深部工程物理模拟与数值模拟(精)

第1章绪论 　　1.1引言 　　随着中国基础设施建设的快速发展，我国在交通、水电、能源、核电等领域在建和拟建的许多地下工程已进入地下千米或千米以下的深度[1~6]，例如，滇中引水香炉山隧洞*大埋深达到1512m，峨汉高速公路大峡谷隧道*大埋深达到1944m，引汉济渭秦岭隧洞*大埋深达到2012m，锦屏二级水电站引水隧洞*大埋深达到2525m。伴随地下工程开挖深度的不断增加，深部工程的地质赋存环境更加复杂，在高地应力、高渗透压、高地温和开挖扰动（简称“三高一扰动”）条件下，洞室围岩将出现显著的非线性变形破坏，高地应力环境下深部岩体的力学特性也将发生显著变化。在低地应力下表现为脆性破坏的硬岩在高地应力条件下将会转化为延性破坏，适用于浅部围岩的莫尔-库仑强度准则在高地应力条件下也将不再适用[7~14]。同时，深部复杂地质赋存环境更容易导致深部围岩出现塌方冒顶、突水突泥和岩爆等重大灾害事故，常常造成重大人员伤亡、严重经济损失和恶劣社会影响。产生这些重大灾害事故的根本原因在于我们对深部工程的灾变机理认识不清，难以实现主动防控，因此深部工程灾变机理与安全防控已成为我国向地球深部探索必须解决的重大科技问题。目前，针对复杂环境条件下深部工程的变形破坏机理，理论分析比较困难，现场试验条件受限且费用昂贵，相比之下，物理模拟和数值模拟以其可重复模拟多条件、多工况和多因素的优势，成为研究深部工程围岩稳定的重要手段。 　　与MTS试验机研究岩芯力学特性不同，物理模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型研究工程施工开挖与变形破坏的物理模拟方法。物理模型是真实物理实体的再现，在满足相似原理的条件下，能够客观、真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，可全面反映工程施工与变形破坏的发展过程，从弹性变形到塑性变形直至破坏发生，其不仅可以分析工程的正常承载状态，还可以分析工程的极限承载与超载破坏状态。物理模拟对于发现新现象、探索新规律、揭示新机理和验证新理论具有理论分析和数值模拟不可替代的重要作用[15~19]。 　　与物理模拟相比，数值模拟成本低、效率高，通过与物理模拟相结合，可为地下工程围岩稳定分析与安全控制提供新途径[20]。因此，本书采用物理模拟和数值模拟相结合的方法系统研究深部围岩的非线性变形破坏机理，构建深部工程物理模拟与数值模拟的理论方法体系，研究成果为深部工程安全建设提供了理论支撑与技术保障，具有重要的理论意义和工程应用价值。 　　1.2国内外研究现状 　　1.2.1地下工程物理模拟研究现状 　　地下工程地质赋存环境复杂，通过数值方法来大规模模拟地下工程的非线性变形破坏过程比较困难，而原位试验因条件受限和成本问题难以大面积开展，相比之下，物理模拟以其形象、直观、真实的特点为地下工程变形破坏研究提供了一条重要途径。目前，研究者针对交通、水电、矿山和能源等领域的地下工程开展了广泛的物理模拟研究，并取得了大量研究成果。例如，国际上，Bakhtar[21]开展了节理岩体在爆破荷载作用下失效破坏规律的物理模型试验研究；Castro等[22]对矿井的分块崩塌开采进行了大型三维物理模型试验研究；Shin等[23]研制了模拟砂土管棚施工的物理模型试验系统，对伞拱法进行了模型试验，研究了管棚长度和加固方法对结构稳定性的影响。在国内，陈浩等[24]通过平面应变物理模型试验，研究了软岩隧道中不同类型锚杆对围岩的支护作用效应；He等[25]利用红外热像仪对垂直分层岩体地下巷道的掘进过程进行了物理模拟；谭忠盛等[26]通过物理模型试验研究了海底隧道衬砌管片的受力、变形特征以及围岩-衬砌之间的相互作用；李利平等[27]通过大型物理模型试验，揭示了超大断面隧道软弱破碎围岩的三维空间变形机制与荷载释放演化规律；李术才等[28]通过深部煤巷施工物理模型试验，揭示了深部煤巷施工过程中围岩与支护结构的相互作用规律；王汉鹏等[29]研制了煤与瓦斯突出模拟系统，通过模型试验揭示了煤与瓦斯的突出机制；Bao等[30]提出并实现了盾构隧道多尺度物理模型试验；Hu等[31]对管棚法进行了模型试验，验证了这些施工方法的合理性。 　　在模型相似材料研究方面，研究者以石英砂、河沙、重晶石粉等为骨料，石膏、水泥、凡士林、环氧树脂、松香等为胶结剂，研制了围岩相似材料。例如，马芳平等[32]研制了由磁铁矿精矿粉、河沙、石膏、水等组成的模型相似材料；张强勇等[33，34]研制了以精铁粉、重晶石粉、石英砂、松香、酒精等组成的新型岩土相似材料；另外，研究者也运用正交试验设计方法，研究了砂、灰、石膏等低强度材料的配比对相似材料力学性质的影响，为相似材料的工程应用提供了参考[35~38]。 　　在物理模拟试验系统研发方面，陈安敏等[39]研制了岩土工程多功能模拟试验装置，对小浪底水电站地下厂房洞室群进行了模型试验，验证了加固方案的合理性；李仲奎等[40]研制了离散三维多主应力面加载模型试验系统，通过隐蔽洞室开挖和内窥镜技术，开展了溪洛渡水电站地下厂房洞群物理模型试验；朱维申等[41]研制了准三维物理模型试验系统，通过滚珠轴承滚动实现了模型试验超低减摩；张强勇等[42~49]研制了模块组合、尺寸可调的模型试验台架装置与加载数控系统，并在能源、矿山等地下工程物理模型试验中得到成功应用；周生国等[50]研制了公路隧道结构与围岩综合试验系统，针对黄土连拱隧道施工过程开展了物理模型试验。 　　尽管研究者在地下工程物理模型试验方面取得了大量成果，但针对深部工程物理模拟还存在以下问题需要进一步开展研究： 　　（1）目前，针对埋深不深、地质条件较为简单的地下工程开展的模型试验较多，而针对埋深近千米或千米以深的大埋深工程开展的物理模型试验还不多见。 　　（2）现有模型试验多以平面、准三维、均匀加载为主，而针对深部工程高地应力真三维非均匀加载还存在一些困难。 　　（3）现有模型试验洞室开挖多以人工开挖为主，针对不同洞型、不同工法模型试验的微型TBM开挖掘进系统还比较少见。 　　因此，有必要在克服现有模型试验研究缺陷的基础上，研制可模拟复杂地质赋存环境的新型真三维物理模拟系统和可实施自动开挖的模型试验微型TBM开挖掘进系统，并针对复杂环境深部工程开展大型真三维物理模型试验，以有效揭示深部围岩的非线性变形破坏机制。 　　1.2.2地下工程数值模拟研究现状 　　地下工程的数值模拟方法包括连续介质力学数值模拟方法和非连续介质力学数值模拟方法。 　　1. 地下工程连续介质力学数值模拟方法 　　连续介质力学数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法和边界元法等。研究者通常将连续介质力学数值模拟方法与断裂力学、损伤力学、流变力学等理论结合来进行地下工程围岩稳定性分析研究。例如，Alejano等[51]采用数学形态学方法，提出了一种能够定义Hoek-Brown应变软化参数的方法，并运用数值模拟分析进行了验证；Golshani等[52]提出一种脆性岩体细观损伤模型，并将其应用到脆性岩体开挖损伤的数值模拟中，该模型不仅可以分析微裂纹长度的扩展，还可以分析裂纹扩展面积随时间的变化规律；Zhou等[53]提出了一种考虑裂缝间距、裂缝长度和裂缝倾角对深部岩体分区破裂影响的非欧几里得模型，并利用数值模拟方法揭示了非破裂区协调变形和破裂区不协调变形引起的深部围岩弹性应力场分布规律；苏国韶等[54]通过数值分析追踪计算了围岩的局部能量释放率，提出局部能量释放率新指标，较好地预测了高地应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度、破坏位置与范围；陈国庆等[55]以围岩劣化体积、变形和释放能量中任一参数发生突变作为失稳判据，建立了围岩变形的动态预警体系；刘会波等[56]提出了地下洞室群局部围岩开挖失稳的能量耗散突变判据，并通过数值模拟对地下厂房施工开挖围岩稳定进行了分析；张建海等[57]提出了松动圈与埋深的拟合经验公式，为围岩稳定和开挖监测反馈数值分析提供了理论基础。 　　在地下洞室围岩-支护体系协同作用数值模拟方面，Asef等[58]基于岩体分级系统对Hoek-Brown强度准则中的强度参数进行了定量化分析，通过有限差分数值模拟得到支护压力与围岩收敛位移的关系曲线；张素敏等[59]通过弹塑性有限元法得到了隧道埋深、围岩级别和洞室尺寸对围岩特性曲线的影响规律；Basarir等[60]针对不同质量的岩体开展数值模拟，拟合得到围岩压力与隧道埋深和洞壁变形的关系表达式；李煜舲等[61]采用有限元法探讨了有无支撑情况下隧道开挖收敛损失与纵剖面变形之间的关系。 　　考虑地下岩体的流变力学特性，研究者采用黏弹性或黏弹塑性数值模型研究了围岩-支护体系协同作用的时效特征。例如，孙钧等[62]基于围岩蠕变理论，对地下洞室分步开挖施工过程开展了有限元数值模拟，得到了各施工阶段洞室围岩与支护结构协同作用随时间的变化规律；金丰年[63]应用黏弹性数值模型研究了围岩特征曲线随时间的变化关系，数值分析表明，流变岩体中的围岩特征曲线并不是一条，不同时间对应有不同的围岩特征曲线；齐明山等[64]采用黏弹塑性数值模型研究了厦门东通道海底隧道施工阶段和运营阶段围岩应力、应变和特征曲线的变化规律，为海底隧道合理选择支护厚度和支护时间提供了参考。 　　围岩与衬砌结构的协同作用本质上是一种接触问题，为此一些专家在围岩-支护体系协同作用的数值分析中考虑了围岩与衬砌界面间的接触效应。例如，Oreste[65]将衬砌与围岩的接触视为文克勒（Winkler）弹簧连接，并开发了相应的有限元计算程序，对非对称荷载条件下衬砌-围岩的协同作用开展了分析研究；Malmgren等[66]通过数值模拟分析了洞壁粗糙度、岩体强度、弹性模量和岩体不连续性对岩体-混凝土接触界面的影响；Tian等[67]在有限元模型中建立了衬砌与围岩的接触面单元，对衬砌厚度、钢拱架承受荷载等基本参数进行了敏感性分析；周辉等[68]开展了考虑围岩-衬砌相互作用的数值模拟，提出了界面刚度计算公式及界面厚度的取值范围。 　　2. 地下工程非连续介质力学数值模拟方法 　　非连续介质力学数值模拟方法主要包括离散元法、非连续变形分析法和数值流形法等。离散元法的基本思想是把不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动形态。离散元法允许单元间的相对运动，不一定要满足位移连续和变形协调条件，计算速度快，所需存储空间小，尤其适合求解大位移和非线性的问题。例如，Cai等[69]采用FLAC/PFC耦合方法模拟大型地下洞室开挖过程中的声发射现象，得到用于洞室稳定性评估的岩体声发射活动模式；Lee等[70]采用颗粒离散元法和有限差分法研究了软岩循环进尺对隧洞施工稳定性的影响；Elmekati等[71]提出了ABAQUS和PFC3D耦合方法来求解大尺度岩土工程问题，所提出的联合模拟框架可以有效解决桩与土体之间的相互作用；Cook等[72]使用离散元法揭示了各向异性条件下不同应力大小的钻井破坏机制。 　　非连续变形分析法可以模拟岩石块体的平动、转动、张开、闭合等全部过程，以及块体系统的大变形、大位移行为，并可根据块体系统的变形和运动特征，判断岩体的破坏范围和破坏程度，从而对岩体的整体及局部稳定性做出评价[73，74]。Maclaughlin等[75]用非连续变形分析模型研究了斜坡上单块体和多块体运动模式及稳定性，并与解析结果进行了比较；Yang等[76]对含节理的岩石试件进行双向加压模拟试验，并用非连续变形分析法进行数值模拟，数值计算结果与试验结果有较好的一致性；Cai等[77]应用非连续变形分析法模拟汶川地震引起的三大滑坡，研究了摩擦系数和初始水平速度对滑坡的影响机制；邬爱清等[78]应用非连续变形分析法研究了复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征，阐明了厂房区域地应力水平、锚固方式、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响；张航等[79]应