王 洋， 王贵宾，2， 唐明豪， 张君岳， 黄路云

(1. 湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；3.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)

0 引 言

深层地质处置是国际公认的可行的高放射性废物处置方法，即高放射性废物埋在地下500～1 000 m深的地质处置库[1]。在处置库开挖期间，卸荷行为引起岩体的内部应力重新分布，并且岩体的力学性质在一定范围内显著变化，形成开挖损伤区(Excavation Damage Zone,EDZ)[2]。开挖损伤区内由于新裂隙的产生和原有裂隙的发展，使围岩的渗透率变大，为核素迁移提供潜在通道。因此，划定损伤区的范围对于高放废物处置工程非常重要。

对于核废料或其他地下深层地质处置库，前人对开挖损伤区(EDZ)进行了大量研究，取得了一系列成果。研究热点主要集中在：Diederichs等[3]依赖于经验方法预测脆性岩体中应力集中引起的开挖深度相关损伤。Hudsone等[4]完成了给定特殊情况下的开挖损伤区数值模拟研究方法。Shen等[5]应用FRACOD程序通过添加爆破诱导裂纹模拟了多个地下实验室巷道EDZ渗透特性获得了与实测渗透性和模拟结果吻合。Perras等[6]基于过去利用连续介质模型进行脆性损伤预测的研究进展，对EDZ的深度进行了数值研究，利用离散变量分析方法预测的深度进行了评价，并提出了确定脆性岩体圆形开挖周围EDZ深度的指导原则。Martin[7]等通过采用内聚弱化摩擦强度的方法或类似方法捕获脆性岩石损伤和剥落，反分析数值模拟法已被证明是最佳捕获方法。Perras等[8]通过统计学评估，利用大量数据和测试最佳、平均与最差的结果评价出参数对数值模型的输入特性。M. Cai 等[9]利用微观模型，分别对裂隙密度和裂隙的分布对损伤及其范围进行了定量评估。本文借助Diederichs的损伤起始-劈裂界限(DISL)方法对北山深地质处置库开挖损伤区(EDZ)深度的预测和分区数值指标进行数值计算。

1 工程概况及力学实验

1.1 北山坑探设施工程概况

北山坑探设施岩石整体质量良好，试验场址靠近十月井断裂带，岩石破碎较强烈[10]。其中，为研究花岗岩巷道内开挖损伤演化规律，评价各种技术手段表征EDZ的适宜性，为将来地下实验室EDZ研究提出研究技术体系，在此坑探设施内结合“北山坑探设施”现场钻爆试验，应用了多种技术方法对EDZ进行测量和评价。研究花岗岩内开挖EDZ演化特征，为地下实验室EDZ研究提出评价技术体系。

1.2 岩石力学实验

岩石力学特性参数试验包括：单轴压缩试验、抗拉强度试验。北山花岗岩单轴压缩试验和抗拉强度试验在RMT-150C岩石力学试验机上完成。

1.2.1 单轴压缩实验

单轴压缩试验是为获得岩石在单轴压缩条件下的强度、弹性模量和泊松比等参数。实验采用轴向应变控制，应变率选择10-3mm/s。试验时向计算机输入试件的直径D、高度h及传感器的有关参数，系统自动记录试验时的力、应力(由力值及试件面积自动算出)、应变、位移等参数，供试验后整理所需要的参数值，单轴压缩实验结果见表1。

表1 单轴压缩变形实验结果

1.2.2 抗拉强度实验

抗拉强度试验采用劈裂法，是一种间接拉伸强度试验方法。试验时，将试件放入专门的夹具中，使用150 kN的压力档，按每秒钟约400N的速率(相当于0.2MPa/s)加载，直至破坏，记录破坏的压力值，抗拉强度实验结果见表2。

表2 岩心抗拉强度实验结果

2 数值模拟

参考“北山坑探设施”结构断面形式，借助加拿大Phase2软件，基于前人建立的围岩力学数值模型，开展了高放废物处置工程硐室开挖扰动区研究。作为典型的平面应变问题，为了简化数值计算过程，研究开展了二维数值模拟分析。

本次开挖根据北山坑探设施结构断面形式在 700m 深度下进行开挖模拟，主要研究开挖后损伤区范围及分区数值指标。

2.1 模型和参数确定

基于广义 Hoeke-Brown 准则，Diederichs[3]提出了一种裂隙初始-劈裂界限(DISL)模型，用于预测岩体的脆性破坏，并描述了岩体的脆性破坏特征。广义 Hoeke-Brown 准则的表达式为：

其中s值从峰值下降到残余值表示黏结强度的损失，并且增加m的值表示摩擦强度的调动。对应于DISL 模型的强度曲线如图1所示，其中裂隙初始临界线由式中的峰值参数确定，劈裂界限曲线由残余参数确定，两条线的曲率由常数a值的大小反映。Diederichs 建议，a的峰值和残余值分别取 0.25、0.75。从图1中可以看出，从开挖面到损伤区域内部，随着区域应力的增加，岩体表现出应变软化和应变硬化行为。

研究表明，由于受围岩中分布的裂隙影响，北山花岗岩现场强度小于室内完整岩体的力学强度，C.D.Martin[7]认为，实验岩样的起裂应力阈值σci可以作为开挖面附近完整岩体的强度。对于大多数脆性岩石，起裂应力阈值为(0.3～0.5)σc。对于北山花岗岩，从上文可知单轴抗压强度(UCS)约为161.530 MPa，起裂应力阈值σci约为50 MPa ，抗拉强度约为10.88 MPa；弹性模量58.237 GPa，泊松比0.277。岩体模型参数见表3[3,11]。

图1 裂隙初始-劈裂界限模型强度曲线

表3 DISL模型输入参数

2.2 应力条件确定

针对甘肃北山预选区地应力场分布特征和围岩力学特性，开展开挖后损伤区范围及分区数值指标研究。根据北山预选区 700m 深度范围内已测地应力可知北山预选区地应力与深度拟合关系式为[12]：

σv=0.0265H

σH=0.02H+4.526

σh=0.015H+2.613

式中：σv是根据岩石埋藏深度计算的垂直主应力,MPa；σH是水平最大主应力，MPa;σh是水平最小主应力，MPa;H是深度。

根据北山地应力分布特征，垂直应力σv设定为18.5 MPa，水平应力σH设定为18.5 MPa，σh设定为13.1 MPa。

2.3 开挖硐室形状和边界条件设置

本文对北山坑探设施的构造剖面进行了建模，外边界范围取开挖半径的5倍，消除边界效应，对模型施加完全约束。本次建模中，单元长度取0.04 m，距离边界1.5 m范围内均匀分布，区域外围网格密度减小，计算模型如图2所示。

图2 计算网格模型图

3 计算结果

3.1 开挖损伤区的数值分析

为了模拟巷道渐进开挖效应，本文采用荷载释放法，控制原岩应力逐步作用于开挖边界上[13]。在最小主应力方向上进行开挖，通过软件中的分段加载方法将以4%的速率释放应力，共25个阶段。随着地应力逐渐释放，损伤区不断扩展，拱顶及边墙产生明显的损伤区，计算结果如图3所示。

图3 不同步数下损伤区形状

通过计算结果可以看出，巷道拱顶区域的损伤区深度逐渐增加，达到1.56 m，拱腰深度达到1.4 m，侧壁的深度达到1.1 m，拱顶强度逐渐减小,损伤区深度逐渐增大。

3.2 开挖损伤区的分区指标

开挖损伤区(EDZs)是指挖掘后工作面附近的应力释放形成的扰动或损伤区域[14]。开挖过程中损伤区的演化过程和深度预测也是核废料储存和深层处置库工程最关注的问题[15]。

随着对开挖损伤区(EDZs)理解的增加，这一概念也不断得到发展和修改，如图4所示。开挖损伤区 (EDZs)是一个统称，包括高度损伤区 HDZ(Highly Damage Zone)、开挖损伤区 EDZ(Excavation Damage Zone)和开挖影响区 EIZ(Excavation Influence Zone)。

图4 开挖损伤区示意图

在开挖影响区(EIZ)，岩石不发生塑性行为。在 EIZ 的外边界处，岩体的应力状态接近原始岩石应力，EIZ 的范围可以通过数值计算确定， EIZ 之外的区域对核废料深层处置库的开挖影响较小。

在开挖损伤区(EDZ)，岩体发生非弹性变形，岩体渗透率在外边界上大大增加，而岩体在内部边界上的渗透率增加了 100倍[16]。在 EDZ和EIZ交接处，损伤的本质与完整岩石结构相关，而在EDZ与HDZ的交界处，一些损伤彼此连通。在此研究基础上，EDZ可以继续划分为两个渐进区域，即EDZi(the inner of excavation damage zone)和EDZo(the outer of excavation damage zone)，这两个渐进边界可以通过诸如孔隙率，渗透系数和导电率的参数确定。

在高度损伤区(HDZ)，裂纹相互连通并与岩体内部存在的裂纹相互连接，形成宏观破坏。在该区域，新的裂缝和层状滑移是连续的，具有显著的塑性应变、裂纹连通和拉伸破坏。对于北山花岗岩，EDZ与HDZ之间的边界相对明显，而对于软岩，边界则相对缓和。HDZ的范围可以通过改进的挖掘方法来控制。

结合数值模拟结果，主应力、屈服单元、体积应变和剪切应变可以作为开挖损伤区各区域的分区指标，沿垂直方向从拱顶向边界取直线，将主应力、屈服单元、体积应变和剪切应变沿此直线改变情况绘制在图5中。从图5中可以看出，剪切应变和体积应变的快速下降对应于最小主应力开始增加的点，因此该范围被认为是 HDZ。之后最大和最小主应力值迅速增加，剪切应变发生变化，体积应变逐渐减小，最大和最小主应力值增加率达到最大值，该范围被认为是 EDZi。从EDZi过度到EDZo，所有值都朝向平衡值发展，最大和最小主应力增长速率在此阶段放缓，屈服百分率开始急剧下降，直到达到零，则该范围被认为是 EDZo。继续远离开挖面，剪切应变和体积应变值趋于零，屈服百分率为零，则该范围被认为是 EIZ。

图5 主应力、屈服率、体积应变、剪切应变随距离开挖面的变化以及损伤区分区标志

根据以上分析，可以得到破坏区的分区：当从高度损伤区过渡到开挖损伤区的外边界时，最小主应力(几乎零值)从开挖面上的值增加。体积应变值最大，剪切应变远离开挖面急剧减小；从开挖损伤区外边界过渡到开挖损伤区内边界时，体积应变逐渐减小，屈服百分率开始急剧减小；而从开挖损伤区过渡到开挖影响区时，很明显出现了屈服百分率为零。

4 结 论

本文以北山坑探设施EDZ试验巷道开挖过程为背景，考虑700m深度应力下的岩石力学行为，围绕开挖损伤区的形成演化机制，通过数值模拟方法，采用裂隙初始-劈裂界限(DISL)模型对脆性岩体的损伤破坏进行了数值模拟与分析，圈定了开挖扰动区的范围与分区指标的预测，获得如下结论：

(1)在损伤起始-劈裂界限(DISL)模型中，岩石黏聚强度与摩擦强度的演化过程主要依赖于塑性参数的发展。随着塑性变形的增加，岩石的黏聚力逐渐减小，摩擦强度逐渐增大。

(2)隧道开挖模拟方法有瞬时卸荷和渐进开挖，在其他条件相同的情况下，不同的模拟方法会产生不同范围的损伤区。在数值计算中，选择正确的模型与方法表达实际工程岩体有为重要。

(3)不同地应力水平下，岩体开挖瞬间的卸荷作用对岩体的影响各不相同，当地应力水平较低时，开挖荷载对围岩损伤较小，当岩体处于高地应力水平时，开挖荷载的卸荷作用对围岩损伤效应显著。

(4)通过数值模拟试验圈定了分区指标：HDZ-EDZi：最小主应力从开挖面上的值(几乎零值)开始增长；体积应变值最大；剪切应变随远离开挖面急剧减小；EDZi-EDZo：体积应变逐渐减小，屈服百分率开始急剧下降； EDZo-EIZ：屈服百分率为零。