文章上新丨描述开挖损伤区生成的数值模拟: Horonobe地下研究实验室的重要案例研究

Numerical simulations for describing generation of excavation damaged zone: Important case study at Horonobe underground research laboratory

描述开挖损伤区生成的数值模拟: Horonobe地下研究实验室的重要案例研究

Sho Ogata, Hideaki Yasuhara

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本文提出了一种预测开挖损伤区分布的数值模拟方法，该方法有助于对高放废物地质处置库天然屏障的安全性评估提供支撑。

在高放废物处置库的建设过程中，开挖会对围岩产生损伤，形成开挖损伤区（EDZ）。开挖损伤区内裂隙的萌生与扩展，会导致围岩体渗透性增加，岩体强度降低。而评价围岩体渗透与力学特性是确保处置库安全性的重要环节，因此预测开挖损伤区的分布具有重要的意义。

数值模拟是预测开挖损伤区详细分布的一种有效方法。本文通过建立数值分析模型，重现特定地质条件下的开挖损伤区分布并进行校正，目标在于建立一套可靠的损伤区评价方法。由于结晶岩（花岗岩）和沉积岩（泥岩）在日本深层地质环境中占很大比例，针对这两类岩石的研究已部分开展，如在日本岐阜县的Mizunami地下实验室和北海道的Horonobe地下实验室都开展了相关试验。相比之下，目前针对Horonobe地下实验室中开挖损伤区分布的研究较少。本文作者在之前的研究中建立了可以表征非均质裂隙生成的连续损伤模型，但该模型没有与实际现场数据进行比对分析，且没有解决岩石压裂与变形之间的耦合问题。为解决上述问题，本文分三个部分开展研究：

本文采用COMSOL MULTIPHYSICS的FEM引擎进行数值分析，能够描述岩体内的应力/应变分布和裂隙生成。无论是应力或应变引起的裂缝生成规律（如破坏准则和损伤演化规律），还是本构关系（应力-应变关系）及压裂的影响（如损伤模型），都可以用位移作为变量来表示。因此，将裂缝生成规律和本构方程代入力学平衡方程，即可得到以位移为唯一未知变量的控制方程。通过求解该控制方程，在时间步中同时求解压裂和变形，实现完全耦合的计算。

图1 Horonobe地下实验室及350m深处的廊道布局

图2 3号廊道截面及3号廊道模拟开挖数值分析模型

用于模型校准的案例为Horonobe 地下实验室中深度为350 m的3号廊道。通过模拟3号廊道开挖的几何形状与边界条件，建立二维数值模型。在进行开挖分析之前，通过1/1000的水力梯度进行稳态渗流分析，得到计算域内孔隙压力分布。在进行开挖分析时，首先通过自重分析得到施加在廊道边界的内向外径向应力来代替地应力分量（即等效开挖应力），然后每步单调释放0.1%。此外，本文的开挖分析假设岩体的开挖周期较短，未考虑开挖过程中的孔压耗散。因此，在不排水边界假定条件下，不进行力学-渗流耦合计算，只进行力学计算，利用初始孔隙压力计算有效应力。

图3 模拟3号廊道开挖过程中应力释放率分别为70%、77%、78%和100%时的损伤区演化

在使用连续损伤模型的开挖分析中，密集破裂区可以近似为许多损伤单元（即裂纹单元）的聚集区域。由此提取出损伤单元的最大范围作为EDZ的最大范围。EDZ最大范围在侧壁处约为0.68 m，在底板以下约为1.65 m。这一结果与现场观测结果非常接近，因此可以确认数值结果的有效性。

图4 开挖分析结束后3号廊道周围损伤区范围及损伤模式分布

此外，本文还研究了EDZ失效模式的变化趋势。结果显示，虽然拉伸和剪切混合损伤区占主导地位，但在廊道周围也观察到一些仅由拉伸引起的损伤单元，并且比仅由剪切引起的损伤单元更多。这种趋势与利用钻孔岩心进行的现场观测结果一致，即主要由混合裂隙和张拉裂隙构成了EDZ。从裂隙扩展方向上可以看出，大部分裂隙带与廊道平行。破坏区总面积（D > 0）随开挖进度的变化如图5所示。从图中可以看出，在应力释放率达到74%左右后，总损伤区迅速发展。

图5 应力释放率为78%时，3号廊道周围垂直位移分布；3号廊道开挖过程中破坏区总面积随应力释放速率的变化

采用校正后的数值分析方法，预测了与内容（2）相同的地质环境下建设高放废物地质处置库时，开挖过程中EDZ的分布。开挖过程中围岩产生的裂隙演化分布（即损伤变量D的演化分布）模拟结果如图6所示。结果表明在喷射混凝土之前，空腔周边已经产生了裂隙区，而在喷射混凝土之后，几乎没有新的裂隙区出现。产生的裂纹在空腔周围分布相对均匀。从裂隙的损伤模式来看，拉伸和剪切共同作用下的混合型损伤最为显著，其次是仅由拉伸产生的损伤。

图6 高放地质处置库开挖过程中应力释放率分别为70%、75%、76%和100%时围岩损伤区演化

图7 高放废物处置库开挖模拟结束时围岩损伤区范围及损伤模式分布

ROCKMB期刊网站

https://www.keaipublishing.com/en/journals/rock-mechanics-bulletin/

排版 | 孟可雨

校对 | 任天悦

审核 | 周鸣亮