开挖卸荷作用对洞室围岩稳定性的影响研究

樊姝芳 （韶关市矿产资源与地质环境监测中心，广东 韶关 512026）

随着国民经济的快速发展和城市化进程的日益加快，城市地下空间的开发利用越来越多的受到重视。经人工开凿形成的地下建筑统称为洞室，开挖空间周围应力状态发生改变的那部分岩体称为围岩。围岩是一种复杂介质体，其稳定性受多种因素的影响[1-4]，开挖卸荷作用是导致围岩变形和质量劣化的重要因素之一。从本质上来说岩体是非连续介质，是历经各种作用后的损伤岩体。岩体中的应力是残余应力在洞室开挖后的重新分布，岩体开挖的力学状态为卸荷。卸荷岩体力学是研究自然界及岩体工程中卸荷岩体在力及其他因素作用下岩体的卸荷力学性质及其工程应用的科学[5]。张倬元等[6]指出，卸荷作用将引起卸荷面附近岩体内部的应力重分布造成局部应力集中效应。由于岩体内结构面本身分布的不规则，开挖卸荷后结构面的角度、厚度、延展长度等均不一致，尤其是结构面的扩展和连通率的增大促使岩体各向异性增大[7]，在一定程度上劣化了岩体质量，对围岩的稳定性有很大影响。李建林[5]等系统地研究了卸荷岩体力学的基本内容，构筑了卸荷岩体力学的基本研究框架，为研究开挖卸荷效应提供了理论基础。

1 开挖前后围岩的应力状态

岩石的变形性质按卸载后变形是否可以恢复分为弹性和塑性两类。一般来说，岩石在变形的初始阶段呈弹性到后期呈塑性，故岩石的变形一般为弹塑性。卸荷岩体的力学特性包括变形特性和强度特性，通常我们通过本构关系表征卸荷岩体的变形特性，破坏准则体现其强度特性。

开挖前，岩体中每个点都受天然应力的作用处于相对平衡状态，表面为水平的半无限体，岩体容重为γ，在深度H 处，岩体的垂直应力为：σv=γH；水平应力为：σH=λσv。式中：λ 为岩体的侧压力系数，仅与μ 有关，一般取0.25～0.4。

开挖后，在不考虑支护作用的情况下，岩体的应力重分布为：

式中：α=a/r；a为开挖洞室的半径；r,θ 为围岩内任意点的极坐标；σr为初始地应力。

围岩的应力状态为：当洞室周边切向应力σθ满足，认为围岩处于塑性状态；满足，此时围岩中出现拉应力可能发生破坏。

2 围岩破坏的屈服准则及边界条件

随着岩石力学的发展，国内外学者提出了不同的岩石材料屈服准则，如M-C准则、D-P准则、Griffith准则、Hoek-Brown准则等。其中M-C准则可以很好地反映岩土材料的强度特性，并且其线性特征使解析计算的推导过程和公式更为简洁，因此被广泛应用。以Mohr-Coulomb准则为围岩破坏的屈服条件，即：f=σθ-ξσr=σco

根据强度准则，将上述公式等效到围岩应力重分布后的塑性区内，应力状态为：

在洞室开挖这个卸荷破坏的过程中岩体的变形和强度都明显弱化，围岩在一定范围内卸荷松驰甚至出现松动圈使得岩体强度降低造成围岩屈服或破坏。一般的弹塑性数值分析中岩体参数在计算过程中都为一恒量，而实际上这些参数是随着围岩应力的重分布不断变化的，上述准则在一般情况下并不适用于卸荷岩体。为此哈秋舲、李建林、周小平[8、9]等学者提出了卸荷岩体力学及卸荷岩体本构理论,得出岩体卸荷强度理论为：（σ1-σ3）2=s（σ1+σ3）+t（式中：s=m/c，t=2md/c2，参数s、t、β 可通过实验确定）。

3 工程实例

3.1 工程概况

某地下导流泄洪隧洞进口位于洮河右岸基岩山体上，基岩岩性为前震旦系马啣山群石英片岩夹白云质大理岩，隧洞进口方向NW325。隧洞全长765.0m，隧洞进口自然边坡35°～45°，强风化层厚约3.0m～4.0m，弱风化层厚约40.0m～50.0m，自然边坡稳定无不良物理地质现象，具有较好的进洞条件。由于风化作用，在施工期间洞口处边坡可能会发生局部掉块现象，进口段岩体较破碎、风化较强烈属Ⅳ类围岩，需加强支护。根据岩石强度、岩体完整性、引水线路通过的地质环境等因素，对隧洞围岩进行工程地质分类及分段稳定性评价，其中Ⅲ类围岩长约615.0m，Ⅳ类围岩长约150m，岩石力学指标详见下表。

引水隧洞岩体工程地质分类及力学参数建议值表 表1

图1 开挖前洞室围岩位移矢量图

图2 开挖前洞室围岩应力矢量图

图3 开挖后硐室围岩主应力矢量图

图4 开挖后硐室围岩Y方向应力云图

图5 开挖后硐室围岩位移云图

图6 开挖后硐室围岩位移矢量图

3.2 隧洞开挖卸荷模拟分析

3.2.1 开挖前洞室围岩的应力应变状态

据工程实际情况，对隧洞开挖前围岩的位移和应力进行模拟（图1，图2）。由图知，开挖前（即在天然应力状态下）在自重应力场的作用下，最大主应力随深度的增加而增加并在洞周出现应力集中（图2）；围岩位移也主要集中在洞口周边（图1）；远离洞室的岩体主要受重力作用，位移不是很明显。

3.2.2 开挖后洞室围岩的应力应变状态

考虑开挖卸荷作用的影响，参考相关资料和文献[10-13]，应用李建林、哈秋舲、周小平等学者的研究成果[5、8、9]，对开挖后的围岩应力应变状态进行模拟，见图3～图6。由图知，在开挖洞室的周边最大主应力集中较为严重（图3）；靠近隧洞时，应力方向与洞口方向水平，说明围岩稳定性受主应力变化的影响较大，而远离隧洞时几乎只受重力作用且主应力方向为垂直方向。由于初始应力场被破坏，洞顶处应力集中严重（图4），围岩位移较大（图5），在隧洞上方出现较大的剪切屈服区域，比开挖前明显；相对于开挖前，隧洞位移增加区域主要为接近洞口处（图6）。

4 结 论

开挖引起围岩应力的重分布，切向应力在临空洞壁附近发生高度集中使该区域的岩体进入塑性状态。随着开挖的进程，围岩塑性区不断向深部扩展，即围岩位移场和应力场的变化与开挖卸荷过程是紧密相关的，且围岩的应力应变是非线性的不可逆过程。因此，在实际工程中设计围岩支护加固方案时应考虑开挖卸荷作用的影响，建议采用非线性大变形力学方法制定合理措施确保施工安全。

[1]Hoek E.,Brown E.T.岩石地下工程[M].北京：冶金工业出版社，1986.

[2]周创兵,熊文林.双场耦合条件下裂隙岩体的渗透张量[J].岩石力学与工程学报，1996(4).

[3]刘世煌.拉西瓦水电站工程高地应力地区大型地下厂房洞群围岩稳定性研究[J].西北水电，1994(4).

[4]杨明举,关宝树,王民寿.岩体参数影响大型地下洞室群围岩稳定的灵敏度分析[J].西南交通大学学报，2000(5).

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[6]张倬元，等.工程地质分析原理[M].北京：中国地质出版社，2009.

[7]哈秋舲,刘国霖.岩石边坡卸荷岩体工程地质研究[M].北京：中国建工业出版社,1996.

[8]周小平,张永兴.卸荷岩体本构理论及其应用[M].北京：科学出版社,2007.

[9]哈秋舲,李建林,张永兴，等.节理岩体卸荷非线性岩体力学[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[10]谷兆祺,彭守拙,李仲奎.地下洞室工程[M].北京：清华大学出版社，1994.

[11]周小平,哈秋舲,张永兴.峰前围压卸荷条件下岩石的应力-应变全过程分析和变形局部化研究[J].岩石力学与工程学报，200518).

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[13]H.Q.XIE,CH.HE,study of unlodingcharacteristics of a rockmassusing thetri axiatestanddamage mechanince,terational Journal of Rockechanicsnd Mining Science,March,2004.