第1章 深埋隧洞围岩变形及与支护相互作用的研究概述
1.1 引言
近年来，随着我国国民经济水平的持续提高与西部山区城市开发及交通建设战略的稳步实施，隧道、地下综合管廊等地下工程建设迎来了蓬勃发展的机遇期，隧道或地下洞室逐渐向着更深的区域发展。对于埋深很大的隧洞，通常地质构造复杂，所受地应力很高，隧洞开挖后围岩易出现大变形、岩爆、坍塌等现象，那么在施工过程中就应根据围岩地质条件选取合适的支护参数，防止各种灾害的发生。
目前，已有大量的科研人员与工程技术人员开展了关于深埋高应力隧洞围岩变形预测与支护作用效应方面的研究。在深埋隧洞弹塑性分析方面，学者基于不同的强度理论[1-4]、不同的岩体峰后应力应变关系[1，5-8]、不同的流动法则[3，9-11] 对隧洞开挖引起的围岩应力应变场、围岩变形与围岩塑性区域范围进行了数值计算和理论推导。在深埋隧洞围岩与支护相互作用方面，基于新奥法发展起来的传统约束收敛法[12-14] 得到了广泛运用，该方法通过将围岩特征曲线、围岩纵向变形曲线（longitudional deformation profile，LDP）、支护特征曲线结合起来，实现了不同支护时机下支护荷载与围岩收敛的计算[13]；在传统约束收敛法的基础上发展产生的围岩与支护相互作用的两阶段分析法，则旨在预测反映开挖面空间效应的虚拟支护力，可克服传统约束收敛法的一些缺点，适用性更强[15-17] 。众多研究人员从数值计算与理论分析方面基于传统约束收敛法、两阶段分析法对围岩质量和支护类型影响下的支护荷载及受力进行了探讨[18-24]，为支护设计提供了理论基础。
尽管关于深埋隧洞弹塑性分析、围岩与支护相互作用的研究取得了一系列成果，但是，近年来国内外许多高应力深埋隧洞还是发生了诸多工程事故，造成了人员伤亡与经济损失。例如：加拿大某一深部高应力地下矿山，由于硬岩体积膨胀，洞身边墙出现大变形，锚杆与钢筋网发生破坏；渝怀铁路圆梁山隧道于2002 年9 月10 日发生大体积塌方，死亡9 人；沪蓉西高速公路龙潭隧道于2005 年3月17 日左洞突发顶部30 多米的大体积塌方，死亡4 人，伤2 人；宜万铁路马鹿箐隧道于2006 年1 月21 日与2008 年4 月11 日发生大体积塌方，死亡16 人；宜万铁路野三关隧道于2007 年8 月5 日发生大体积塌方，被困52 人，死亡10 人；宜万铁路高阳寨隧道于2007 年11 月20 日发生岩崩事故，死亡超30 人；大秦线军都山隧道在施工与运营过程中发生了12 次大体积塌方，其中*大的两次塌方面积共有2 100 m2；合宁铁路亭子山二号隧道于2007 年9 月2 日发生局部塌方，被困28 人，死亡5 人；锦屏二级水电站两条辅助洞的埋深为1 800～2 525 m，在施工过程中发生了100 多次岩爆和塌方，造成了30 多人死亡，延误工期超过1 年；大岗山水电站地下厂房在2008 年12 月16 日发生大体积塌方，体积约为3 000 m3，延误工期约3 个月；锦屏一级水电站地下厂房的围岩持续大变形，变形量级与变形深度都非常大。
造成此类工程事故频发的直接诱因众多，如施工单位的安全生产意识薄弱，对工程安全的把控力度有待加强。但抛开施工方面的人为因素，从学术角度来看，现有关于深埋高应力隧洞方面的研究仍然不够完善，科研人员尚未为工程技术人员建立更为合理且具有针对性的深埋高应力隧洞支护设计理论。因此，对该问题开展系统而深入的研究是尤为必要的。
1.2 相关领域国内外研究现状
1.2.1 岩体应变软化与剪胀特性研究现状
1. 岩体应变软化特性研究现状
在岩土工程领域，大量室内单轴或三轴试验和大尺寸现场试验发现：应变软化现象在工程岩土体中广泛存在，表现为岩体在达到峰值强度后，随着变形的进一步增加，自身强度快速下降至较低水平，这种变形导致的岩石材料强度劣化现象称作“应变软化”。长期以来，为了对工程岩体的受力变形特性进行准确的研究分析，众多科研人员基于不同的研究角度，利用各类技术方法，从发生机制和分析理论方面系统性地研究了岩土体的应变软化行为，取得了显著成果。从总体研究思路来看，这些研究大致可以分为两类。一类是从岩石裂隙扩展贯通的微观角度，通过现场测试和室内试验相结合的方法，研究岩石在峰值强度以后产生应变软化现象的内在机制。这类研究的模型与方法主要有损伤力学模型[25]、细观力学模型[26]、强度统计分布方法[27]与物理细胞自动机方法[28] 等。相关成果能从发生与发展机制方面对变形局部化进行较好的描述，从而解释变形局部化现象，再现应变软化过程中的应力、应变特性。但这类研究中引入的一些参数难以得到准确的测定，无法在工程实践中得到有效应用，还需进一步完善理论和方法。另一类研究是针对岩石应变软化的宏观效应展开的，根据岩石应变软化的平均化和分布化假设，利用完备的连续介质力学理论建立力学模型来描述岩石应变软化的力学特性。本书将基于这类研究讨论围岩变形、受力的弹塑性解和围岩与支护结构的相互作用。下面将对从宏观试验方面分析岩体应变软化行为的研究成果进行总结。
Hoek 和Brown[29]根据大量试验成果，对不同质量岩体的峰后力学特性进行了归纳，提出：质量较好的岩体在屈服后，会出现明显的脆性破坏，且自身强度突然下跌；对于中等质量岩体，强度到达峰值之后，会出现比较明显的应变软化现象，之后应力基本不受应变增加的影响而保持不变；质量较差的软岩在达到峰值强度后，应力并未随应变的继续增大而出现明显下降，一直保持在接近峰值强度的状态。Cai 等[30]基于地质强度指标（GSI ）中的两个重要指标（残余块体体积与残余节理条件系数），针对应变软化岩体，提出了一种通过未破坏时的峰值GSI 预测残余阶段GSI 残余值的方法，并根据一系列大型洞室现场剪切试验与边坡工程的反分析方法展开验证，证明该方法可有效简化支护设计的理论计算。Medhurst 和Brown[31]对室内岩石试验和煤矿现场试验结果进行了总结，提出应变软化岩体对应的残余阶段的临界塑性剪切应变的取值范围应介于0.01 和0.001 之间。Zbenek 和Bazant[32]提出了指数形式的塑性应变软化模型，建立了等效应力与等效塑性应变之间的关系。Jiang[33]、Jiang 等[34] 将应变软化岩体的应力应变曲线简化为直线形式，基于大量三轴压缩试验结果，给出了受围压影响的岩体应变软化分段函数公式。Alejano 等[35]基于围岩应力应变曲线的基本概念，提出了应变软化岩体临界塑性软化系数的求解公式，建立了临界塑性剪切应变与剪胀系数、弹性模量、围压之间的关系。Alonso 等[36]参照大量风化花岗岩的三轴压缩试验结果，建立了更为具体的预测应变软化围岩临界塑性剪切应变的拟合公式。李文婷等[37]基于莫尔-库仑（Mohr-Coulomb ）屈服准则，以内摩擦角为中间变量，通过理论推导，将峰后弹性模量表征为应变的函数，建立了峰后岩体力学非线性应力应变关系。除了在试验方面对岩体应变软化效应进行研究之外，大多数学者采用理论与数值方法对岩体宏观应变软化模型展开论证，此类研究将在1.2.3 小节中进行详述。
2. 岩体剪胀特性研究现状
剪胀是岩体普遍存在的一种特性，是指荷载作用导致岩体在破坏过程中产生明显的非弹性体积形变。岩体剪胀现象的本质与微裂隙行为密切相关。在岩体加载变形过程中，内部颗粒之间发生相对移动、断裂，进而导致微裂隙的萌生、发展和贯通，同时伴随着内部孔隙与缺陷体积的增加，并在其破坏后产生显著的体积膨胀。
目前，对岩石剪胀行为本构关系的研究主要从微观与宏观两个角度展开。对微观角度的研究主要依靠岩石微力学模型的建立，如裂隙滑移模型[38]与裂隙增长物理模型[39]。尽管这些模型能够描述岩体在加载过程中变形增长的一般规律，但岩体所表现出来的复杂力学行为已超过这些研究所能解释的范围。从宏观角度的研究则采用连续介质理论，将岩体的体积变化反映为剪胀角的变化。对于完整性好的岩石，其塑性轴向应变和体积应变增量可通过优化的三轴压缩试验计算得到；对于一组节理，可采用直剪试验的方式，即计算沿节理正向与切向的位移的比率来确定剪胀角[40]。研究人员基于大量岩石三轴试验，提出了多种宏观方面的剪胀角模型。例如，Yuan 和Harrison[41]给出了一种基于经验的剪胀系数，即将任一围压下峰值后的体积应变曲线同水平线的夹角与单轴压缩条件下该夹角的比值定义为剪胀系数，用来描述受围压影响的岩石体积变化特征。Hoek 和Brown[29]提出根据岩体质量选择剪胀角ψ：对于质量好的岩体，ψ=φ/4（φ为岩体内摩擦角）；对于质量中等的岩体，ψ=φ/8；对于质量较差的岩体，ψ=0°。Kaiser 等[42]根据隧道开挖边界周围岩体的破坏和变形特征，明确提出了岩体膨胀系数的定义，其定义为软岩裂隙区的位移增量与深层裂隙区的深度之比。Medhurst 和Brown[31]在不同的围压标准下对不同规格的煤进行了三轴压缩体积应变的精确测量试验，得出了岩体剪胀角随塑性剪切应变的变化趋势。Farmer[43]对多类岩石进行三轴压缩试验以测量其体积应变，并获得了以下结果：一些脆性硬质岩石（砂岩、粉砂岩、波特兰岩）比软岩（砂糖状石灰岩、泥灰岩、泥岩）表现出更强的峰值后体积膨胀现象，围压变化对岩体剪胀性的影响十分显著，在单轴压缩或低围压标准下，岩石的体积膨胀更为剧烈，并且体积应变随着围压的增加而迅速减小。Ribacchi[44] 在对石灰岩进行大量的三轴试验后，认为围压增大会使剪胀角规律性地减小，并初步估算出多种围压下的峰值剪胀角。Detournay[45]认为围岩在塑性区域的剪胀角并不恒定，非弹性体积应变的增长率会随着塑性剪切应变的增大而逐渐变化，并通过隧道收敛的解析算例论证了恒定剪胀角假设的不合理性，建立了剪胀系数与初始剪胀系数、塑性剪切应变、临界塑性剪切应变之间的关系。Alejano 及其团队开展了一系列关于岩体剪胀角的试验与理论推导方面的研究[46-47]。*先，分析了Medhurst 和Brown[31]、Farmer[43]、Ribacchi[44]的试验结果，提出了岩体剪胀角非线性变化模型[46]；然后，在Detournay[45]预测初始剪胀系数理论公式的基础上，提出了峰值剪胀系数与围压、峰值内摩擦角三者的关系式；*后，通过三轴加载试验对90 组节理岩体与岩块的峰后力学行为进行评价，研究了材料的峰值强度、残余强度、切向弹性模量、峰后强度衰减模量、剪切带形成趋势及塑性变形中的剪胀角[46] 。
需要说明的是，Alejano 和Alonso[46]、Alejano 和Arzua[47]、Detournay[45]均假定塑性剪切变形从零开始扩增，岩体剪胀角呈现出单调减小的特性。然而，Zhao 和Cai[48]指出，在三轴试验的加载过程中，变形阶段的剪胀角在应力低于裂隙贯通应力水平时表现为负值，当应力超过裂隙贯通应力水平时，剪胀角快速增大至峰值，而后随之减小，这说明Detournay[45]、Alejano 和Alonso[46]、Alejano 和Arzua[47] 仅考虑了剪胀角在峰值过后逐渐变小的过程。对此，Zhao 和Cai[48]提出了一种受围压与塑性剪切应变综合影响的剪胀角*优拟合方程，能较好地表现出剪胀角从0°快速上升至峰值而后逐渐减小的变化特性，方程拟合系数均由试验给出。除此之外，Zhao 和Cai[10]、赵星光等[11] 针对该拟合方程采用FLAC3D 软件进行了剪胀角模块的开发，模拟出了加拿大Donkin-Morien 隧道的挖掘过程，发现洞壁处的剪胀效应在低围压时十分显著；分析了变化剪胀模型下锚杆的力学响应[49]；采用MTS815 岩石力学试验机和声发射监测系统，通过对深层花岗岩在三轴循环加卸载条件下的破损与剪胀特性进行研究，构建出了循环加卸载过程中岩石的塑性应
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