张 乾 吴 冬 万志强 徐 晨 张 睿

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 四川成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063；3.四川川交路桥有限责任公司 四川广汉 618300)

1 引言

深埋硬岩隧道受施工开挖影响，在临空面向围岩内一定深度范围，围岩的力学和物理性质发生明显变化，并形成裂隙网络，该部分围岩所处的范围称作开挖损伤区[1]。在开挖损伤区内，大量微裂纹萌生、扩展并互相贯通，岩体的强度和刚度显著下降，渗透性进一步增强。大量工程实践表明，与传统的工程类比法相比，依据损伤区厚度进行支护设计更具有经济效益。因此对开挖损伤区范围的探明，对于设计中支护类型参数选择和指导现场施工均有着重要的意义[2]。对于地下洞室开挖后损伤区分布范围，国内外已有了一些相关研究[3～6]。周栋[7]等推导得出了预测开挖损伤区范围的理论公式，并结合ABAQUS有限元软件对开挖损伤区范围进行了研究。刘宁[8]等针对锦屏二级水电站3＃引水隧洞，现场测得损伤区深度，同时使用PFC软件对比描述了损伤区的分布特征。戴峰[9]等针对猴子岩水电站地下厂房，采用常规测试和微震监测技术，分析损伤区的分布范围，探讨了损伤区的演化机制。

综上所述，针对围岩损伤区的研究，多采用经验公式、现场测试和数值模拟的方法。由于围岩破坏机理的复杂性及施工方法的不同，针对开挖损伤区演化机理的分析有待进一步提高。本文使用UDEC离散元软件对米仓山隧道的开挖损伤区进行模拟，同时结合现场测试结果，得出损伤区的分布范围及分布特征。

2 工程背景

米仓山隧道是巴陕高速的控制性工程，位于巴中-汉中川陕交界处，为左右线分离式特长公路隧道。隧道全长13.8 km，其中陕西境内3 km，四川境内10.8 km。

本文所研究区段位于米仓山隧道ZK49＋900～ZK50＋150段，隧道埋深均大于1 000 m。测得平均地应力在40 MPa以上，区段内单轴饱和抗压强度与最大水平主应力之比(RC/σ1)为3.55，由《公路隧道设计规范》[10]可知该区段为高地应力，隧址区内最大水平主应力与区域应力一致，方向与隧道轴线方向基本一致。该段采用全断面钻爆法施工，爆破方式为光面爆破。

岩性以石英闪长岩为主，岩石饱和强度高，属硬脆岩，呈巨块状镶嵌结构或块状整体结构，围岩具备发生中～强岩爆条件。

3 损伤区现场测试

3.1 测试原理及方法

单孔声波测试法的原理是在不同性质的介质中超声波传播速度存在差异。当处于损伤区范围内时，岩体内部裂隙相对发育、密度相对降低，因而超声波在其中传播时波速较低。反之，超声波在相对完整的岩体中传播时其波速要明显高于在损伤岩体中的传播速度。测试原理见图1。

图1 单孔声波测试原理

按式(1)计算波速:

式中，s为两个声波接收器之间的距离(m)；Δt为声波到达两个接收器的时间差(s)。

数据采集区间位于米仓山隧道里程ZK49＋900～ZK50＋150内。此区间隧道围岩级别好，为高地应力硬岩区间，在此区间内选取两个断面测试围岩损伤区范围。选择拱顶、拱肩、边墙三个位置分别钻孔，深度为3 m。测试完毕后绘制波速随深度的变化曲线，并依据声波在损伤岩体中的传播速度明显低于在未损伤岩体中的传播速度来分析围岩的损伤范围[11]。

3.2 测试结果分析

(1)ZK50＋100断面

3个测点的波速随深度的变化曲线见图2。3条曲线均存在波速突变的情况。突变前波速在1.5 km/s左右，突变后在4.5 km/s左右。图2a表明拱顶的损伤深度为1.5 m，图2b表明拱肩的损伤深度为1.4 m，图2c表明边墙的损伤深度为1.5 m。

(2)ZK49＋950断面

在图3a中，由曲线明显突变位置可以看出拱顶损伤深度为1.7 m；图3b中波速在1 m～1.4 m之间出现一定程度波动，但当深度大于1.4 m时，波速基本稳定在4.57 km/s，所以拱肩的损伤深度为1.4 m；图3c中波速在1.4 m～1.7 m之间同样出现波动且增大现象，这是由于围岩应力调整，局部块体裂隙发生压密或者滑移松动，造成波速上下波动，当大于1.7 m时波速趋于4.36 km/s，所以损伤深度为1.7 m。

图2 ZK50＋100断面测试结果

图3 ZK49＋950断面测试结果

现场测试波速平均值与突变位置见表1。从波速突变位置上看，米仓山隧道大埋深段围岩开挖损伤区深度在距洞壁1.7 m范围内，拱肩的波速突变位置均小于在拱顶和边墙处，所以边墙、拱顶位置的损伤深度大于拱肩位置。通过比较不同位置波速平均值发现，边墙位置损伤区波速平均值最小，拱肩次之，拱顶最大，说明边墙的损伤程度要大于拱肩和拱顶位置。这是由于受拱效应影响[12]，边墙处于拱脚位置应力集中严重，围岩受开挖扰动大，损伤程度更高。比较不同突变位置的波速波动情况发现，拱顶位置损伤区与未损伤区的波速突变明显，未出现拱肩和边墙处上下波动过渡现象，说明拱顶位置损伤区和弹性区区分较为明显，而拱肩和边墙则会存在一定波动过渡段。

表1 波速平均值及突变位置

4 损伤区数值模拟

4.1 模型构建

采用非连续介质的二维离散元软件UDEC(U-niversal Distinct Element Code)来模拟隧洞开挖后围岩损伤的力学行为。通过UDEC中Voronoi节理生成器，离散后岩体被视为裂隙节理切割处于镶嵌状态大小均一的碎裂块体，为使岩块的集合体其整体力学行为与完整岩体相一致，将小节理赋予较高的法向刚度及较高的结构面强度。模型尺寸为18×17 m(长 ×宽)，单元块体为0.4 m，模型块体见图4。

图4 计算块体划分

根据现场地应力资料，简化后分别在模型上边界施加28 MPa法向压应力，左右边界施加27 MPa法向压应力，竖向初始主应力为45 MPa，在模型底部设置竖向位移约束。

4.2 本构模型及其参数

UDEC中模型本构分为块体本构与接触面本构。块体单元满足M-C屈服准则，结合现场提供岩样试验资料，其参数见表2。块体接触面采用有残余强度库仑滑移模型，参数见表3。

表2 块体单元物理力学参数

表3 块体接触面物理力学参数

4.3 块体之间接触应力分析

将11个测点分别布置在拱顶、拱肩和边墙0～4.4 m内，记录测点处块体接触面法向应力与切向应力。测点布置见图5。

图5 监测点布置

在未开挖时，岩体处于原岩应力状态，岩块接触面的径向应力稳定在30 MPa，切向应力为零，开挖后其围岩应力发生重分布。根据文献[13]可知在相同损伤程度下，岩石脆性越强，围岩切向应力峰值越大；岩石损伤程度与损伤半径越大，切向应力峰值离洞壁越远，以此来分析隧道围岩损伤区分布范围特征。

在拱顶位置，0～3.2 m块体间法向应力逐渐趋于30 MPa，而在0～1.6 m块体之间的剪切力明显增大，峰值达到11.2 MPa，峰值点在距洞壁0.8 m位置。在0～1.6 m范围内的围岩块体间法向应力较小，切向应力明显增大，表明块体之间发生明显松弛和相对滑动。图6中纵坐标nstr(normal stress)代表法向应力，sstr(shear stress)代表切向应力。

在拱肩位置，0～1.2 m块体间的径向应力在30 MPa上下波动，峰值为45.3 MPa，最小值为18.5 MPa；1.2 m～2.8 m内，法向应力逐渐接近30 MPa；超过2.8 m，块体间的法向应力接近原岩应力。拱肩切向应力距洞壁1.2 m范围内值较大，峰值为12.9 MPa，出现在距洞壁0.8 m位置；1.2 m至4.4 m范围内切向应力接近4 MPa，见图7。

图6 拱顶区域块体间法向应力与切向应力

图7 拱肩区域块体间径向应力与切向应力

边墙处围岩受到应力重分布和拱效应的影响，应力集中明显，0～1.2 m内法向应力波动较大，峰值为88 MPa，最小值为0；在1.2 m外，块体间的法向应力接近原岩应力。在0.4～1.6 m范围内，切向应力明显增大，峰值为17.6 MPa，出现在距洞壁1.2 m位置处；大于1.6 m后逐渐稳定在6 MPa；而在0～0.4 m范围内，切向与径向应力均较小，可知在该区域内的块体发生松垮，见图8。

隧道开挖后，由洞壁向内块体间应力发生重分布，根据损伤区围岩法向应力减小、切向应力明显增高分析，拱顶区域围岩在0～1.6 m损伤区范围内发生明显松弛滑移；边墙区域围岩的损伤范围在0～1.6 m之间；拱肩区域损伤区范围为0～1.2 m，小于拱顶和边墙区域的围岩损伤区。边墙处切向应力峰值点出现在距洞壁1.2 m位置，均大于拱肩和拱顶位置，说明边墙位置的损伤程度大于拱肩与拱顶位置。总体上看，数值模拟结果要小于现场测试损伤区深度，这是由于在数值模拟过程中未考虑爆破荷载作用，但数值模拟结果和现场测试数据具有一致性，吻合度较高。

图8 边墙区域块体间径向应力与切向应力

5 结束语

(1)对比不同位置波速突变情况可知，拱顶的损伤区和弹性区区分更为明显。

(2)数值模拟得到的开挖损伤区深度要小于单孔声波测试结果，但总体上具有一致性，吻合度较高。

(3)拱肩位置的损伤深度均小于边墙和拱顶位置，总体围岩损伤范围在1.7 m内；边墙处围岩的损伤程度大于拱顶和拱肩位置。