孟凡斐 王酉鈺 李之建 馬國(guó)偉

摘 要：隧洞交叉段穩(wěn)定性受?chē)鷰r結(jié)構(gòu)面影響較大，物理模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)面影響機(jī)制的有效手段。針對(duì)模型難以制備的技術(shù)瓶頸，采用3D打印增減材技術(shù)制備含非貫通結(jié)構(gòu)面的異形隧洞模型。基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與內(nèi)窺攝像頭觀測(cè)模型在單軸加載下的破壞過(guò)程，評(píng)估打印路徑對(duì)隧洞模型破壞模式的影響，并研究結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)異形隧洞破壞機(jī)制的影響規(guī)律。結(jié)果表明，3D打印路徑對(duì)隧洞模型破壞模式的影響較小，采用3D打印增減材方法制備結(jié)構(gòu)面起控制作用的隧洞模型具有有效性及可行性;含軟弱填充物的非貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向兩側(cè)巖柱卸荷，客觀上保護(hù)了洞室，提高了隧洞的安全性;當(dāng)結(jié)構(gòu)面尖端距隧洞較遠(yuǎn)時(shí)，模型表現(xiàn)為貫通裂紋造成的巖柱失穩(wěn)破壞，當(dāng)結(jié)構(gòu)面尖端位于隧洞附近時(shí)，模型表現(xiàn)為洞頂塊體分離破壞;隧洞交叉段擴(kuò)挖后形成的異形隧洞與常規(guī)隧洞的破壞機(jī)制不同，其拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯減弱。

關(guān)鍵詞：異形隧洞;結(jié)構(gòu)面;模型試驗(yàn);3D打印;數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU458;U451 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：2096-6717（2022）01-0036-09

收稿日期：2021-01-26

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 （51627812、U1965204）

作者簡(jiǎn)介：孟凡斐（1994- ），男，主要從事地下隧洞模型試驗(yàn)研究，E-mail： mengfanfeifrost@163.com。

王酉鈺（通信作者），男，博士，E-mail：wangyuucqu@163.com。

Abstract： The stability of intersection part of tunnels is greatly affected by structural planes of surrounding rockmass.Physical model testing is an effective method to study the failure mechanism of structural planes.This paper presented special section tunnel models with discontinuities by 3D printing technique to overcome the difficulty of model preparation. The failure process of the model under uniaxial loading is observed based on digital image correlation technique and endoscope. The influence of printing path on the failure mode of tunnel model is evaluated， and the influence of the dip angle of structural planes on the failure mechanism of special section tunnel is studied. Results show that printing path has marginal effect on the failure mode of the tunnel model， and it is effective and feasible to prepare the tunnel model that its failure mode controlled by structural planes using 3D printing. The non-through structural plane with weak filler transfer the surrounding rock stress to the rock pillars on both sides， which protects the surrounding rock from over-loading and improves the stability of the tunnel. When the tip of the structural plane is far away from the tunnel， the model shows the failure of the rock column caused by the through cracks. When the tip of the structural plane is near the tunnel， the model shows the separation failure of the roof block. The failure mechanism of the special section tunnel formed by the expanding excavation of the tunnel cross section is different from that of the conventional tunnel， and its arch structure effect is obviously weakened.

Keywords：special section tunnel; structural plane; model test; 3D printing; digital image correlation （DIC）technique

非貫通節(jié)理[1-2]、斷續(xù)延伸的軟弱夾層[3]等非貫通結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、位置和填充情況復(fù)雜難測(cè)[4]，常誘發(fā)塌方、塊體失穩(wěn)、巖爆等嚴(yán)重災(zāi)害，在隧洞工程領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[5]。研究非貫通結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖破壞機(jī)制的影響規(guī)律對(duì)提高巖體工程安全性具有重要意義。Zhou等[6]分析了錦屏二級(jí)水電站建設(shè)過(guò)程中小規(guī)模結(jié)構(gòu)面引發(fā)的巖爆現(xiàn)象，根據(jù)致災(zāi)機(jī)理的不同將其劃分為斷層滑移型巖爆、剪切破裂型巖爆和屈曲型巖爆。Pan等[7]利用數(shù)字圖像技術(shù)（DIC）和聲發(fā)射系統(tǒng)觀測(cè)含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞模型的破壞過(guò)程，試驗(yàn)結(jié)果表明，填充物可以減輕結(jié)構(gòu)面引發(fā)的災(zāi)害。Tang等[8]利用數(shù)字圖像技術(shù)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下含有不同小斷層的隧洞試件表面的應(yīng)變場(chǎng)，研究表明小斷層對(duì)隧洞穩(wěn)定性的影響取決于斷層到隧洞的距離以及斷層傾角。Manouchehrian等[9]利用Abaqus模擬了靜力和動(dòng)力荷載作用下非貫通結(jié)構(gòu)面在洞周引發(fā)的巖體變形破壞，研究結(jié)果表明，隨著結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度的增加，隧洞的失穩(wěn)破壞更為嚴(yán)重。

學(xué)者們對(duì)含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的成果。目前，該方面的研究主要集中在隧洞直線(xiàn)段。實(shí)際上，各類(lèi)地下工程中還存在著跨度驟增、斷面形式復(fù)雜的隧洞交叉段。含非貫通結(jié)構(gòu)面隧洞交叉段的破壞機(jī)制更加復(fù)雜和重要，模型試驗(yàn)是研究此類(lèi)問(wèn)題的有效方法。3D打印技術(shù)在制作復(fù)雜模型方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在利用3D打印模型研究巖體問(wèn)題時(shí)，模型成型方法有兩類(lèi)：一類(lèi)是直接打印復(fù)雜的巖體模型，如Song等[10]、Jiang等[11]利用石膏粉和PLA作為打印材料制作的隧道模型和裂隙模型，打印材料的力學(xué)性質(zhì)與巖石的力學(xué)性質(zhì)有較大差距;另一類(lèi)是打印模具后澆筑材料成型，如蘇海健等[12]制作的內(nèi)置粗糙節(jié)理類(lèi)巖石試樣、王本鑫等[13]制作的粗糙交叉節(jié)理類(lèi)巖石試樣，成型后打印模具難以取出，無(wú)法替換填充材料。與上述成型方法相比，增減材3D打印技術(shù)利用固定在減材頭上的光滑鋼針刻劃制作結(jié)構(gòu)面和隧洞，結(jié)構(gòu)面和隧洞臨空面平整，可填充不同種類(lèi)的材料;所用材料的力學(xué)性質(zhì)接近砂巖，可用于模擬巖體的脆性破壞。

筆者采用3D打印水泥基材料增減材技術(shù)制備含非貫通結(jié)構(gòu)面的異形隧洞模型，利用DIC觀測(cè)模型在單軸加載下的破壞過(guò)程，評(píng)估打印路徑對(duì)隧洞模型破壞模式的影響，并研究結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)異形隧洞破壞機(jī)制的影響規(guī)律，為隧洞圍巖穩(wěn)定性評(píng)估提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型制備方法

基于雙機(jī)械臂自主研發(fā)了水泥基材料的增減材3D打印系統(tǒng)，如圖1（a）所示。該系統(tǒng)由水泥基材料的擠出型增材單元和減材切割單元組成，包括兩臺(tái)機(jī)械臂，一臺(tái)機(jī)械臂上裝有打印頭，用于水泥基材料的擠出與堆積建造（混凝土3D打?。?，以制備實(shí)體模型;另一臺(tái)機(jī)械臂上裝有減材頭，用于切割去除已打印的實(shí)體結(jié)構(gòu)，以制備裂隙及空洞。模型的制備流程如圖1（b）所示，在制備過(guò)程中，每增材兩層進(jìn)行一次減材工作（圖1（c）），最后對(duì)制備的模型進(jìn)行養(yǎng)護(hù)及切割打磨以備試驗(yàn)。

3D打印水泥基材料由石英砂、復(fù)合硅酸鹽水泥、工業(yè)固廢粉末、水和外加劑配制而成，材料質(zhì)量配合比（總質(zhì)量為1）為：復(fù)合硅酸鹽水泥35%、石英砂48%、粉煤灰2%、硅灰3%、減水劑0.2%、水11.8%。參照Ma等[14]的測(cè)試方法，測(cè)得材料的擴(kuò)展直徑為177 mm。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，材料的力學(xué)指標(biāo)如表1所示，與砂巖相近，且表現(xiàn)出類(lèi)似真實(shí)巖體的脆性破壞特性[15]，適合模擬真實(shí)砂巖材料的力學(xué)特性。

1.2 模型設(shè)計(jì)

選取積石峽水電站導(dǎo)流洞和泄洪洞交叉段中部的異形斷面為研究對(duì)象，隧洞跨度為28 m，高約22 m。隧洞的初始地應(yīng)力主要為自重應(yīng)力，圍巖以中細(xì)砂巖和礫巖為主。頂板失穩(wěn)是常見(jiàn)的隧洞失穩(wěn)現(xiàn)象[16]，而此隧洞交叉段頂部巖體中有多類(lèi)非貫通結(jié)構(gòu)面，因此，有必要對(duì)含結(jié)構(gòu)面隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。將結(jié)構(gòu)面走向簡(jiǎn)化為與導(dǎo)流洞走向一致，此時(shí)隧洞可簡(jiǎn)化為圖2（c）所示的平面應(yīng)變模型;在此基礎(chǔ)上，將洞頂結(jié)構(gòu)面概化為圖2（b）所示的4類(lèi)模型，分別代表水平未揭露結(jié)構(gòu)面（0組）、傾斜未揭露結(jié)構(gòu)面（15組、30組）和傾斜揭露結(jié)構(gòu)面（45組）。此外，設(shè)置了不含結(jié)構(gòu)面的w組作為對(duì)照組。

制備5組隧洞模型，以探究洞頂結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)交叉隧洞穩(wěn)定性的影響。如表2所示，不含結(jié)構(gòu)面的為w組，按照結(jié)構(gòu)面傾角不同，模型分為0組、15組、30組、45組。模型尺寸如圖2（b）、（c）所示，非貫通結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度為60 mm，厚度為1.5 mm，填充物為黃土。為研究打印路徑對(duì)模型破壞模式的影響，每組采用兩種打印路徑進(jìn)行制備，如圖2（d）所示。經(jīng)測(cè)量，隧洞洞跨、最大洞高、結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)面厚度的平均打印誤差分別為1.4、1.1、1.2、0.04 mm，最大打印誤差小于5%。

1.3 測(cè)試方法

如圖3所示，采用先開(kāi)洞后加載的方法，通過(guò)在模型頂部不斷加載來(lái)模擬隧洞開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力集中的過(guò)程。由于隧洞圍巖強(qiáng)度較高，圍巖變形主要源于地應(yīng)力而非圍巖所受重力，因此，可不考慮重力加速度對(duì)圍巖變形的影響。相應(yīng)地，在試驗(yàn)中，模型材料的力學(xué)性質(zhì)接近砂巖，在加載過(guò)程中，模型所受的重力荷載遠(yuǎn)低于模型初裂和失穩(wěn)破壞時(shí)的荷載，重力加速度對(duì)圍巖變形的影響非常小，這與工程原型一致。

試驗(yàn)開(kāi)始前，在模型頂部、底部和兩側(cè)均涂抹一層凡士林，墊設(shè)鋼板并安裝夾具，采用量程為1 000 kN的WAW-1000型電液伺服試驗(yàn)機(jī)以0.1 mm/min的速度對(duì)試件進(jìn)行豎向加載，設(shè)計(jì)2 cm厚的鋼夾具限制模型的側(cè)向變形，當(dāng)荷載驟降至峰值荷載的80%以下后停止試驗(yàn)，即以圍巖承載力驟降作為隧洞失穩(wěn)破壞的標(biāo)志。

圍巖變形場(chǎng)是分析隧洞模型失穩(wěn)過(guò)程的重要依據(jù)[17-18]，采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)觀察隧洞模型在豎向荷載下的破壞過(guò)程，將試件表面磨平，然后在模型正面依次噴涂白色底漆和黑色斑點(diǎn)來(lái)制作散斑場(chǎng)。在試件前方放置兩個(gè)高精度數(shù)碼相機(jī)以捕獲試件表面的圖像，并在試件側(cè)面放置兩個(gè)補(bǔ)光燈，以在試件表面產(chǎn)生均勻強(qiáng)度的光。使用校準(zhǔn)板對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行位置校準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)，

首先采集若干參照?qǐng)D像，然后進(jìn)行加載，在加載過(guò)程中，每2 s采集一張圖像。通過(guò)Vic-3D軟件比較變形圖像與初始參照?qǐng)D像的灰度分布，獲得研究區(qū)域的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。同時(shí)，采用內(nèi)窺鏡觀測(cè)隧洞內(nèi)部損傷破壞。為獲得完整的DIC變形圖像，模型前后面不施加約束。

2 3D打印路徑對(duì)破壞模式的影響

采用水泥基材料的增減材3D打印系統(tǒng)制備物理模型，采用增材3D打印方法制備模型實(shí)體，采用減材系統(tǒng)制備隧洞及結(jié)構(gòu)面。3D打印方法采用層層堆積的建造方式，打印條間及層間存在界面問(wèn)題，會(huì)引起實(shí)體模型的各向異性特征，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)面尖端、斷面突變處等應(yīng)力集中區(qū)域的變形過(guò)程。為評(píng)估3D打印方法對(duì)帶結(jié)構(gòu)面隧洞模型失穩(wěn)模式的影響程度，采用如圖2（d）所示的兩種打印路徑進(jìn)行試件制備。前期研究表明，通過(guò)調(diào)整材料流動(dòng)性和打印條間搭接寬度（噴頭直徑的30%）可有效提高實(shí)體模型的各向同性，降低弱面對(duì)模型破壞模式的影響[19]。利用此方法打印邊長(zhǎng)為8 cm的立方體，經(jīng)CT掃描試驗(yàn)，模型內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的層間弱面現(xiàn)象（圖4）。采用同樣方法制備異形隧洞模型。

2.1 裂紋擴(kuò)展

圖5為模型加載過(guò)程中的水平位移場(chǎng)云圖。巖體中水平位移發(fā)生突變代表裂紋的產(chǎn)生，根據(jù)水平位移場(chǎng)中色塊分界線(xiàn)的收束表征裂縫的發(fā)展情況[20]。如圖5（b）所示，0-1隧洞圍巖中的裂縫幾乎同時(shí)萌生于結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)面尖端出現(xiàn)裂縫并逐步向下擴(kuò)展，直至喪失承載力。雖然0-2隧洞的打印路徑與0-1模型不同，但模型中貫通裂縫的位置和長(zhǎng)度基本一致。如圖5（a）、（c）、（d）、（e）所示，同組隧洞中裂縫的萌生位置、擴(kuò)展方向和開(kāi)展順序基本相同。

2.2 荷載位移曲線(xiàn)

圖6為模型的荷載位移曲線(xiàn)。由圖可知，各隧洞模型的曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，分為壓密段、線(xiàn)彈性段和開(kāi)裂段，其中壓密段和線(xiàn)彈性段可統(tǒng)稱(chēng)為彈性段（OA），開(kāi)裂段（AB）為圍巖初裂至變形破壞的過(guò)程。以0組隧洞為例，兩個(gè)試件的峰值位移相差7.6%，

兩條曲線(xiàn)非常接近。由圖6可知，各組隧洞的荷載位移曲線(xiàn)基本一致，且由圖9可知，同組隧洞兩個(gè)試件的極限荷載最大相差10.3%。這說(shuō)明，3D打印路徑對(duì)隧洞模型破壞模式的影響較小，不會(huì)轉(zhuǎn)變其裂紋的擴(kuò)展模式，采用研發(fā)的增減材系統(tǒng)制備的含結(jié)構(gòu)面隧洞物理模型進(jìn)行隧洞破壞機(jī)理的研究具有有效性及可行性。

3 結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)破壞模式的影響

3.1 位移場(chǎng)分析

3.1.1 圍巖破裂過(guò)程

如圖7（a）所示，對(duì)于無(wú)結(jié)構(gòu)面隧洞w組，頂板中部偏左處首先開(kāi)裂，隨后底板中部距右拱腳約1/3洞跨處有細(xì)小裂紋出現(xiàn)并豎直向下擴(kuò)展，分別為頂板沉降、底鼓導(dǎo)致的受拉破壞。繼續(xù)加載，右墻腳處有裂紋萌生。最終，左拱腰處巖體突然脫離（圖8）。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°時(shí)，如圖7（b）所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右墻腳約1/3洞跨;隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)面兩尖端出現(xiàn)向下延伸的裂紋;進(jìn)一步增加荷載，左右兩側(cè)的巖柱突然斷開(kāi)，結(jié)構(gòu)面右尖端引發(fā)的裂紋貫穿至下邊界。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為15°時(shí)，如圖7（c）所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右拱腳約1/2洞跨。隨著加載的進(jìn)行，拱頂中部出現(xiàn)一條豎向裂紋。最終，結(jié)構(gòu)面右尖端和隧洞右拱腰之間的巖體突然斷開(kāi)，頂板右側(cè)的巖體被切分為脫離塊體。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為30°時(shí)，如圖7（d）所示，首先在結(jié)構(gòu)面上側(cè)和底板中部出現(xiàn)裂紋，底鼓裂紋距右拱腳約1/3洞跨。隨著加載的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)面兩端萌生裂紋并向下擴(kuò)展，左側(cè)裂紋貫通左邊墻中部，右側(cè)裂紋向下弧形擴(kuò)展。最終，右側(cè)裂紋尖端和右側(cè)拱腳之間的巖體被瞬間剪斷，頂板被分割成橫跨整個(gè)異形斷面的巨大塊體。

當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，如圖7（e）所示，在結(jié)構(gòu)面尖端和隧洞右墻腳同時(shí)出現(xiàn)初始裂紋。隨著加載進(jìn)行，左墻腳和結(jié)構(gòu)面右尖端出現(xiàn)新裂紋，最終，隧洞頂部的三角形懸挑巖體從圍巖中瞬間脫離。

由此可見(jiàn)，不含結(jié)構(gòu)面隧洞產(chǎn)生貫通隧洞的裂紋，0°傾角結(jié)構(gòu)面的尖端位于圍巖較深處，模型的破壞主要由巖柱失穩(wěn)造成，洞周?chē)鷰r較完整;而傾角為15°、30°和45°的結(jié)構(gòu)面的尖端靠近臨空面，失穩(wěn)時(shí)隧洞頂部出現(xiàn)不同規(guī)模的脫離塊體。結(jié)合特征荷載數(shù)據(jù)（圖9）可知，非貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向兩側(cè)巖柱卸荷，阻礙或延緩了頂板裂紋的萌生及擴(kuò)展，保護(hù)了圍巖，顯著提高了隧洞的初裂荷載。

直墻拱形洞室的拱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其頂板比底板更難出現(xiàn)受拉破壞，然而不含結(jié)構(gòu)面的異形隧洞（w組）的初始裂紋卻位于頂板中部偏左的位置，這表明直墻拱形隧洞交叉、擴(kuò)挖后其圍巖中的拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯減弱，異形隧洞頂板的穩(wěn)定性降低。

3.1.2 頂?shù)装迨諗孔冃?/p>

提取距左墻腳0.25、0.5、0.75倍洞跨處頂?shù)装迨諗课灰屏?，繪制收斂位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖10所示。由圖可知，w組隧洞頂?shù)装宓淖畲笙鄬?duì)位移小于平均洞高的1%，且遠(yuǎn)大于0組、15組和30組隧洞的頂?shù)装逑鄬?duì)位移。45組隧洞的結(jié)構(gòu)面與隧洞相切，在加載初期，其相對(duì)位移量小于w組，之后，隨著底鼓變形和頂部巖體的沉降迅速增加至0.29 mm，比w組隧洞最大位移量高出36%。

對(duì)比各組隧洞頂?shù)装迨諗孔冃慰芍?，w組和45組隧洞的收斂位移明顯超過(guò)0組、15組和30組。頂板和底板的收斂位移為頂板沉降量和底板底鼓量之和，試驗(yàn)在洞頂設(shè)置了結(jié)構(gòu)面，因此，各組隧洞收斂位移的差別主要源于頂板沉降量的變化。w組不含洞頂結(jié)構(gòu)面，在豎向荷載作用下，頂板有較大的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°、15°、30°時(shí)，結(jié)構(gòu)面未揭露，在豎向荷載下，含軟弱填充物的結(jié)構(gòu)面剛度較低，豎向荷載主要由兩側(cè)巖柱承擔(dān)，結(jié)構(gòu)面下盤(pán)巖體處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，因此，洞頂沉降量增長(zhǎng)緩慢，收斂位移較小。當(dāng)傾角為45°時(shí)，結(jié)構(gòu)面在左拱腳處露頭，形成圖11（e）所示的頂部懸挑巖體，在加載初期，懸挑巖體應(yīng)力狀態(tài)較低，因而頂板沉降量增長(zhǎng)緩慢，頂板和底板的收斂位移與0組、15組和30組較接近;隨著結(jié)構(gòu)面右端裂縫向下擴(kuò)展，裂縫上粗下細(xì)，說(shuō)明懸挑巖體逆時(shí)針剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，這導(dǎo)致加載后期頂板沉降量顯著增加，頂板和底板的收斂位移與w組接近。

結(jié)合極限荷載可知，當(dāng)非貫通結(jié)構(gòu)面未揭露時(shí)，結(jié)構(gòu)面改變了應(yīng)力傳遞模式，將荷載傳遞給兩側(cè)的巖柱，保護(hù)了頂板，提高了頂部圍巖的穩(wěn)定性;當(dāng)非貫通結(jié)構(gòu)面揭露時(shí)，結(jié)構(gòu)面將喪失對(duì)洞周巖體的保護(hù)作用（45組）。

3.2 應(yīng)變分析

3.2.1 彈性階段 （OA段）

隧洞模型的主應(yīng)變場(chǎng)如圖11所示，由圖11可知，不含結(jié)構(gòu)面隧洞的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)在頂板中部偏左處、底板中部偏右處，非對(duì)稱(chēng)的斷面形式導(dǎo)致隧洞變形偏移;當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為0°、15°和30°時(shí)，隧洞的應(yīng)變集中在結(jié)構(gòu)面尖端、結(jié)構(gòu)面上側(cè)中部、底板中部;當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，圍巖的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)在右側(cè)墻腳處。由應(yīng)變集中區(qū)的位置和形狀可知，初始裂紋均為拉裂紋。

3.2.2 破裂階段（AB段）

初裂后，各組隧洞模型的失穩(wěn)過(guò)程有顯著差異。w組隧洞圍巖中沒(méi)有新的應(yīng)變集中區(qū)出現(xiàn)，最終拱頂應(yīng)變集中區(qū)的底端扭向左側(cè)拱腳，此時(shí)左側(cè)拱腰處出現(xiàn)落塊現(xiàn)象;0組隧洞初裂后，應(yīng)變集中區(qū)域自結(jié)構(gòu)面尖端向上下延伸，最終左側(cè)應(yīng)變集中區(qū)突然延伸至邊墻，右側(cè)應(yīng)變集中區(qū)突然延伸至模型下邊界;15組隧洞初裂后，頂板中部率先出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域，最后，結(jié)構(gòu)面右端和右側(cè)拱腳之間突現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)，裂隙開(kāi)展并導(dǎo)致模型失穩(wěn);30組隧洞初裂后，結(jié)構(gòu)面左端的應(yīng)變集中區(qū)延伸至左邊墻中部，同時(shí)，結(jié)構(gòu)面右端出現(xiàn)新的應(yīng)變集中區(qū)域并向下方開(kāi)展，當(dāng)向下延伸至右拱腳附近時(shí)，結(jié)構(gòu)面右端的應(yīng)變集中區(qū)域突然水平延伸至右側(cè)拱腳;45組隧洞初裂后，結(jié)構(gòu)面兩尖端、兩拱腳的帶狀應(yīng)變集中區(qū)不斷擴(kuò)展，失穩(wěn)時(shí)結(jié)構(gòu)面右端的應(yīng)變集中區(qū)驟然延伸至右側(cè)拱腳附近。

4 結(jié)論

1）3D打印路徑對(duì)隧洞模型破壞模式的影響較小，采用增減材系統(tǒng)制備結(jié)構(gòu)面起主要控制作用的裂隙圍巖隧洞模型并研究隧洞破壞機(jī)理具有有效性及可行性。

2）含軟弱填充物的非貫通結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向兩側(cè)巖柱卸荷，客觀上保護(hù)了圍巖，提高了隧洞的穩(wěn)定性。

3）0°傾角結(jié)構(gòu)面的尖端距隧洞較遠(yuǎn)，模型的破壞模式為巖柱失穩(wěn)破壞，洞周?chē)鷰r較完整;傾角為15°、30°和45°的結(jié)構(gòu)面的尖端位于隧洞附近，裂縫由結(jié)構(gòu)面尖端延展至臨空面，形成脫離塊體，模型表現(xiàn)為塊體分離破壞。

4）直墻拱形隧洞交叉、擴(kuò)挖后，其圍巖中的拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)明顯減弱，與對(duì)稱(chēng)隧洞斷面在圍巖應(yīng)力分布和破壞模式上存在明顯的差異性。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王秀玲）