袁 鵬，宋宏偉，蔣玉波，熊珍珍

(1．中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與

地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

分步開挖對隧道縱向穩(wěn)定性的影響

袁 鵬1，2，宋宏偉1，2，蔣玉波1，2，熊珍珍1，2

(1．中國礦業(yè)大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與

地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

運用有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬和關(guān)鍵塊體理論，研究了兩種隧道開挖方法在穿過60°，65°，70°和75°四種斷層過程中的圍巖穩(wěn)定性問題，并與理論上存在的90°斷層的開挖情況進行對比，分析了塑性區(qū)發(fā)展和頂板位移。結(jié)果表明：斷層傾角對隧道圍巖的穩(wěn)定性有顯著影響，隨著斷層傾角趨近于90°，隧道頂板穩(wěn)定性趨好;施工順序和方法對斷層隧道的穩(wěn)定性亦有顯著影響。

斷層 冒頂 縱向穩(wěn)定性 分步開挖

隧道施工過程中引起的局部冒頂事故是最為典型的隧道縱向穩(wěn)定問題［1-3］。除此之外，沿隧道走向的大變形使得隧道最后偏離設(shè)計走向，導(dǎo)致不滿足工程需要，這些問題都是目前最常使用的平面模型所無法解釋的。隧道的開挖會穿越許多非連續(xù)面，很多學者對這類問題進行了深入的研究并取得了一些成果［4］，認為隧道穩(wěn)定性與其圍巖中的非連續(xù)面有密切關(guān)系，但這些研究還存在局限性，主要是忽略了縱向穩(wěn)定和荷載歷史的問題，這是本文的研究重點。如廣州地鐵2號線中山紀念堂—越秀公園區(qū)間隧道是由左右線單線單洞隧道組成的，隧道穿越的區(qū)域大部分位于廣州市越秀山下，南北分別與紀念堂站和越秀公園站相接。隧道經(jīng)過清泉街斷層破碎帶，上覆第四系土層廣泛發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜。隧道外輪廓寬度為6.0 m，高度為6.3 m，線路埋深21.8 m，隧道采用礦山法施工。清泉街斷裂在紀念堂至越秀公園區(qū)間通過，并在紀念堂站所在的連新路與線路斜交，斷層走向290°，傾向SW，傾角60°～75°，為正斷層。斷層由斷層角礫巖、硅化角礫巖、斷層泥組成，膠結(jié)性差，強風化，為 V級圍巖［5-6］。本文參考該工程參數(shù)，建立模型分析此類問題。

1 數(shù)值分析模型

1.1 建模設(shè)定

1)斷層的上下盤為連續(xù)的巖石介質(zhì)，服從 D-P準則。

2)斷層的上下盤之間使用接觸單元連接。

3)不考慮斷層的厚度。

4)僅考慮自重荷載。

1.2 模型參數(shù)

本文以廣州地鐵2號線中山紀念堂—越秀公園區(qū)間隧道為工程背景，選取斷層傾角為 60°，65°，70°和75°4種情況，再對比特殊的90°情況，建立了5組模型，70°和90°傾角模型的單元劃分見圖1和圖2。

圖1 斷層傾角70°模型及單元劃分

圖2 斷層傾角90°模型及單元劃分

單元采用六面體劃分。采用圓形隧道斷面，直徑6 m，覆蓋層厚度21.8 m;地層模型尺寸100 m×40 m×36 m(縱×橫×豎);模型X，Y軸分別沿隧道的橫斷面的水平向和豎向，原點位于模型最右側(cè)隧道橫斷面圓心。模型約劃分為10 000多個單元，斷層的摩擦系數(shù)取0.2。巖石的各項參數(shù)依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—99)圍巖分級中Ⅴ類圍巖的參數(shù)進行選取。圍巖的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 圍巖相關(guān)參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 塑性區(qū)分析

2.1.1 從斷層下盤往上盤開挖

關(guān)鍵塊體理論中，關(guān)鍵塊是指在節(jié)理巖體或塊狀巖體中對巖體的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用巖塊［7-9］，關(guān)鍵塊一旦滑塌則將能引起后續(xù)塊體的連鎖滑塌。一般認為在斷層隧道中，關(guān)鍵塊體的位置在斷層下盤頂板處，與模型中斷層下盤最易出現(xiàn)塑性區(qū)的位置一致。本文采用關(guān)鍵楔形體這個稱呼，推斷斷層隧道縱向穩(wěn)定性與斷層下盤關(guān)鍵楔形體穩(wěn)定的關(guān)系。

為描述方便，將從斷層的下盤向斷層的上盤穿過斷層開挖稱為正穿斷層，反之稱為反穿斷層。斷層角度對正穿斷層隧道塑性區(qū)的影響主要體現(xiàn)在:角度較大的時候穿過斷層處幫部塑性區(qū)很小，關(guān)鍵楔形體塑性區(qū)較發(fā)育。除去90°斷層的特殊情況，隧道正穿斷層上盤處一般沒有塑性區(qū)。隨著斷層角度的增大，頂板的塑性區(qū)縮小，最大塑性應(yīng)變也在減小，幫部的塑性區(qū)向斷層處發(fā)展，最終變成90°的情況，詳細參數(shù)見表2。

綜上可以發(fā)現(xiàn)斷層的角度對斷層隧道圍巖的穩(wěn)定性有著顯著的影響，而且隨著斷層傾角趨近于90°，隧道塑性區(qū)往幫部集中，頂板的最大塑性應(yīng)變、塑性區(qū)的大小和頂板最大位移都在減小，可以認為頂板發(fā)生冒頂事故的可能性在降低。

2.1.2 從斷層上盤往下盤開挖(表3)

表2 隧道正穿斷層處相關(guān)數(shù)據(jù)

表3 隧道反穿斷層處相關(guān)數(shù)據(jù)

由表3可見反穿斷層角度對塑性區(qū)的影響與正穿斷層類似，都是隨著傾角的增大，塑性區(qū)向斷層處發(fā)展，主要的差別在于:反穿斷層上盤塑性區(qū)的發(fā)展與正穿斷層下盤的影響也類似，所不同的是反穿斷層塑性區(qū)最先偏向隧道的底板處，然后向幫部中間轉(zhuǎn)移和發(fā)展。隧道頂板塑性區(qū)最先出現(xiàn)在斷層的下盤，然后隨著斷層角度的增大縮小，最后發(fā)展到斷層的上盤。

可以看出改變了開挖方式之后，隧道的破壞形式與位置有著顯著的區(qū)別，同時頂板的塑性區(qū)位置和發(fā)展情況跟正挖隧道相比變得更為復(fù)雜:一方面塑性區(qū)的位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)的大小呈現(xiàn)一個先增大隨后減小再增大的變化，頂板位移和最大塑性應(yīng)變變化也很復(fù)雜，說明施工方式作為一個變化的因素深刻地影響著隧道的穩(wěn)定性。

2.2 頂板位移分析

正穿斷層隧道頂板的位移情況受非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的影響變化十分復(fù)雜，大體呈一個波折型，沿著路徑方向顯示較平緩，然后在路徑約25 m處開始隆起，在非連續(xù)結(jié)構(gòu)面前沿急劇下降，穿過斷層之后立刻向上跳躍，經(jīng)過一個向下彎曲的變形之后，最后趨向于水平，正穿斷層和反穿斷層典型位移如圖3。

圖3 正穿和反穿60°斷層隧道頂板縱向位移

圖3反映出，斷層對隧道圍巖的位移影響十分劇烈，對圍巖穩(wěn)定性有著十分不利的影響，應(yīng)該是施工建設(shè)過程中重點防護的位置。而且這兩者的曲線規(guī)律和趨勢都有很大的不同，分步開挖如果視作一種外部荷載，那么應(yīng)力歷史對其的影響是十分顯著的，說明施工順序和方法對斷層隧道的穩(wěn)定性有著顯著的影響。

這兩種開挖方式對頂板位移影響最大的位置在關(guān)鍵楔形體的頂點，原因主要是斷層接觸面之間的滑動摩擦力和切應(yīng)力對關(guān)鍵楔形體約束方向的改變。在正挖隧道的過程中，斷層的下盤隧道頂板圍巖最先失去約束，發(fā)生變形。之后上盤隧道頂板在變形的過程中，相對下盤巖石來說向下運動，受到已經(jīng)發(fā)生變形的下盤巖體的約束，摩擦力對下盤頂板位置的巖石向下，對上盤則向上，于是二者之間的摩擦力造成圖3所示的位移。反挖的情況剛好相反，摩擦力對下盤頂板位置的巖石向上，對上盤向下。由此可以看出反挖隧道的過程中摩擦力對關(guān)鍵楔形體的約束向上，使得頂板關(guān)鍵楔形體發(fā)生冒頂?shù)目赡芙档汀ｋS著斷層傾角趨近于90°，圍巖更加趨向于穩(wěn)定，然而在塑性區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移之后，有利影響就不易體現(xiàn)出來了。

理論上講，斷層對隧道的影響范圍應(yīng)該隨著斷層角度的增加而減少，但如圖4所示只有在斷層傾角趨近于90°時隧道的影響范圍才明顯減小，在一般情況下，對隧道的影響范圍沒有明顯的變化。

圖4 反穿斷層隧道頂板縱向位移對比

3 結(jié)論

1)斷層的傾角對隧道圍巖的穩(wěn)定性有著顯著的影響，而且隨著斷層傾角趨近于90°，塑性區(qū)往幫部集中，頂板的最大塑性應(yīng)變、塑性區(qū)的大小和頂板最大位移都在減小，可以認為頂板發(fā)生冒頂事故的可能性在降低，隧道頂板的穩(wěn)定性越好。

2)反挖隧道塑性區(qū)的位置會發(fā)生轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)的大小呈現(xiàn)一個先增大隨后減小再增大的變化，頂板位移和最大塑性應(yīng)變變化也很復(fù)雜，說明施工方式作為一個變化的因素影響著隧道的穩(wěn)定性。

3)分步開挖如果視作一種外部荷載，那么應(yīng)力歷史對其的影響是十分顯著的，說明施工順序和方法對斷層隧道的穩(wěn)定性有著顯著的影響。

4)反挖隧道的過程中摩擦力對關(guān)鍵楔形體的約束向上，使得頂板關(guān)鍵楔形體發(fā)生冒頂?shù)目赡苄越档停S著斷層傾角趨近于90°，圍巖更加趨向于穩(wěn)定。然而在塑性區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)移之后，有利的影響就不易體現(xiàn)出來了。

5)斷層對隧道的影響范圍應(yīng)該隨著斷層傾角的增大而減小，但只有在斷層傾角趨近于90°時隧道的影響范圍才明顯減小，在一般情況下，對隧道的影響范圍沒有明顯的變化。

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U455．41+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．22

1003-1995(2013)09-0071-03

2013-01-02;

2013-05-27

袁鵬(1989— )，男，江蘇泰州人，碩士研究生。

(責任審編 趙其文)