畢旭冰 吳孝清 劉勝春

（1.南陽市公路管理局 南陽 473000； 2.武漢理工大學(xué)理學(xué)院 武漢 430070；3.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044）

斷層及其破碎帶是隧道開挖過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，是因地殼變動(dòng)使地層巖體沿破裂面發(fā)生明顯位移或較大錯(cuò)動(dòng)的斷裂構(gòu)造。它的分布區(qū)段是隧道圍巖不穩(wěn)定的區(qū)段之一［1］。在多數(shù)情況下，斷層破碎帶是作為一個(gè)低強(qiáng)度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的，與其兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上具有顯著的差異［2］。隧道在穿越破碎帶時(shí)，經(jīng)常發(fā)生巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、坍塌或涌水現(xiàn)象，這是事故多發(fā)的險(xiǎn)要地段。它不僅破壞了隧道的穩(wěn)定性，而且直接影響了開挖速度。因此隧道在穿越該地段時(shí)，除遵守一般技術(shù)要求外，還應(yīng)采取針對(duì)性較強(qiáng)的輔助方法。

1 斷層破碎帶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

隧道周圍的巖體強(qiáng)度由于斷層破碎帶等結(jié)構(gòu)面的存在而大為降低，其主要原因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面的存在破壞了巖體的完整性、降低了巖體的整體強(qiáng)度；而結(jié)構(gòu)弱面的特征決定了其抗滑阻力的大小，并在一定意義上決定著隧道整體的穩(wěn)定性。隧道穿越斷層，尤其是破碎帶的斷層，開挖難度較大。破碎帶規(guī)模一般寬度較大，它包括破碎帶自身的寬度以及一個(gè)比破碎帶自身的寬度大得多的影響帶。此外，由于破碎帶伴有顯著的黏土化和涌水，突破它時(shí)可能噴出大量涌水和土砂，造成圍巖失穩(wěn)及支護(hù)變形破壞。

斷層對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響與斷層規(guī)模、斷層本身的特點(diǎn)及組合情況有關(guān)。斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀，斷層兩側(cè)地層的巖性、巖體質(zhì)量、斷面形態(tài)、斷層破碎帶的寬度、層泥存在與否以及斷層的導(dǎo)水性等都不同程度地影響隧道結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其變形破壞。從以上分析可知，斷層破碎帶對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大，作用機(jī)理較復(fù)雜，需提前對(duì)斷層破碎帶區(qū)域的地質(zhì)、工程、應(yīng)力、水環(huán)境等對(duì)隧道開挖洞周圍巖的影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究以及提早制定相應(yīng)的隧道失穩(wěn)防治對(duì)策。

2 史家山隧道斷層破碎帶穩(wěn)定性分析

2.1 史家山工程概況

史家山2號(hào)隧道為分離式右幅，起訖樁號(hào)為K4＋007～K5＋002，全長995 m。隧道位于丹城西部，大致沿東西向展布，橫穿山丘，山頂最大高程約249.68 m，隧道最大埋深約212 m，設(shè)計(jì)為單向雙車道隧道（起點(diǎn)范圍路段為小凈距隧道）。受已建史家山隧道地形等控制節(jié)點(diǎn)的限制，隧道戴港端為曲線隧道，隧道縱坡較大，已建的史家山隧道全長921 m，隧道凈寬10.25 m，為直墻式單向雙車道隧道，洞內(nèi)路面橫坡為2%雙向橫坡，洞門均為城墻式洞門。待本項(xiàng)目建成后，2隧道構(gòu)成上下行分離式雙向行駛隧道。

2.2 工程水文地質(zhì)概況

隧道區(qū)地形高差大，地表徑流條件良好，地下水補(bǔ)給條件差，富水性、透水性相對(duì)較弱，總體來說，隧道區(qū)地下水類型主要為第四紀(jì)松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，水量較貧乏，水文地質(zhì)條件較簡單。線路調(diào)查過程中表明地表覆蓋層厚度較大，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造帶露頭。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告資料顯示，線路測區(qū)范圍內(nèi)（線路左右500 m范圍）存在的斷裂構(gòu)造帶共有5條，隧道通過F4及F5，2條斷裂構(gòu)造帶間隔較近，巖體破碎，呈碎塊～鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力較差，易掉塊、崩塌等，綜合判定為V級(jí)圍巖。

2.3 斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

根據(jù)工程實(shí)際圍巖情況建立隧道穿越F4及F5斷裂構(gòu)造帶模型，并用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，見圖1。

圖1 隧道模型

根據(jù)錨固方法的特點(diǎn)并結(jié)合該隧道圍巖實(shí)際條件，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［3］。它采用的是三維顯式有限差分法程序，可以模擬巖土及構(gòu)筑于巖土中的工程結(jié)構(gòu)的三維力學(xué)行為。FLAC 3D軟件的基本原理是拉格朗日差分法，它是一種利用拖帶坐標(biāo)系分析大變形問題的數(shù)值方法，并利用差格式按時(shí)步積分求解。隨著構(gòu)形的不斷變化，不斷更新坐標(biāo)，因此它允許介質(zhì)有較大的變形，適用于分析大變形問題。根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)，為模擬隧道開挖以后有斷層破碎帶影響和支護(hù)以后的圍巖變形及應(yīng)力分布，并與無斷層破碎帶時(shí)進(jìn)行比較。隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，隧道地表為斜坡形，最大埋深為162 m，最小埋深為38 m。模型寬度根據(jù)圣維南原理，模型左右寬度各取隧道開挖寬度的3～5倍，綜合考慮取寬度117 m，以保證計(jì)算的精度。

模型的上表面為地表，設(shè)為自由面，不做約束，2個(gè)側(cè)面約束水平位移，底面約束垂直位移。

2.3.2 屈服準(zhǔn)則與物理力學(xué)參數(shù)

該隧道巖體以花崗巖為主，屬彈塑性材料，計(jì)算采用Mohr-Coul o mb屈服準(zhǔn)則：

式中：σ1，σ3分別為最大最小主應(yīng)力；c，φ 分別為材料粘聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs≥0時(shí)，材料發(fā)生剪切破壞。材料在達(dá)到屈服極限后，在穩(wěn)定的應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形，在拉應(yīng)力狀態(tài)下，若拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度，材料發(fā)生受拉破壞。

模型采用摩爾庫倫塑性本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

2.3.3 計(jì)算方案

為了監(jiān)測拱頂和仰拱的位移收斂情況，分別在拱頂和仰拱中心位置取2個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行分析。①無斷層破碎帶時(shí)的數(shù)值計(jì)算及分析；②有斷層破碎帶全斷面開挖的數(shù)值計(jì)算及分析；③有斷層破碎帶臺(tái)階法開挖的數(shù)值計(jì)算及分析。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 無斷層破碎帶時(shí)的數(shù)值計(jì)算及分析

無斷層破碎帶時(shí)位移云圖見圖2。

圖2 無斷層全斷面開挖位移圖

由圖2可見，隧道圍巖向洞內(nèi)發(fā)生徑向位移，隧道拱頂最大沉降位移為6.1 mm，仰拱最大隆起位移為16.1 mm。隧道開挖前圍巖處于平衡狀態(tài)下，開挖破壞了圍巖的原始平衡，應(yīng)力重新分布引起了隧道徑向的變形。然而此時(shí)在不考慮斷層破碎帶時(shí)，圍巖在支護(hù)下可以穩(wěn)定。

3.2 有斷層破碎帶全斷面開挖的數(shù)值計(jì)算及分析

有斷層破碎帶全斷面開挖的計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 全斷面開挖位移圖

由圖3可見，隧道發(fā)生了徑向位移，相應(yīng)的關(guān)鍵斷面的拱頂沉降為21.8 mm，拱底最大隆起位移為11.3 mm。對(duì)比不考慮斷層破碎帶的結(jié)果可以看出，拱頂沉降是不考慮斷層破碎帶的3.57倍，由于斷層破碎帶的存在，影響了圍巖的整體穩(wěn)定性。在工程上，斷層的存在導(dǎo)致巖體破碎，質(zhì)量差，易失穩(wěn)，剝落面積及深度大，隧道在此影響下產(chǎn)生較大變形。

3.3 有斷層破碎帶臺(tái)階法開挖的數(shù)值計(jì)算及分析

有斷層破碎帶臺(tái)階法開挖的計(jì)算結(jié)果見圖4，此處采用上臺(tái)階法［4］。

圖4 臺(tái)階法開挖位移圖

由圖4可見，隧道發(fā)生了徑向位移，相應(yīng)關(guān)鍵斷面的拱頂沉降為14.8 mm，拱底最大隆起位移為23.7 mm。對(duì)比有斷層破碎帶全斷面的計(jì)算結(jié)果可以看出，拱頂沉降降低了32%。因此在此工程情況下采用相同支護(hù)條件臺(tái)階法，可以較好地控制圍巖的變形，減少塌方等自然災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)然也需注意，此時(shí)仰拱隆起達(dá)到最大值，因此在開挖施工時(shí)，為控制隆起變形、改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件，仰拱曲率一定要開挖到位，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控測量，動(dòng)態(tài)掌握變形情況，確保施工安全。以上各工況豎向位移值見表2。

表2 各工況豎向位移值 mm

通過對(duì)比不考慮斷層破碎帶下全斷面開挖、考慮斷層破碎帶全斷面開挖和考慮斷層破碎帶臺(tái)階法開挖，可以看出斷層的存在影響了圍巖的整體性，造成圍巖質(zhì)量的降低；從拱頂沉降可以看出，斷層破碎帶的存在使拱頂變形增加了3.57倍。而如果采用臺(tái)階法開挖可以減小斷層破碎帶的影響，相比斷層破碎帶全斷面開挖的情況，拱頂沉降可以減少32%。因此史家山2號(hào)隧道在穿越F4和F5斷層破碎帶時(shí)，宜采用臺(tái)階法開挖。

4 結(jié)語

本文就斷層破碎帶對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響機(jī)理進(jìn)行了探討。針對(duì)史家山2號(hào)隧道地質(zhì)情況，通過數(shù)值分析，對(duì)比了無斷層破碎帶和有斷層破碎帶不同開挖方法工況對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。計(jì)算及分析表明，斷層破碎帶的存在對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響較大，在施工中應(yīng)引起足夠的重視。其次，在遇到斷層破碎帶時(shí)采用臺(tái)階開挖方法可以減小斷層破碎帶對(duì)圍巖的影響。

［1］ 黃成光，于敦榮.公路隧道施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 楊會(huì)軍，胡春林，堪文武，等.斷層及其破碎帶隧道信息化施工［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（22）：3917-3922.

［3］ 朱建明，徐秉業(yè)，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中應(yīng)用［J］.中國礦業(yè)，2000 （4）：78-81.

［4］ 王魯南.隧道穿越斷層破碎帶施工風(fēng)險(xiǎn)分析及圍巖變形規(guī)律研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.