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深埋隧洞围岩破坏时间的预测研究摘要：地下隧洞的开挖引起原始地应力的重新分布可能在围岩局部区域产生应力集中而导致围岩破坏。工程实际表明即使在隧洞开挖过程中或开挖完成时隧洞围岩保持稳定隧洞在投入使用一段时间后由于岩石强度的下降仍有可能引起隧洞围岩失稳。本文结合MSDPu强度准则和次临界裂纹生长理论详细推导了已知隧洞围岩任意一点应力状态其达到破坏所需要的时间公式并利用数值分析软件FLAC计算出圆形隧洞围岩顶点在不同原始地应力作用下达到破坏所需要的时间为工程实际中隧洞围岩破坏预测提供参考。关键词：隧洞围岩；强度准则；破坏时间；预测1引言在漫长的地质年代里地壳里的岩层已经形成了相对稳定的原始地应力场。由于交通运输、能源开发等原因人们在浅地表或深地表开挖建造了各种各样的隧洞工程扰乱了岩层原有的地应力场分布使得隧洞围岩局部区域应力集中从而引起隧洞围岩的破坏。已有的工程实例表明[1]即使在开挖过程中或开挖完成初期隧洞没有发生失稳破坏的现象由应力侵蚀、微裂纹拓展等原因引起的岩石强度下降仍可能在隧洞运营一段时间之后造成围岩的局部失稳。如果能够对隧洞围岩的破坏时间进行预测判别针对性的进行二次支护避免或控制隧洞围岩的破坏具有十分重要的意义。目前国内外的专家学者在隧洞围岩破坏预测方面已做了不少研究并取得了一些成果。向天兵等[2]依据控制因素、破坏机制、发生条件3个层次归纳出18种典型的围岩破坏模式并进一步根据大型洞室群分步开挖过程中不断更新的工程地质条件和围岩性状提出围岩破坏模式的动态识别、复核与调控方法实现施工过程中围岩局部不稳定性问题的识别、预测与动态调控。戚承志等[3]利用不可逆热力学理论、连续相变形理论及弹塑性理论研究了深部隧洞围岩变形破坏的时间演化问题给出了围岩分区破裂化现象的空间及时间解析解并针对分区破裂化现象提出了一些支护方法。邓俏[4]等针对某地下金属矿山深井隔一采一方式回采过程形成的单面临空矿柱运用软件建立数值模拟模型通过数值模拟揭示矿柱及围岩的应力位移塑性区的变化情况对回采过程中矿柱及围岩可能出现的破坏区域进行分析和预测。E.Z.Lajtai等[5]提出通过静定疲劳试验建立在特定应力状态下岩石试件达到破坏所需要的时间与所施加应力之间的曲线函数关系来对岩石破坏时间进行预测。以上各种研究仅仅是对围岩可能出现的破坏模式或者破坏出现的位置进行预测并没有对工程实际中比较关心的破坏时间进行预测。E.Z.Lajtai等提出的“静定疲劳法”虽然可以预测围岩的破坏时间但这种方法需要进行大量的重复试验并且假定两组对比试验的岩石强度一致与实际情况存在一定差异。本文结合MSDPu强度准则和次临界裂纹生长理论提出通过数值模拟方法直接计算出隧洞围岩每一点的应力状态并计算出该应力点达到破坏所需要的时间。2MSDPu强度准则1996年M.Aubertin和R.Simon[6]经过研究分析岩石在拉伸破坏和压缩破坏时应力状态的主要特征后结合Mises-Scheicher准则可以较好描述低应力状态下岩石的极限强度特征和Drucker-Prager准则可以较好描述高应力状态下岩石的极限强度的特点提出了MSDP准则。后来M.Aubertin等[7-9]对该准则做了相应的修正以适合于不同的情形。3次临界裂纹生长理论及破坏时间预测对于一个给定的介于长、短期强度屈服面的应力状态可以利用基于Charles定理拓展而来的次临界裂纹生长理论[10]来预测破坏发生的时间。通常认为微裂纹的形状为椭圆形微裂纹端部的应力集中因子Ki与受到的外荷载、微裂纹几何尺寸相关。Charles对玻璃进行的静态疲劳分析研究和Atkinson[11]关于岩石断裂机理的分析研究表明微裂纹端部的延伸速率V与应力集中因子Ki存在指数函数关系：当K1≤K0时破坏时间tf为无限长；当KI=KC时tf等价于tr。根据相似类比的原则可以利用与微观尺度相似的表达式等价宏观响应即：式中β2为材料参数σapp为所施加的偏应力。因此当偏应力σapp等于短期强度STF时tf等于参考时间tr；当偏应力σapp小于长期强度DIT时破坏时间tf为无限长。公式（4-34）可以进一步改写为：式中δ1是施加的偏应力与长期强度的差值δ2是短期强度SFT与施加的偏应力的差值α1和β为材料参数对于花岗岩而言α1=2.7sβ=9.73。Schmidtke和Lajtai[12]对花岗岩试件进行了单轴压缩静态疲劳试验测得了不同加载荷载下试验发生破坏时间的数据。M.Aubertin[8]利用公式（19）对这些数据进行了拟合其中长期强度取值短期强度的一半得到拟合的效果比较吻合。4数值模拟计算