含结构面与开挖损伤区的深埋隧道在动力扰动下的稳定性

《Underground Space》：Stability of deep tunnels with structural plane and excavation damaged zone under dynamic disturbances

　　

在深部地下工程中，围岩中储存的能量可能以岩爆形式突然释放。尽管结构面和动力荷载被认为是关键触发因素，但它们对隧道稳定性的影响尚未完全明确。本研究采用有限-离散元法（FDEM）建立了含结构面的深埋隧道模型，其中明确纳入开挖损伤区（EDZ）和动力扰动，以量化它们对隧道稳定性的影响。结果表明，当结构面与隧道半径方向一致时，结构面保持稳定，但沿结构面的滑移位移随|β|值（β为结构面与隧道半径方向的夹角）的增大而增大，并在|β|=90°时达到最大值。此外，结构面的滑移位移随其出露点从高应力区（隧道边墙）向低应力区（隧道顶部）移动而逐渐减小。进一步，模拟的岩爆可分为坑深小于0.5 m的岩爆和坑深约2.0 m的岩爆。坑深小于0.5 m的岩爆发生在与扰动方向正交的隧道边界上。由于动力扰动过程中结构面滑动导致的能量耗散，大多数坑深小于0.5 m的岩爆抛出的碎块体积明显小于完整隧道在相同扰动下产生的参考碎块体积。然而，结构面出露点附近的一些坑深小于0.5 m的岩爆表现出相对较大的碎块体积，这归因于结构面附近的应力集中。当|β|=90°时，裂缝优先在结构面与EDZ边界的交点处起裂，从而形成坑深约2.0 m的岩爆。

深部地下工程中，岩爆是围岩储存能量突然释放造成的剧烈动力失稳现象，严重威胁施工安全和设备完好。结构面（如节理、裂隙、断层）和动力扰动（如爆破、机械钻掘、地震）是触发岩爆的关键因素，但二者与开挖损伤区（EDZ）的耦合影响尚不清楚。以往研究往往孤立考察单一因素，而实际工程中三者共存，其共同作用并非简单线性叠加。为此，研究人员采用有限-离散元法（FDEM），建立了同时包含结构面、EDZ和动力扰动的深埋隧道模型，系统研究了结构面位置、扰动方向和EDZ对隧道稳定性的影响。该论文发表于《Underground Space》。

研究人员使用了开源FDEM套件OpenFDEM，建立60 m×60 m二维平面应变模型，隧道半径6 m，结构面长6 m，EDZ径向厚度2 m并分为四层。模型通过非反射边界模拟无限域，施加地应力σ_x=11.07 MPa、σ_y=14.21 MPa，并施加频率20 Hz的半正弦动力扰动波。通过网格敏感性分析确定最小网格0.1 m、最大网格1.5 m。研究人员用双轴压缩实验和已有动力实验数据对模型进行了验证，结果表明模型能再现实验中的破坏模式、岩爆位置和碎块抛射速度。

3.1 地应力作用下含结构面隧道的稳定性

通过改变结构面出露点（α=0°、30°、60°、90°）和与径向夹角（β=±90°、±60°、±30°、0°）进行模拟，发现当β=0°时结构面剪应力低于摩尔-库仑抗剪强度，保持稳定；当β≠0°时发生以剪切型（模式Ⅱ）为主的失稳。滑移位移随α增大而减小，即出露点从高应力侧墙向低应力顶部移动时滑