圆形巷道掌子面推进围岩应力变化规律研究

李卫兵，刘斌

(北京振冲工程股份有限公司)

1 概述

地下工程岩体开挖，掌子面逐渐推进，初始平衡地应力场遭到人为扰动，产生应力动态调整重分布现象。传统岩石 （体）力学理论中基于平面应变假设，利用弹性力学计算得到洞室开挖后洞壁围岩应力分布特征，进而在这一基础上提出支护加固方案等。岩体中次生裂隙的发育随着主应力量值变化而变化 （图1），工程中无论采用钻爆法抑或TBM等其他对围岩较小扰动的施工方法开挖洞室，距掌子面一定范围围岩内应力必将随掌子面推进而逐步变化，进而围岩中次生裂隙随着掌子面推进而动态发育 （长度、宽度、发育方向等），故而对掌子面推进过程中洞壁围岩应力变化特征进行研究，有利于深刻认识围岩中裂隙发育变化特征。同时，由于构造及成岩等作用的影响，地下岩体所处地应力环境十分复杂，研究不同初始地应力场中，掌子面推进过程中洞壁围岩应力发育的规律，可为地下洞室前期设计中洞室主轴方向的选择提供一定的参考，对洞室围岩支护措施及支护时机的选择具有重要的意义。

图1 主应力量值对裂隙发育的影响

国内外已有部分学者认识到应力变化对围岩稳定的影响，并对这一变化特征进行了研究分析，但对其变化特征的规律总结却并不多见。针对上述问题，文章中利用数值分析软件，模拟分析处于不同地应力场环境下的圆形洞室开挖进程，对掌子面推进中围岩应力变化规律进行研究总结。

2 模型建立情况

地下洞室前期设计中一般要对工程区域地应力进行实测或参考已有相近工程及其他相关地应力资料，根据实际地应力分布情况及地下工程设计意图等因素，对洞室主轴方向与初始地应力场中最大主应力方向间组合形式进行选择，而最大主应力与洞室主轴间排列关系不同，洞壁围岩应力在掌子面推进中将分别表现出不同的变化特征。文章中分别对最大主应力平行洞室主轴、水平垂直洞轴、竖直垂直洞轴3种不同情况时，洞壁浅部围岩应力于掌子面推进中的发展变化特征进行分析研究，其中岩体弹模E=63.0329GPa，泊松比μ=0.28，洞径D=5m。为监测围岩应力变化特征，垂直洞轴向设一监测平面，环洞壁方向共布置40个监测点（θ顺时针方向为正），监测点布置情况见图2，其中L为掌子面与监测面之间的距离（未穿过监测面前L为负，穿过后为正）。

其中，数值分析模型见图3，共含32799个节点，31160个单元。

图2 监测点布置示意图

图3 数值模型

3 不同初始应力场下应力变化特征

关于岩体的天然应力场变化特征，E.T.Brown和E.Hoek、朱焕春等基于地应力实测结果对世界及中国大陆板块初始地应力分布特征进行了回归分析，此处不一一介绍，仅假设最大初始地应力分别平行洞轴、垂直洞轴情况，亦即地下洞室设计中洞轴与地应力场排布方式的一般情况。

3.1 最大主应力平行洞轴方向

初始地应力分布情况为：σ₁=20MPa、σ₂=15MPa、σ₃=10MPa，σ₁平行洞轴，σ₂水平垂直洞轴，σ₃竖直垂直洞轴。掌子面推进过程，监测点σ₁、σ₂及σ₃变化情况见图4～图6。

由图4（a）可知，监测点围岩最大主应力首先发生微降。掌子面距离监测面约-3.1～-2.1m左右距离时，最大主应力开始反弹增加。同时，随着掌子面的进一步推进，洞壁不同部位围岩间最大主应力表现出不同的分布变化特征，即表现为不同的幅值增加。掌子面穿过监测面后 [图4（b）]，一定范围内 （0.1～1.9m），σ₁表现为明显地降低，但降低幅值不同。随掌子面进一步远离监测面，不同部位点σ₁ 表现为继续降低或增加两种不同变化，并在θ=90°和θ=270°处达到最大 （28MPa，增幅约40%），θ=0和θ=180°处最小 （19MPa），并于距监测面约5m（1.0D）外，逐渐保持稳定，趋于理论解析解。

图4 掌子面推进过程中洞壁围岩最大主应力变化

图5 掌子面推进过程中洞壁围岩中主应力变化

由图5掌子面推进过程中洞壁围岩中主应力σ₂变化情况可知，在掌子面接近监测面过程中［图5（a）］，当L约为-5.0m时（-D），σ₂发生明显变化，同时环洞壁不同部位围岩σ₂变化特征不一，一般θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₂呈现先增加后减小变化，而θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围内σ₂量值逐渐增加。掌子面穿过监测面后［图5（b）］，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₂先降低后增加，而θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围内σ₂则先升高再降低，最终环洞壁方向呈波浪形分布，并于距离监测面约5.0m（D）范围外，逐渐趋于恒定值。

图6 掌子面推进过程中洞壁围岩最小主应力变化

掌子面逐渐靠近监测面过程中［图6（a）］，当掌子面距离监测面约-5.1m（-D）时，洞壁围岩最小主应力发生较为明显变化，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₃量值增加，而θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围内σ₃则表现为先减小后增加变化。掌子面穿过监测面后［图6（b）］，较小范围内，环洞壁方向围岩σ₃皆发生降低，但并不突降至0，而是由于掌子面压力拱效益，在开挖穿过监测面2.5m范围内逐渐变化至较低值。由于数值模拟剖分的局限性，监测点所监测位置为单元主应力变化情况，距离开挖临空面具有较小距离，故随着掌子面的逐渐远离，监测点位置σ₃并不降低至零值，且沿洞壁环向具有较小起伏变化。

3.2 最大主应力水平垂直洞轴方向

初始地应力分布情况为：σ₁=20MPa、σ₂=15MPa、σ₃=10MPa，σ₁水平垂直洞轴，σ₂平行洞轴，σ₃竖直垂直洞轴。各监测点σ₁、σ₂及σ₃变化情况见图7～图9。

图7 掌子面推进过程中洞壁围岩最大主应力变化

由图7（a）可知，掌子面临近监测面至-3.1～-2.1m时（-0.5D），σ₁发生较为明显的变化，并在掌子面未穿过监测面的过程中，最大主应力一直保持为增加变化，但随所处位置不同，增幅略有变化。由图7（b）可知，掌子面穿过监测面后，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₁量值表现为先减小后增加变化，而θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围内最大主应力σ₁皆为增大过程。环洞壁方向围岩应力在距离监测面约5.0m（D）距离时，趋于稳定值（理论解析解）。

图8 掌子面推进过程中洞壁围岩中主应力变化

由掌子面推进过程中洞壁围岩中主应力σ₂变化可知，当L达到-3.1～-2.1m左右时［图8（a）］，洞壁围岩中主应力开始发生较为明显变化，一般皆为先降低后增加变化，但随所处位置不同，各点应力变化量值不同，θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围σ₂量值增加幅值较大。由图8（b）可知，掌子面穿过监测面后，σ₂量值皆表现为逐渐降低变化，环洞壁呈波浪形分布，并于L大于2.5m范围外，逐渐趋于一稳定值。

图9 掌子面推进过程中洞壁围岩最小主应力变化

图9为掌子面推进过程中洞壁围岩最小主应力变化过程，由图9可知，掌子面未穿过监测面前，当L达到-3.1～-2.1m左右时（图9-a），洞壁围岩最小主应力σ₃开始发生较为明显的变化，环洞壁监测点不同部位变化特征不一，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₃量值为增加过程，而θ∈（45°，135°）及（225°，315°）范围内σ₃则表现为先降低后增加变化。掌子面穿过监测面后［图9（b）］，最小主应力皆表现为降低变化，在掌子面与监测面之间距离大于2.5m（0.5D）范围外，基本保持恒定值。

3.3 最大主应力竖直垂直洞轴方向

初始地应力分布情况：σ₁=20MPa、σ₂=15MPa、σ₃=10MPa，σ₁竖直垂直洞轴方向，σ₂垂直洞轴，σ₃平行洞轴分布。掌子面推进过程，监测点σ₁、σ₂及σ₃变化情况见图10～图12。

图10 掌子面推进过程中洞壁围岩最大主应力变化

由图10可知，掌子面未贯穿监测面前，当L达到-3.1m～-2.1m左右时［图10（a）］，洞壁围岩σ₁开始发生较为明显的变化，皆表现为增加变化特征，但随所处洞壁位置不同，变化量值不同。掌子面穿过监测面后［L>0，图10（b）］，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₁表现为增加变化，而θ∈（45°，135°）、（225°，315°）范围内σ₁则为先减小后增加过程，不同部位洞壁围岩中σ₁变化幅度不同，最终逐渐呈波浪型分布特征，而在掌子面与监测面之间距离达到5.0m（D）距离左右后，围岩中最大主应力σ₁量值逐渐趋于弹性力学解析解值。

图11 掌子面推进过程中洞壁围岩中主应力变化

由图11洞壁围岩中主应力σ₂变化可知，掌子面推进过程中，掌子面未贯通监测面前，L接近-0.5D范围时，σ₂开始发生较为明显变化，环洞壁围岩中主应力σ₂皆表现为增加变化。掌子面穿过监测面后［图11（b）］，σ₂皆表现为先减小后增加变化，并于环洞壁方向呈波浪形分布特征，最终当L约等于0.5D范围外时，逐渐接近一稳定值。

图12 掌子面推进过程中洞壁围岩最小主应力变化

由图12洞壁岩体中最小主应力σ₃变化特征可知，掌子面未贯穿监测面前［图12（a）］，由于地下洞室开挖，围岩应力重分布，环洞壁围岩中最小主应力皆表现为先增加后减小变化。而当掌子面穿过监测面后［图12（b）］，θ∈（-45°，45°）及（135°，225°）范围内σ₁表现为先减小后增加变化，而θ∈（45°，135°）、（225°，315°）范围内σ₁则为减小变化，并最终于环洞壁方向呈波浪型分布特征。

不同初始应力场情况下，掌子面未贯穿、贯穿监测面前后，洞壁围岩主应力变化特征如表1所示。

表1 不同初始地应力场时主应力变化特征

续表

由表1可知，不同初始应力场情况下，洞壁围岩主应力分别表现出不同变化特征，同时，保持主应力变化量值不变的临界距离L_lim亦不相同，一般皆为开挖洞径一倍范围内，即地下岩石工程中，随洞室、巷道开挖，掌子面前后一倍洞径范围内，围岩主应力发生较为明显的变化。洞壁最终最大主应力随初始应力场不同而不同，一般对于洞轴与最大主应力平行布置情况，二次应力场中最大主应力相对增量最小，即相对于其他两种情况最有利于洞室稳定。同时由主应力变化特征可知，在掌子面即将穿过监测面及穿过监测面很小范围内，由于掌子面支撑作用的突然消失，围岩主应力将发生明显的突变，且变化特征较为紊乱，势必导致洞壁围岩开挖诱发裂隙方位的多次变化，并最终随掌子面进一步推进，加剧围岩裂隙化，形成宏观裂隙面。同时，由地下洞室开挖监测结果可知，围岩由于裂隙产生、发育、融合、贯通等所产生的声发射现象基本集中于洞壁一倍范围内，即掌子面推进过程中，洞室掌子面后方1倍洞径内的临时支护措施十分必要，而对于岩爆、冲击地压等高地应力情况下所具有的特性灾害风险的地下洞室开挖，则主要为掌子面后方的及时支护（临时、永久支护），及掌子面前方一倍洞径以内的应力、能量释放措施。

4 结论

通过对不同初始地应力情况下的地下洞室开挖，掌子面推进过程中洞壁围岩应力发展变化进行研究，得到了以下结论及认识：

（1）初始最大主应力平行洞轴时，掌子面未穿过监测面时，不同部位二次应力中σ₁皆表现为先减小后增加变化趋势，而σ₂、σ₃既有先降低后升高又有单纯升高变化。掌子面穿过监测面后，σ₃表现为单纯减小过程，而σ₁、σ₂随着环洞壁部位的不同，变化较为复杂，表现为先增加后减小或先减小后增大变化。

（2）初始最大主应力水平垂直洞轴时，掌子面未贯穿监测面时，二次应力中σ₁量值皆为变大，σ₂则为先降低后增大变化，σ₃则随着部位不同分别表现为单纯增加和先增加后升高两种不同变化特征。掌子面贯穿监测面后，σ₂、σ₃皆表现为降低过程，而σ₁则既有单纯升高又有先降低后升高变化特征。

（3）初始最大主应力竖直垂直洞轴时，掌子面未贯通监测面时，二次应力中σ₁、σ₂量值皆发生增大变化，σ₃则表现为先增加后降低特征。掌子面贯通监测面后，不同部位主应力分别表现为单纯升高、降低以及先降低后增加变化特征。

（4）洞轴与初始应力场最大主应力排布方式不同，二次应力场中最大主应力量值不同，对于洞室稳定性而言，初始最大主应力与洞轴平行时，最有利于洞轴平行。

（5）围岩裂隙产生、发育、融合、贯通等过程，一般发生于掌子面前后一倍洞径范围内，而这一范围亦为临时支护的关键范围，同时亦是高地应力情况下应力、能量释放措施施加的合理有效范围。

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