杨 悦 陈孝国 刘纪峰 付晓强
(1.三明学院建筑工程学院，福建 三明 365004； 2.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 3.工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室(三明学院)，福建 三明 365004； 4.三明学院信息工程学院，福建 三明 365004)
0 引言
TBM(Tunnel Boring Machine)全断面掘进机适用于软岩和硬岩的隧道掘进方法，掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业。全断面掘进机是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用正在迅猛增长[1]。
在破碎岩体力学性质方面已经有一定的研究成果，金丰年等[2,3]利用数值模拟方法针对南京九华山隧道的破碎度研究了围岩稳定性。邓国华等[4]对黄土隧道围岩的结构变化特征进行了详细分析，得到了一些有意义的结论。孙晓勇[5]对断层破碎带中的隧道支护结构背后注浆层对管片受力的影响进行了研究。杨悦等[6-9]利用数值模拟和理论解析的方法研究了深部隧道围岩变形和支护结构力学性质随着盾构机开挖进行的演化规律，得出一些重要结论，但是没有涉及到岩体破碎性的影响。张子新等[10]针对黏性土地层中盾构隧道开挖面支护压力计算方法进行了探讨。关于TBM(盾构)施工隧道的力学性质研究成果诸多[11-13]，但是关于岩体破碎带的影响的研究内容相对较少，本文拟对此进行研究。
1 岩体破碎度指标
1.1 裂隙度K
岩石的裂隙度K是取样线方向上单位长度上的节理数。对于一组节理，设有一条长度为l的取样线，其上有n条节理出现，则裂隙度为：
(1)
沿着该取样线，节理的平均间距d为:
(2)
若岩体上有n组不同方向的节理，其裂隙度分别为Ka1,Ka2,Kb1,Kb2,…,Kn1,Kn2，取样线上的节理平均间距为max,mbx,…,mnx为:
(3)
其中，ξa,ξb,…,ξn分别为各组节理与取样线之间的夹角。
该取样线上的裂隙度K为各组节理的裂隙度之和，即K=Ka+Kb+…+Kn。
按裂隙度的大小可以将节理分组：压缩或糜棱化带(K=100 m-1～1 000 m-1)；非常密集节理(K=10 m-1～100 m-1)；密节理(K=1 m-1～10 m-1)；疏节理(K=0 m-1～1 m-1)。
1.2 切割度
有些节理将岩体完全切割开，有些节理切割一部分，节理在岩体中分离的程度用切割度Xe的大小来衡量。假设平直断面的面积为A，节理面的面积为a，那么，切割度为:
(4)
若Xe=1，岩体被完全切割开；Xe=0，岩体完整无裂隙；一般情况下，0 (5) 根据岩体的裂隙度和切割度的关系，可以将岩体的破碎程度划分为不同破碎程度的岩体：似均质性、弱节理化、节理化、强节理化及完全节理化。 岩石的强度理论是岩石在某一应力或组合应力的作用下，岩石产生的破坏准则，是在大量岩石力学试验的基础上，加以归纳、分析、描述建立起来的。由于岩石的成分与成因不同，使岩石的破坏特征会有很多差别。不同的受力状态也会影响岩石的强度。目前岩石强度理论主要有四种：最大剪应力理论、八面体剪应力强度理论、摩尔—库仑强度理论和格里菲斯强度理论。本文研究岩体破碎程度的影响，因此，选用格里菲斯强度理论。 格里菲斯(Griffith)准则脆性破坏理论认为：实际的固体在结构构造上既不是绝对均匀的，也不是绝对连续的，其内部包有大量的微裂纹和微孔洞。这种固体在外力作用下，即使作用的平均应力不大，但由于微裂纹微孔洞边缘上的应力集中，很可能在边缘局部产生很大的拉应力。当这种拉应力达到或超过抗拉强度时，微裂纹便开始扩展，当许多这样的微裂纹扩展、联合时，最后使固体沿某一个或若干个平面或曲面形成宏观破裂。岩石就是这样一种包含于大量微裂纹和微孔洞的固体材料，因此，格里菲斯理论为岩石破坏判据提供重要的理论基础。 某TBM施工隧道长2 453 m，最大埋深为280 m，建设过程主要采用TBM施工方法。利用护盾式掘进机，开挖洞径7.6 m，开挖进尺为1.2 m。岩体风化程度较大，节理较发育。地下水资源丰富，开挖难度较大。结合实际工程地质资料和相关设计规范，取各层岩体的力学性质参数如表1所示。 表1 岩石力学性质参数表 采用FLAC3D有限差分软件进行隧道开挖的数值模拟计算。由于洞口呈圆形，隧道所穿越的岩层不对称，因此取整个洞口及一定范围内的围岩为研究对象。开挖洞径7.6 m，根据数值模拟中研究范围的一般规定，横向取洞周围岩的边界是距洞中心点5倍左右洞径，取40 m，纵向沿轴线长度也取40 m，即取40 m×40 m×40 m的围岩，中间是直径为7.6 m的洞口。对于研究模型上初始荷载取其上覆围岩的原岩应力，应力边界条件是上边界施加实际上覆围岩自重应力，利用水土合算的办法计算其自重应力。隧道有一定的坡度，但是此处不考虑倾斜角度，建模时认为隧道是水平方向。按照常规建立三维坐标系，O点为隧洞圆心，水平向右为OX轴正向，隧洞径向为OY轴正向，竖直向上为OZ轴正向。 围岩是有一定破碎程度的非连续岩体，具有弹塑性变形性质，采用FLAC3D有限差分软件中的Solid三维六面体单元模拟均质围岩，支护体系采用Solid单元模拟，盾构机采用Shell壳单元模拟。开挖过程采用分步开挖，每次开挖进尺为1.2 m。由于重点分析岩体裂隙度的影响，采用格里菲斯(Griffith)强度理论作为岩体的本构模型。先模拟不考虑岩体破碎的情况，再模拟有岩体破碎的实际情况，将二者计算结果进行对比分析。破碎岩体按照均匀化理论处理，将破碎岩体视为均匀连续材料，只是和非破碎岩石的力学参数不同。 根据实际的施工参数进行开挖模拟，从第一个开挖步开始，被开挖的岩体赋予空单元来模拟开挖掉。计算此时围岩的径向位移、纵向位移和最大主应力。整个研究范围需要32个开挖步才能完成，那么将同样的开挖和计算过程循环31次即可，每次循环的初始应力是上一个开挖步的应力值。第32个开挖步完成以后的围岩的径向位移量是需要提取的数据。 完成开挖以后洞周围岩的最终径向位移云图如图1所示。由图1可见，围岩最终径向位移量的分布形态受岩体破碎的影响较为明显。相对于完整岩体，当考虑破碎影响时，围岩中每一点处的最大径向位移量均有不同程度的增大。 将第1，10,20,30,32等五个开挖步对应的围岩位移量列入表2，并绘制于图2。由表2，图2可见，各种工况下，随着开挖步的增加围岩径向位移量都呈增加趋势。裂隙度越大，围岩径向位移量越大。 表2 开挖支护过程中洞周围岩的径向位移 mm 在TBM施工过程中，随着开挖步的开展，围岩的径向位移不断发展；随着岩体裂隙度K值的增加，岩体的径向位移显著增加；随着开挖步的增加，破碎岩体的位移量受裂隙度的影响越来越显著。 首先给出了岩体破碎度的两个指标，即裂隙度和张开度的计算方法。根据岩体四大强度理论的区别，选择格里菲斯准则作为岩体破坏的判据。借助实际工程案例的地质资料，利用FLAC3D有限差分软件对TBM施工全过程进行了仿真模拟，得到了不同开挖步对应的围岩径向位移分布云图，将不同破碎程度的围岩位移进行了详细对比分析。明确了围岩的裂隙度对其位移量的影响规律，研究成果将为隧洞设计和施工技术提供理论依据。2 岩体强度理论
3 工程实例分析
3.1 工程地质资料
3.2 数值模拟方法
3.3 结果分析
4 结语
