各向异性岩体地层中隧道的数值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 1

1 引言

两个星期前，在《各向异性岩体的数值模型(Anisotropic Rock Mass Model)》中曾经提及MIDAS Geotech将在2022年3月29号举办一场webinar，由ARUP的岩土工程师主讲，报告题目是《Numerical Analysis of Tunnels in Anisotropic Rock Mass Formation(各向异性岩体地层中隧道的数值分析)》，这个报告时长45分钟，下面总结了本报告的第一部分Part 1，主要讨论了研究对象，施工技术和数值模拟方法的选择以及参数标定。

2 研究对象

研究的隧道是一个采矿运输巷道，巷道埋深360m，高度15m，宽度15m, 它与一个直径10m的竖井相交，如下图所示。

岩体是呈明显各向异性的泥岩，主要不连续间距为1m, 水平最大主应力是垂直应力的1.5倍，是水平最小主应力的1.7倍，方向是NE315°。

3 施工技术

必须意识到，尽管先进的隧道开挖机械设备已经得到了长足的发展，但采矿隧道的开挖与普通地铁的开挖有着本质的差别，大多数地下采矿工程仍然使用传统的爆破方法进行开挖。这个项目在不同深度和不同类型的岩石中使用不同的开挖技术，包括分段面开挖隧道，即不是一次性全断面开挖；使用永久性的喷锚网联合支护；在竖井和隧道的交叉点使用钢筋混凝土进行支护。竖井开挖从地表开始的前60m使用沉井机(Vertical Sinking Machine)开挖【沉井基础(Caisson Foundation)---形状和尺寸(Shape and Size) (3)；沉井基础---侧摩阻力(Skin Friction)计算 (5)】，在60m之后使用竖井钻孔机(Shaft Boring Machine)开挖至360m水平，然后开挖隧道。隧道分5步进行开挖，开挖步骤简单概括如下：

(1) 首先开挖顶部中心[1]，推进大约3m;

(2) 然后开挖顶部左侧[2], 推进大约3m;

(3) 接着开挖顶部右侧[3]，推进大约3m; 

(4) 全断面开挖隧道中部的台阶[4]，推进大约5m;

(5) 最后全断面开挖底部的台阶[5], 推进大约5m。

总的开挖原则是左侧比右侧先推进大约6m，在每步的开挖后立即使用岩石锚杆支护。

岩石锚杆使用CT-M33, 其参数如下: 直径32mm, 长度4m, 屈服拉力420KN, 间距1.5m*1.5m，更详细的技术细节可参看CT-M33出厂手册。喷射混凝土厚度125mm, 第一次喷射75mm，第二次喷射50mm，混凝土强度使用C32/40，钢筋网尺寸：直径8mm，网格间距200*200mm。

4 数值方法选择

数值模拟必须能够充分模拟出岩体的各向异性特性，也需要模拟喷射混凝土的老化行为。由于不是全断面开挖，因此开挖顺序的模拟也是必须的。此外，需要模拟不同类型的结构元支护对岩体产生的影响。

对于岩体来说，模拟的最好工具是3DEC,事实上该项目的另一个研究团队正在使用3DEC模拟这个隧道。Kassa(2016) <Numerical models on anisotropy of rocks> 使用单轴和三轴强度试验比较了3DEC和GTS NX的模拟结果，他使用的模拟试件尺寸为5m*5m*10m，然后在试件中加入弱面，弱面角度从0°到90°变化，探索弱面对强度的影响，从而对参数进行标定。3DEC使用了Mohr-Coulomb节理模型，GTS NX使用了三维实体元加界面元。对于实体单元，使用从Hoek-Brown准则推导出来的等效Mohr-Coulomb准则，对于界面元使用Mohr-Coulomb摩擦定律。模拟过程是在一定围压(0, 0.5, 1.0, 3.0, 6.0MPa)下, 以恒定速度施加位移，直至试件破坏为止。不同条件下详细的模拟结果比较参看视频，在此不再赘述。