深埋地下洞室围岩脆性破坏影响因素及规律研究

赵 海 军

(山东华科规划建筑设计有限公司，山东 聊城 252000)

1 概述

深埋于地下的硬性岩体在高地应力作用下易于脆性破坏，如剥落、片帮、岩爆等。合理预测分析高地应力下围岩破坏范围，对于地下洞室施工初期支护设计参数选择十分必要[1]。针对硬脆性岩石破坏模拟分析，很多学者从不同的方面开展了相关的研究，结果显示采用常规的强度应力比或者弹塑性模型并不能很好的预测硬脆性岩石发生片帮的范围，并相应的给出了不同的预测方法，如m-0准则、CWFS模型、CSFH模型等[2-4]。地下洞室围岩破坏范围与岩体及岩体赋存环境相关，地应力和岩体强度不仅影响围岩塑性屈服范围，同时也影响屈服区位置等[5,6]，基于此本文利用m-0准则，采用Examine2D软件从埋深变化、侧压系数、地层岩性等不同角度对影响深埋地下洞室围岩脆性破坏的影响因素及规律进行研究，研究结果可加深对于硬岩脆性破坏的认知，为地下工程支护设计提供一定的参考。

2 屈服准则

Martin等对围岩脆性破坏进行了研究，其中，基于弹性模型的m-0准则应用较广泛。此准则考虑了地应力作用及岩体强度特性与岩石强度特性之间的不同，并认为岩体发生脆性破坏，主要是黏聚力丢失所致，摩擦角在脆性破坏时并未被激发，其作用可被忽略。该准则是在Hoek-Brown强度准则的基础上，将岩体质量参数m视为0，s=0.11，即:

σ1-σ3=Aσc

(1)

其中，σ1和σ3分别为最大、最小主应力；σc为岩石单轴抗压强度。

3 影响因素

围岩脆性破坏的影响因素很多，可分为自然因素和人为因素两类。此处利用m-0准则，采用RocScience公司的Examine2D软件从埋深变化、侧压系数、地层岩性等不同角度进行单一因素影响研究。

3.1 埋深

不同埋深情况下洞室围岩塑性屈服如图1所示。

由图1可知，对于同一种围岩而言，随着埋深的增加围岩塑性屈服区逐渐变深，即随着最大主应力量值的增加，围岩屈服破坏的可能性越大，进而进一步增加发生岩爆的可能。

3.2 侧压系数

不同侧压系数下围岩塑性屈服情况如图2所示。

由图2可知，侧压系数小于1.0时，随着侧压系数的增加，塑性区深度变化较小，但宽度方向明显发生变化。侧压系数达到1.0时，塑性屈服区主要分布于环洞壁方向，无明显V字形屈服区出现。侧压系数大于1.0时，V字形屈服区随之出现，但出现位置发生变化，由右拱肩变化至左拱肩，硬性围岩屈服范围随着主应力方向的变化而变化。

3.3 粘聚力

岩体粘聚力不同时，塑性破坏如图3所示。

由图3可知，随着岩体粘聚力强度增高，洞壁围岩塑性区范围逐渐降低，即围岩强度的增加，洞壁屈服岩体范围减小，围岩裂隙化减弱，进而发生岩爆的可能性降低。

3.4 摩擦角

岩体摩擦角不同时围岩释放应变能及应变能密度的影响如图4所示。

随着岩体摩擦强度的增高，洞壁围岩屈服区深度逐渐减小。即围岩强度的增加，洞壁屈服岩体范围减小，围岩裂隙化减弱，进而发生岩爆的可能性降低。

4 结语

本文在利用m-0准则，采用Examine2D软件从埋深变化、侧压系数、地层岩性等不同角度对影响深埋地下洞室围岩脆性破坏的影响因素及规律进行研究，得到以下认识：

1)对于同一种围岩而言，随着埋深的增加围岩塑性屈服区逐渐变深，即随着最大主应力量值的增加，围岩屈服破坏的可能性越大，进而进一步增加发生岩爆的可能。侧压系数对于硬性围岩屈服范围具有较大影响，当主应力方向发生变化时，V型破坏范围发生变化。2)岩体粘聚力和膜材强度的增高，将使得围岩塑性区范围逐渐降低，围岩裂隙化减弱，进而发生岩爆的可能性降低。

参考文献：

[1] 张传庆,冯夏庭,周 辉,等.深部试验隧洞围岩脆性破坏及数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2010,29(10):2063-2068.

[2] Hajiabdolmajid V,Kaiser P K,Martin C D.Modelling brittle failure of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002(39):731-741.

[3] Martin C D,Kaiser P K,McCreath DR.Hoek-Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels[J].Canadian Geotechnical Jorunal,1999,36(1):51-135.

[4] Kaiser P K,Tannnant D D,McCreat D R.Canadian Rockburst Support Handbook[M].Geomechanics Research Centre,1996．

[5] 王成虎,宋成科,刘立鹏.地下洞室围岩脆性破坏时的应力特征研究[J].岩土力学,2012(S1):1-7.

[6] 左建平,黄亚明,熊国军,等.脆性岩石破坏的能量跌落系数研究[J].岩土力学,2014(2):321-327.