张开变形；另一方面在洞壁缺少围压的条件下，垂直应力导致节理发育部位出现岩块的剪断破坏。由此可知，在高垂直应力的影响下，松弛机制占主导地位。

结合图2、4可以看出，深埋洞室应力集中区部位对应的片帮破坏属于围压解除、径向应力达到岩体强度的一种破坏方式，因此只出现在洞壁一带。从内在机理上，是围压 （径向应力）迅速降低、切向应力趋于集中，但因为围岩强度相对不足无法集中的结果。片帮破坏的这种应力变化机制与现场现象具有良好的吻合关系，片帮以平行于开挖面的薄片状出现，反应了径向应力强烈条件下的一种压－拉破坏趋势，因此在片帮的传统剪切破坏认识上，也出现了拉破裂机制的解释[4]。

如果围岩初始应力与围岩强度之间的矛盾不是很突出 （如中等埋深），隧洞开挖后图2中A点则可以出现切向应力增加，反应在图4中则是增加到屈服破坏的一种应力变化路径。从应力变化方式上讲，这与岩爆破坏机理基本相同，主要区别在于应力或能量量级上。由此可见，从应力变化路径角度看，隧洞围岩的片帮破坏可以是岩体软化导致的应力水平降低，同时伴随一定水平的应力集中，但共同的特点都是能量水平不高，因此并不能等同于岩爆。后一种方式的片帮破坏更加强烈时，可以视为应变型岩爆。

图2中B点的应力变化路径满足图4中的潜在岩爆破坏条件，表达了一种能量积累导致围压发生屈服破坏的力学过程，可以理解为岩爆孕育过程。其典型力学行为包括以下几个关键因素:①最大主应力增加；②最小主应力维持在一定水平；③围岩进入屈服状态。

对于隧洞围岩来讲，由于洞壁一带围压应力水平很低，最小主应力维持在一定水平，导致岩爆震源位于洞壁一定深度内的围岩中，主要表现为洞壁围岩的破坏，但根本原因还是内部围岩中的能量积累导致的围岩屈服破坏，降低岩体的强度。如果这种强度的降低程度较大且较快，则一般会伴随能量释放冲击周边岩体，形成微震现象，这也是岩爆发生的动力。如果应力集中区内存在结构面并导致结构面发生破坏时，由于结构面残余强度较低，释放出大量的能量，出现的岩爆就更加强烈，形成断裂型岩爆。

4 脆性围岩的“V”形破坏机理

上世纪60年代，在深埋地下工程中就已发现了围岩脆性破坏 （片帮和岩爆），破坏形态多呈 “V”形凹坑。此后，一些岩石力学研究者一直试图研究这种破坏的机理和描述方法，岩体强度特征的粘结软化和摩擦硬化模型 （CWFS模型）就是在这种条件下提出的[5]，可以被用来描述低围压条件脆性岩体的高应力破坏 （图4中的片帮区）。Hajiabdolmajid[6]在此基础上开展了相关的数值模拟，在比较其他传统强度模型后认为，只有该模型能正确描述脆性岩体的 “V”形破坏。朱焕春等人在进行大量高应力区围岩破坏特征的数值模拟研究后认为，CWFS模型的主要贡献可能是理论认识上的，还缺乏实际应用。就再现围岩 “V”形破坏形态的能力而言，CWFS模型不是惟一的，传统的应变软化模型也可以实现，并在岩体强度取值环节上更符合传统认识[7]，因此具有更好的工程适用性。

图5是在FLAC中采用传统应变软化本构关系获得的隧洞 “V”形破坏区域和对应该区域一带的围岩应力分布。这种局部 “V”形破坏区域的围岩应力分布有别于对洞周围岩应力分布的一般认识，揭示了局部范围内岩体屈服和应力变化之间的相互关系，即屈服改变岩体应力分布，重分布应力又反过来改变屈服区的形态特征，最后达到一个新的平衡，形成 “V”形的屈服区域。因此，脆性围岩“V”形破坏的力学本质是围岩局部破坏和局部应力变化的结果。

图5 “V”形破坏与局部应力分布的数值模拟

图5的结果在现场中的具体表现就是深埋隧洞围岩出现局部的高应力破坏现象，这是深埋脆性岩体一种自然的力学行为，并不一定代表岩体基本条件出现了局部变化。因此，把握围岩最基本的力学特征，是宏观判断围岩潜在高应力破坏的基础。

5 结 语

本文在前人研究成果的基础上，结合锦屏二级深埋引水隧洞开挖实践，深入探讨了隧洞开挖后脆性围岩的应力变化和应力分布特征，揭示了高应力对围岩损伤破坏特征的作用方式和影响程度，主要认识如下:

（1）浅埋条件下隧洞开挖后围岩应力变化的认识不能完全套用于深埋条件。根据传统岩体强度理论，在隧洞开挖后的应力集中区内，洞壁一带岩体的强度可能低于岩体初始应力水平而不具备产生切向应力集中的条件，因此出现连续的应力降低过程。这种应力降低是岩体非线性行为引起的，是岩体在低围压下的屈服破坏和发生应变软化作用的结果。传统的岩体强度描述方法因考察问题的尺度不同而不能完全反应局部岩体的真实强度。

（2）深埋隧洞围岩的应力降低 （松弛）可以有2种不同的成因，即屈服后应变软化导致的降低和开挖卸荷应力松弛导致的降低。因此，相似的应变变化路径可以代表不同的岩石力学意义和围岩破坏特征。利用数值计算分析结果解释围岩破坏性质时，不但要考察屈服状态，还要考察经历的应力路径和屈服条件。

（3）“V”形破坏是高应力条件下脆性岩体的一种自然表现方式，与围岩应力集中区岩体破裂发展与应力变化之间的相互作用密切相关。因此，数值再现这一现象的关键之一就是以小尺度考察问题。CWFS模型的贡献主要体现在理论上，还没有足够的工程实例逐一验证。传统的应变软化模型也可以描述脆性围岩的 “V”形破坏现象。

［1］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社，2002.

［2］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.

［3］KAISER P K,DIEDERICHS M S,EBERHARDT E.Damage initiation and propagation in hard rock during tunnelling and the influence of near-face stress rotation[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41（5）:785-812.

［4］CAI M,KAISER P K,TASAKA Y.Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41（5）: 833-847.

［5］MARTIN C D.Seventeenth Canadian Geotechnical Colloquium:The effect of cohesion loss and stress path on brittle rock strength[J].Canadian Geotech Journal，1997，34（4）: 698-725.

［6］HAJIABDOLMAJID V,KAISER P K,MARTIN C D.Modelling brittle failure of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2002，39（6）: 737-741.

［7］朱焕春,李浩，O’CONNER C.脆性岩体的高应力破坏与数值模拟[C]//中国岩石力学与工程学会编.第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集，北京:科学出版社，2006:260-266.