何萬平， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

地下工程中，是否選用TBM以及TBM效率能否發(fā)揮與工程地質條件、巖石強度、巖石耐磨性及巖體結構面發(fā)育程度等關系十分密切。隧道施工中常常遇到不良地層，給TBM施工帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)，且影響掘進速度和效率[1-2]。

TBM穿越不良地層，尤其是穿越斷層破碎帶時，由于圍巖變形大、易塌方，會面臨一系列的風險，甚至是卡機，會影響工程進度和對人員安全造成威脅。因不良地層性質有所差異，導致其圍巖穩(wěn)定性的加固措施有所不同。比如在軟弱圍巖中多采用管棚、錨桿等超前支護；在節(jié)理發(fā)育良好和有孔洞的硬巖地層，有巨大碎塊的卵石-礫石地層中多采用灌漿法，根據(jù)節(jié)理、孔洞大小和地下水流動的速度灌注水泥漿、水泥-水玻璃漿或黏土漿等；在可灌性差、地下水豐富且地層滲透性好的沖積地層中采用人工凍結法；對圍巖強度極低、埋深小需控制地表下沉的土沙等地層常使用預襯砌[3-5]。研究TBM如何安全快速的通過不良地層段，對整個隧道工程的建設具有重要的實際意義。

1 節(jié)理遍布模型理論分析

巖體在地層長期的膠結、沉積、褶皺等地質運動中，產(chǎn)生大量的層理、節(jié)理、裂隙、斷層和破碎帶等軟弱結構面，其存在極大地影響了巖體力學性態(tài)。就巖體的本質來說，它應該是各向異性、非勻質和非線性的不連續(xù)體[6-7]。

對不連續(xù)面縱橫交錯巖體的分析方法大致可分為如下幾種：(1)用等效連續(xù)體來替代巖體中的不連續(xù)斷層、弱面等;(2)用特定的節(jié)理來模擬巖體中的不連續(xù)體;(3)研究微裂紋的連續(xù)發(fā)展而導致的剪切帶的形成及其積累過程[8]。

2 計算方案設計

實際地層中，圍巖中的節(jié)理面錯綜復雜，傾角和間距等都是大小不一的，只能是某一個范圍的節(jié)理傾角或者間距占據(jù)絕大多數(shù)。所以本章計算中假定某一工況時，圍巖中的節(jié)理傾角和間距都是一定的。

實際地層中節(jié)理與節(jié)理直接存在一定的距離，但遠遠小于模型中的計算范圍和隧道直徑，對最終結果影響不大，因此予以忽略不計。

綜上考慮，本章計算設計6個工況，模擬兩種不同傾角節(jié)理的三個節(jié)理間距下的不同工況，具體如表1所示。其中兩種節(jié)理分為垂直節(jié)理和斜腳節(jié)理，垂直節(jié)理的節(jié)理面與水平方向正交，斜交節(jié)理的節(jié)理面與水平方向呈45 °，節(jié)理特征見圖1。

表1 計算工況

(a)0°與 90°節(jié)理分布特征

(b)45°與 135°節(jié)理分布特征圖1 節(jié)理分布特征

具體計算參數(shù)見表2。

表2 圍巖及支護的物理力學參數(shù)

3 計算結果分析

3.1 不同工況的模擬結果

在TBM隧道掘進的過程中，因為洞周圍巖荷載釋放和應力重分布，使圍巖產(chǎn)生變形，從而使支護結構也承受一定的荷載。不同工況(即不同節(jié)理間距和不同節(jié)理面傾角)的TBM隧道圍巖變形規(guī)律、地表變形規(guī)律特征都有所差異。因此，本節(jié)通過對不同工況的模擬結果進行對比分析，分析斷層破碎帶TBM隧道在掘進過程中工程地質災害發(fā)生類型和規(guī)律(圖2～圖5)。

(a)間距2m正交節(jié)理水平位移

(b)間距2m斜交節(jié)理水平位移圖2 計算結果位移云圖(單位：m)

圖3 不同工況下隧道斷面拱頂下沉量隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

圖4 不同工況下隧道斷面仰拱隆起量隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

圖5 隧道水平收斂位移隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

3.2 圍巖變形特征分析

在TBM隧道施工完成后，一般圍巖會產(chǎn)生一定的變形，但在穿越斷層破碎帶時，由于節(jié)理的存在，導致圍巖變形會比一般的隧道更大，且需要更長的時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。所以本節(jié)主要分析不同工況下的節(jié)理對隧道圍巖變形產(chǎn)生的影響，選取的研究對象為位于模型中部，距離隧道口5m處的斷面。

通過對比分析可知：

(1)在斷層破碎帶中節(jié)理傾角相同的情況下，不論是正交節(jié)理還是斜交節(jié)理，當節(jié)理間距為0.5m時，圍巖豎向位移都最大，節(jié)理間距為1m時次之，節(jié)理間距為2m時最小。因此可得，隨著圍巖中節(jié)理間距的減小(即節(jié)理密度增大)，TBM隧道穿越斷層破碎帶時產(chǎn)生的圍巖豎向位移增大。

(2)在節(jié)理傾角相同時，0.5m間距工況的拱頂下沉變化曲線和仰拱隆起變化曲線呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢所需要的時間最長，約為9個時間步，1m間距工況次之，約為7個時間步，2m間距工況穩(wěn)定最快，約為7個時間步。因此，當斷層破碎帶節(jié)理間距越小，洞周圍巖變形穩(wěn)定所需要的時間越長。

(3)當只考慮節(jié)理傾角的影響時，同節(jié)理密度的正交節(jié)理工況的豎向位移都明顯大于斜交節(jié)理工況的豎向位移，且比較拱頂下沉和仰拱隆起的變化曲線，正交節(jié)理工況需要更長的時間才能呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢。因此，圍巖中節(jié)理的傾角越大，隧道開挖產(chǎn)生的圍巖豎向位移越大，且達到穩(wěn)定所需時間越長。

4 結論

本文采用ABAQUS有限元軟件建立三維節(jié)理遍布模型，分析了不同工況時，TBM隧道穿越斷層破碎帶時的受力機理。通過對斷層破碎帶中不同節(jié)理間距(2m、1m、0.5m)和不同節(jié)理傾角(0 °與 90 °、45 °與 135 °)的工況下隧道的圍巖變形進行比較分析，分析TBM隧道在斷層破碎帶中掘進時圍巖變形受力特征，可得出以下結論：

(1)在TBM隧道施工完成后，一般圍巖會產(chǎn)生一定的變形，但在穿越斷層破碎帶時，由于節(jié)理的存在，導致圍巖變形會比一般的隧道更大，且需要更長的時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在節(jié)理傾角相同時, 當斷層破碎帶節(jié)理間距越小，洞周圍巖變形穩(wěn)定所需要的時間越長。

(3)當只考慮節(jié)理傾角的影響時，同節(jié)理密度的正交節(jié)理工況的豎向位移都明顯大于斜交節(jié)理工況的豎向位移。圍巖中節(jié)理的傾角越大，隧道開挖產(chǎn)生的圍巖豎向位移越大，且達到穩(wěn)定所需時間越長。