直墙半圆拱隧道围岩变形对开挖应力旋转的响应规律

隧道开挖过程中,围岩应力经历了由原岩应力到应力集中或应力降低,最后达到平衡的重分布过程。隧道开挖部分的围岩经历了复杂的应力路径,主要涉及应力大小和应力轴方向的改变。其中,应力大小的改变对隧道围岩的破坏特征、裂隙演化规律可以通过室内力学实验获得,当隧道深处围岩未发生明显破坏处于三向受力状态下,可通过三轴压缩实验、三轴循环加卸载实验等研究其破裂演化特征;当隧道围岩发生破裂(例如两帮破裂、片帮)后应力环境将由三向应力状态转变为二向应力状态甚至单向应力状态,可通过单轴压缩实验、单轴流变实验等研究其破裂演化特征。然而隧道开挖后应力轴方向在空间上的旋转极为复杂,且应力轴向方向旋转是隧道围岩复杂应力路径表现的主要形式。隧道开挖诱发的围岩应力状态改变,从而孕育和活化围岩裂隙,并造成围岩破裂失稳。该应力状态改变诱发的围岩灾变主要受应力主轴旋转的影响,其对裂隙孕育、扩展深度和扩展方向上有着显著变化,并在不同岩体上表现出不同的宏观破坏状态。因此,在现场实践和科学研究中,人们逐渐对应力旋转现象予以关注,并尽可能地采用多种手段量化应力轴向在空间上的旋转规律,从而清晰地展现出开挖应力旋转与围岩破裂演化的内在联系。然而现有研究成果大多基于特定工程背景或地质条件进行的研究,在应用上具有一定的局限性。因此,为进一步探究隧道开挖围岩应力旋转规律和围岩变形破坏对应力旋转的响应规律,并能够清晰地量化呈现其空间分布规律,本文拟采用PHASE 2D有限元软件分析隧道开挖围岩应力轴向旋转情况及其与围岩变形之间的关系,并研究不同应力初始轴向角度对隧道围岩变形影响规律。