基于3DEC的隧道破碎围岩开挖变形破坏特征分析

基于3DEC的隧道破碎围岩开挖变形破坏特征分析

裴成元

  新疆水发建设集团有限公司  新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐市 830000

摘要：隧道开挖经常穿越不同级别围岩及断层破碎带，伴随着不同工况会诱发各种灾害。为探讨围岩在开挖过程中的力学性质、裂隙密度及埋设深度等因素对围岩稳定性的影响，本文基于三维离散元程序3DEC软件建立了DFN裂隙网络模型以及隧道开挖数值计算模型，在此基础上研究了岩石力学性质、裂隙密度以及隧道埋深对围岩变形位移以及应力变化的影响规律。

关键字：3DEC；围岩级别；裂隙密度；隧道埋深；围岩稳定性

1引言

隧道建设穿越断层破碎带时，容易发生塌方、大变形、突水突泥等工程事故，给建筑的建设不仅在经济方面，还在开展进程方面造成了很大的损害。严重威胁了施工安全。因此，如何保证隧道在施工以及运营期间能有较好的稳定性、较高的安全性都有十分重要的科研意义。

赵德昌[1]从断裂破裂带的产状与围岩压强分布之间的关系出发，根据野外的观测结果，发现断裂破裂带的构造特征与巷道内的应力分布具有一定的相关性。黄文生[2]等对大跨隧道通过断层破裂区的过程进行数值仿真，分析断层破裂区所处不同位置对隧道围岩稳定性的影响规律。王鲁南[3]通过数值模拟计算，分析了在不同埋深、不同掘进程度条件下，断裂围岩变形及应力的变化情况。钱发琪[4]通过三维建模，进行了某大跨软弱围岩隧道开挖时的围岩稳定性研究。杨修[5]根据数值模拟软件模拟了隧道开挖过程，分析了围岩变形及破坏特征，提出了合理的支护措施，为隧道开挖施工的安全性做了更好的保障。

本文对岩石力学性质、裂隙性质以及隧道埋深进行研究，总结隧道施工过程围岩稳定性的影响规律。通过构建裂隙网络模型以及隧道开挖数值计算模型，研究岩石力学性质、裂隙网络模型性质以及隧道埋深三方面因素对隧道开挖时围岩变形以及应力分布的影响规律，得出可以用于指导工程实践的结论，为隧道开挖时的岩体的稳定性评估和支护设计提供重要的参考依据。

2数值模型建立

根据前人研究[6]，对不同围岩等级下的物理力学参数进行确定，具体如下表1

表1隧道围岩体物理力学参数

采用控制变量法，选定不同岩石力学性质、裂隙密度以及埋深条件，分别研究其对围岩稳定性的影响规律，如下表2，在研究其中某一项影响因素时，固定其他影响因素为表中的标黄值。

表2隧道模型算例表

建立模型的长宽高分别设置为80m*20m*80m,隧道直径为7m，并在上述尺寸模型的基础上，进行模型裂隙网络构建。分别建立裂隙密度为0.1，0.3，0.5，0.7，0.9的裂隙网络模型，如图1所示。

图1数值模型

3 结果与讨论

3.1围岩级别对隧道施工过程中围岩稳定性影响分析

根据隧道在不同围岩级别情况下进行开挖，分析围岩稳定性，根据表2-2，在确定裂隙密度为0.5，隧道埋深为300m的条件下，分别进行围岩级别分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级情况下的数值模拟试验。主要分析在不同围岩级别条件下开挖时隧道最大位移以及在不同围岩级别条件下隧道最大位移处横截面位移进行对比来判断围岩级别对围岩变形以及应力分布变化规律的影响。

数值模拟结果表明，最大位移大多情况下出现于隧道上半区域，并且除了最大位移处，其他部位的位移左右两边大致对称，隧道侧面位移相对于隧道顶部或底部位移均偏小，但随着围岩级别的增大，拱腰位移逐渐增大。随着围岩级别的增加，隧道变形的最大位移随之增大，最大位移出现的位置往往位于裂隙密集处。对最大位移所在的横截面作了进一步分析，发现最大位移大多位于靠近隧道顶部的部位，且最大位移随着围岩级别增大呈现出增大的趋势。

隧道的最大主应力随围岩级别的增大而减小，但其分布区域随围岩级别的增大而增大。由塑性区图可知破坏形式基本为剪切破坏，破坏区域也随着围岩级别的增大而变大。而张拉破坏基本分布于隧道周围，且随围岩级别增大其分布范围也有所变大。

3.2裂隙密度对隧道施工过程中围岩稳定性影响分析

根据隧道在不同裂隙密度情况下进行开挖，分析围岩稳定性，根据表2-2，在确定围岩级别为Ⅲ，隧道埋深为300m的条件下，分别进行裂隙密度为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9情况下的数值模拟试验。主要分析在不同裂隙密度条件下开挖时隧道最大位移以及在不同围岩级别条件下隧道最大位移处横截面位移进行对比来判断围岩级别对围岩变形以及应力分布变化规律的影响。

数值模拟结果表明，随着裂隙密度的增加，隧道变形的最大位移随之增大，并且通过分析发现，最大位移出现的位置往往位于裂隙密集处。并且对最大位移所在的横截面作了进一步分析，研究发现最大位移大多位于隧道的上半区域，且该截面的最小位移往往处于隧道两侧水平中心处。

隧道的最大主应力随裂隙密度的增大而增大，其分布区域随裂隙密度的增大而略微增大，基本没有明显变化。由塑性区图可知破坏形式基本为剪切破坏，破坏区域变化不明显。而张拉破坏基本分布于隧道周围。在隧道施工时，要根据开挖环境、裂隙密度合理选择支护结构，在裂隙密度较大时，所受最大主应力有所增大。

3.3埋深对隧道施工过程中围岩稳定性影响分析

根据隧道在不同隧道埋深情况下进行开挖，分析围岩稳定性，根据表2-2，在确定围岩级别为Ⅲ，裂隙密度为0.5的条件下，分别进行隧道埋深为100m、200m、300m、400m、500m情况下的数值模拟试验。主要分析在不同埋深条件下开挖时隧道最大位移以及在不同埋深下隧道最大位移处横截面位移进行对比来判断埋深对围岩变形以及应力分布变化规律的影响。

数值模拟结果表明，随着隧道埋深的增加，隧道变形的最大位移也随之变大，并且通过分析发现，最大位移出现的位置往往位于裂隙密集处，裂隙密集处的位移普遍大于其他部位。并且对最大位移所在的横截面作了进一步分析，研究发现最大位移大多位于靠近隧道顶部或底部，同一截面隧道两侧的位移普遍小于隧道顶部与底部。              隧道的最大主应力及其分布也随着隧道的埋深而有增大的趋势。由塑性区图可知围岩所发生的破坏基本均为剪切破坏，虽然存在张拉破坏，但是其破坏区域范围较小。随着埋深深度的增大，剪切破坏的区域随之变大，分布在隧道周围，而张拉破坏也随深度增加逐渐出现但其破坏范围仍很小。

4 结论

本文主要考虑岩石力学性质、裂隙网络模型性质以及隧道埋深三方面因素对隧道开挖时围岩变形以及应力分布规律的影响，通过3DEC软件来建立数值模型，而后进行一系列的数值模拟计算，分析其模拟结果得出以下结论：

（1）建立在不同围岩级别下的数值模型，研究围岩级别对开挖过程中围岩稳定性的影响，研究发现：围岩级别的变化对于围岩位移变形的影响在本文所研究的三个因素中影响最大；围岩级别对于应力变化的影响是反比的，随着围岩级别的增大，围岩所能承受的应力的则减小，所以其最大应力随之减小。

（2）建立在不用的裂隙密度下的数值模型，研究裂隙密度对开挖过程中围岩稳定性的影响，研究发现：随着裂隙密度的增大，围岩位移变形也表现为随之增大的现象；随着裂隙密度的变化，围岩的最大主应力也随之增大。

（3）建立在不同埋深条件下的数值模型，研究隧道埋深对开挖过程中围岩稳定性的影响，研究发现:隧道埋深对与围岩的变形有着较大的影响，随着隧道的埋深的增大，隧道的最大位移也随之增大，并且呈现出良好的线性关系；隧道埋深对于围岩应力的变化有很大的影响。

参考文献

[1]赵德昌. 断层破碎带围岩压力[J]. 矿山压力与顶板管理, 1996(04): 65-66.

[2]黄生文, 司铁汉, 陈文胜, 等. 断层对大跨度隧道围岩应力影响的有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006(S2): 3788-3793.

[3]王鲁南. 隧道穿越断层破碎带施工风险分析及围岩变形规律研究[D]. 山东大学, 2012.

[4]钱发琪. 大跨软岩隧道开挖围岩稳定性研究[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2013,30(06): 134-137.

[5]杨修. 深埋水平岩层隧道开挖围岩稳定性分析[D]. 北京交通大学, 2013.

[6]周轮. 基于位移监测的隐伏溶洞预测方法及围岩变形特征分析[D]. 山东大学, 2017.