隧道围岩不稳定性破坏机制：不同结构面位置与倾斜角度的影响

《Journal of Destination Marketing & Management》：Instability damage mechanism of tunnel surrounding rock with different locations and inclination angles of structural plane

　　

吴邦标|姜嘉华|姚伟|夏凯文

中国天津大学土木工程学院水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津300072

摘要

不同倾斜角度和位置的结构面对隧道围岩不稳定机制的影响深远而复杂，因此需要全面研究其背后的机制。本研究基于天然岩石的力学性质和正交试验原理，精心设计了相似的材料来制作模拟地下隧道环境的薄板试样。随后，使用专用测试机对这些薄板试样进行双轴加载，以重现地下隧道的原位加载条件。加载过程通过高速摄像机实时捕捉，从而能够应用数字图像相关（DIC）技术分析试样的力学性质。实验结果表明，隧道周围不同位置和倾斜角度的结构面的存在对围岩的关键力学性质（包括强度、能量、位移和应变）有显著影响。具体而言，当结构面位于拱顶和侧壁区域时，围岩的不稳定过程对结构面的倾斜角度非常敏感。本研究识别出四种不同的围岩破坏模式并进行了系统分析，并划分了隧道围岩不稳定的三个阶段。这些发现为预防和减轻与隧道围岩不稳定性相关的危害提供了宝贵的理论见解和实际指导，有助于提高隧道工程应用的安全性和稳定性。

引言

随着岩石工程项目向地壳更深处延伸，岩石工程的稳定性变得越来越重要，因为这些地区的构造活动更加频繁（Amann等人，2011年；Gong等人，2018年；Su等人，2023a年；Zhu等人，2022a年）。特别是在隧道施工中，围岩的稳定性直接影响项目的安全性。结构面（通常称为弱面）在天然岩层中普遍存在，并显著影响岩石力学性质，包括变形、强度和其他力学特性（Andersson和Martin，2009年；Dong等人，2020年，Dong等人，2019年；Kaiser和Kim，2015年；Li等人，2017年，Read，2004年，Ryder，1988年，Wang等人，2022年，Yang等人，2015年，Zhao等人，2021年；Zhu等人，2022a年）。隧道围岩中的应力分布受外部因素的影响，而隧道附近的结构面的存在会严重损害稳定性（Feng等人，2015年；Feng等人，2019b年；He等人，2021年，Hu等人，2019年，Wang等人，2023年，Xu等人，2023年）。深度岩石工程中的案例研究进一步强调了结构面在引发和控制围岩不稳定演化中的作用（Durrheim等人，1998年；Feng等人，2019a年；Keneti和Sainsbury，2018年；Lee等人，1996年，Zhou等人，2015年）。

为了模拟结构面对隧道稳定性的影响，研究人员开发了含有结构面的试样用于实验室力学测试。一些人认为结构面的长度应小于隧道半径（Su等人，2023b年），而另一些人则认为应大于隧道半径（Cheng等人，2021年）。后续研究发现，当结构面的长度接近隧道半径时，对围岩稳定性的影响最能被准确模拟（Cheng等人，2023年；Qiu等人，2023年）。

近年来，人们研究了不同形状的隧道轮廓。例如，已经广泛进行了含有结构面的圆形隧道试样的双轴加载测试（Cheng等人，2021年；Cheng等人，2023年；Hu等人，2019年；Su等人，2023b年；Wu等人，2022年；Wu等人，2024b年）。Jiang等人（2010年）、Li等人（2017年）和Si等人（2022年）的研究表明，即使是在隧道周围的小规模结构面也可能引发岩石爆炸，这突出显示了结构面在控制岩石爆炸发生中的重要作用。Yang等人（2019年）通过单轴压缩下的结构建模测试研究了结构面与隧道之间的相互作用。结果发现，倾角为90°的结构面对岩石试样的力学行为影响最小。Feng等人（2019a年）发现位于侧壁的暴露结构面更容易引发岩石爆炸。Su等人（2023b年）对含有倾斜角度为0°至90°的结构面的花岗岩试样进行了双轴压缩测试。结果表明，结构面倾斜角度为0°和90°的试样比其他角度的试样具有更高的稳定性和较低的岩石爆炸强度。Qiu等人（2023年）使用SPHB系统对不同位置含有结构面的马蹄形隧道试样进行了动态响应测试。他们的结果表明，结构面对岩石爆炸的演化有显著影响，倾角的变化会影响岩石爆炸过程中释放的能量。结构面倾角的变化也会影响周围岩石的应变演化。

然而，这些研究主要集中在特定的倾斜角度上，常常忽略了边界效应，而边界效应对于理解应力分布至关重要。结构面的位置和倾斜角度会给围岩的不稳定机制引入复杂的因素。边界效应进一步复杂化了应力分布的演化，小的边界范围会放大这些效应（Wu等人，2024a年；Zhang等人，2024年）。忽视这些因素可能会降低这些研究在实际隧道工程中的应用价值。

尽管取得了显著进展，但结构面的位置和倾斜角度对岩石爆炸的影响机制仍不够明确。为了解决这个问题，研究人员对位于不同位置（拱顶、拱部和侧壁）和不同角度（30°至150°）的结构面进行了双轴加载实验。实验表明，当试样尺寸超过隧道直径的2-5倍时，边界效应可以忽略不计（Cheng等人，2023年；He等人，2023年；Si等人，2022年；Yang等人，2019年）。考虑到实验室的限制，其中隧道中心到边界的距离设置为马蹄形孔直径的2.5倍。本研究利用DIC分析及相关方法，研究了含有结构面的围岩的位移演化、应变演化、能量性质和不稳定性机制。

节选

试样制备和实验程序

原始的工程岩石试样来自四川省甘孜藏族自治州的一条高原铁路线。经过加工和抛光后，制备了标准的岩石试样。随后，这些试样接受了单轴压缩强度测试和巴西圆盘劈裂拉伸测试，以全面评估其力学性质。

含有结构面的试样的强度和能量性质

根据加载历史，试样的破坏强度和输入能量分别绘制在图4中并列在表3中。如图4(a)和图4(b)所示，破坏强度和总输入能量随着结构面的倾斜角度和位置的变化而显著变化。没有结构面的试样记录了最高的总输入能量，达到11.89焦耳。相比之下，含有结构面的试样显示出较低的输入能量。

不稳定破坏模式

根据试样的破坏过程、结构面附近的相对位移以及应变集中程度，识别了几种不同的隧道围岩不稳定破坏模式。

当侧壁中的结构面倾斜角度小于90°时，剪切应力会在结构面附近集中，从而引发裂缝的形成和扩展。

结论

本研究探讨了结构面位置和倾斜角度对隧道围岩不稳定过程的影响。对四种结构面配置进行了双轴加载测试：无结构面、拱顶位置的结构面、拱部位置的结构面和侧壁位置的结构面。具体结论如下：

• 结构面的影响：结构面显著改变了围岩的位移和应变演化，其中

CRediT作者贡献声明

吴邦标：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查，资金获取，正式分析，概念构思。姜嘉华：撰写——初稿，调查，正式分析。姚伟：撰写——审稿与编辑，方法学，资金获取，概念构思。夏凯文：监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42377147和12572458）的研究资助。