黃 濤

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001）

0 前言

近年來，我國不斷擴(kuò)大高等級公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模，在這個(gè)過程中，人們對隧道項(xiàng)目提出了更高的要求，施工項(xiàng)目的難度系數(shù)越來越高，例如在建設(shè)隧道時(shí)經(jīng)常會穿越斷層破碎帶。在正常情況下，斷層破碎帶之中大多都擁有非常松散的巖體，而且這些巖體的穩(wěn)定性較低，受到外部因素干擾的概率較高，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌方等安全事故。所以，深入研究斷層破碎帶的問題及其對隧道施工的影響是非常有必要的?；诖耍疚膶⑻接懘┰綌鄬悠扑閹r(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性的問題，希望能夠借助相關(guān)措施幫助相關(guān)人員更好更安全的隧道施工環(huán)境。

1 掌子面穩(wěn)定性研究成果概述

在開展隧道項(xiàng)目過程中圍巖穩(wěn)定程度是重要基礎(chǔ)，在復(fù)雜地質(zhì)、地貌、地理基礎(chǔ)地區(qū)建設(shè)距離較長的隧道項(xiàng)目時(shí)，必然會存在各種不利地質(zhì)環(huán)境和惡劣情形，有較大概率出現(xiàn)突涌水、山體塌方等自然災(zāi)害，在所有地質(zhì)災(zāi)害源中斷層破碎帶較為常見。

王軍杰等研究學(xué)者在開展求解分析的過程中合理利用了計(jì)算程序，借助算例計(jì)算出了在邊界條件不同的情況下，相關(guān)人員支護(hù)淺埋隧道掌子面的反力系數(shù)，不但明確了隧道掌子面的失穩(wěn)機(jī)理，還探討了隧道掌子面的施工技術(shù)[1]。索超峰等通過對3DEC計(jì)算進(jìn)行利用，完成了各種斷層參照系數(shù)的模擬，例如斷層的寬度、傾斜方向、傾斜角度及它們影響圍巖的基本效用[2]。另外，還有部分學(xué)者借助ABAAQUS分析了在埋深不同情況下，掌子面所表現(xiàn)的各種穩(wěn)定情況。在借鑒相關(guān)學(xué)者成功經(jīng)驗(yàn)的前提下，本文將對離散元軟件3DEC進(jìn)行合理運(yùn)用，分析在斷層破碎帶穿越時(shí)隧道掌子面位移變化情況。

2 影響隧道掌子面穩(wěn)定性的因素

修建隧道過程中有很多因素可能對掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了深入分析隧道掌子面穩(wěn)定性問題，相關(guān)人員需要對掌子面穩(wěn)定性的作用機(jī)理和性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[3]。通過分析相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，主要有以下兩方面因素會對隧道掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1 掌子面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)

分析掌子面結(jié)構(gòu)狀態(tài)也就是研究掌子面的完整程度或者破碎程度，它還包括巖體巖塊之間的組成狀態(tài)和巖塊大小。巖體受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的影響將表現(xiàn)在巖體破碎程度上，巖體破碎程度會在較大程度上影響隧道掌子面的穩(wěn)定性，巖體擁有越破碎的結(jié)構(gòu)，掌子面發(fā)生變形破壞的概率就越大。巖石自身性質(zhì)能夠直接影響構(gòu)造面的形式，在變質(zhì)、風(fēng)化、地震等作用的影響下會出現(xiàn)各式各樣的結(jié)構(gòu)面，所以相關(guān)人員應(yīng)該深入研究在各種力學(xué)狀態(tài)下的巖體結(jié)構(gòu)面。在正常情況下，若是軟弱結(jié)構(gòu)面是以單一形式存在，并不會對掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，只有在存在多種不良結(jié)構(gòu)面時(shí)才會對掌子面的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.1.2 初始應(yīng)力狀態(tài)

初始應(yīng)力就是巖石在天然條件下?lián)碛械膬?nèi)在應(yīng)力，是構(gòu)造運(yùn)動在巖體中的應(yīng)力殘留，也被叫做殘余應(yīng)力、天然應(yīng)力，同時(shí)其作為基本作用力在隧道初始應(yīng)力狀態(tài)中存在，繼而為研究隧道掌子面穩(wěn)定性提供支持[4]。地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)不但會釋放大部分應(yīng)力擾亂初始應(yīng)力，還會對巖體變形模量和強(qiáng)度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致巖體力學(xué)機(jī)制受到破壞。在增加地應(yīng)力過程中，會提升巖體的變形模量和強(qiáng)度，在破碎巖體中同樣如此。所以，初始應(yīng)力狀態(tài)會在一定程度上影響隧道掌子面穩(wěn)定性。

2.1.3 地下水狀態(tài)

地下水活動不但會對巖體的強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響，也會在嚴(yán)重影響隧道掌子面的穩(wěn)定性，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐可知，當(dāng)存在地下水時(shí)會降低隧道掌子面巖石的級別，并且會在很多方面影響隧道穩(wěn)定性，需要施工人員在相關(guān)地段采取有針對性的支護(hù)措施。在掌子面的地下水擁有潮濕、滲水、干燥3種狀態(tài)，在隧道施工過程中，巖體就算存在于軟弱破碎的不良地質(zhì)，只要掌子面圍巖的狀態(tài)為干燥，這種不良地質(zhì)也不能在很大程度上影響圍巖穩(wěn)定性，并且處理相關(guān)問題的難度也較低。相反，若是掌子面巖石的狀態(tài)為滲水或者潮濕，地下水的動水壓力和靜水壓力也會對掌子面的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[5]。當(dāng)存在靜水壓力后軟弱結(jié)構(gòu)也會在更大程度上影響掌子面的穩(wěn)定性，會使掌子面出現(xiàn)滑落和坍塌的概率提升，同時(shí)當(dāng)襯砌受到靜水壓力作用時(shí)，將會提升襯砌的額外荷載。所以，相關(guān)人員在開展襯砌和支護(hù)工作的過程中必須充分考慮靜水壓力的不利影響，這種情況會導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)難度提升。動水壓力又被叫做滲透力，在水處于流動狀態(tài)時(shí)會受到土體的阻力作用，同時(shí)也會帶走一部分土體，在這個(gè)過程中會有一個(gè)拖曳力施加在土體骨架上，從而使土體有變形的情況發(fā)生。動水壓力不但會導(dǎo)致巖體裂隙間的膠結(jié)物質(zhì)受到?jīng)_刷，還會推動巖體移動，能夠在一定程度上增加掌子面的破壞程度。

除動水壓力和靜水壓力外，地下水的溶蝕、軟化等作用也會在一定程度上影響巖石，在斷層破碎帶中會降低掌子面巖體強(qiáng)度。在開挖隧道時(shí)，地下水可能出現(xiàn)土體浸水泥化、巖塊下滑等情況，這些問題會降低開挖后掌子面的穩(wěn)定性，從而影響正常施工和隧道整體安全。相關(guān)學(xué)者的研究成果證實(shí)，在隧道掌子面穩(wěn)定性受到地下水的影響方面幾乎都是不利影響，如在以無水石膏、膨脹巖為主的圍巖中，地下水會與這些巖石產(chǎn)生反應(yīng)，將會提升地層壓力；在以千枚巖、泥頁巖為主的軟弱圍巖中，地下水流動會降低巖層硬度，從而使隧道洞身形狀發(fā)生改變。

2.2 外部因素

2.2.1 工程因素

相關(guān)人員開展施工時(shí)，應(yīng)該與隧道掌子面穩(wěn)定性的實(shí)際情況相結(jié)合使用合理的施工工藝，若是隧道掌子面擁有較差穩(wěn)定性，利用臺階法施工，必要時(shí)也可以按照正確的施工順序開展分步開挖，特別是在斷層破碎帶開展隧道工程時(shí)也應(yīng)該合理利用分布臺階法的施工方法。在支護(hù)形式方面，噴錨支護(hù)是較為常見的隧道工程支護(hù)方法，能夠使掌子面卸荷的變形減緩，使掌子面的穩(wěn)定性提升[6]。在設(shè)計(jì)工作中選擇隧道斷面尺寸和形狀是非常重要的工作，通過分析實(shí)際工程情況可知，在擁有相同隧道掌子面的情況下，在不斷提升跨度的過程中隧道橫截面也會切割出越來越多的結(jié)構(gòu)面，在這個(gè)過程中穩(wěn)定性較差的巖塊會增多，會在一定程度上提升巖體破碎程度，從而降低隧道掌子面的穩(wěn)定性，使隧道施工安全受到影響。

2.2.2 時(shí)間因素

隧道掌子面的破壞和失穩(wěn)需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能夠得到展現(xiàn)，其中主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是巖體的流變性質(zhì)，在不改變巖體應(yīng)力狀態(tài)時(shí)掌子面的變形，或者是在時(shí)間越來越長的過程中，在變形約束的作用下不斷降低巖體的應(yīng)力和強(qiáng)度。在巖體中泥巖和黏土質(zhì)巖石等存在明顯的流變性質(zhì)，并且在節(jié)理裂隙的影響下堅(jiān)硬的火成巖也會有流變的現(xiàn)象出現(xiàn)。二是掌子面弱化，隨著時(shí)間不斷流逝，受到隧道開挖后地下水、濕度、溫度等因素的影響，再加上施工時(shí)因?yàn)楸茮_擊產(chǎn)生的振動都會導(dǎo)致掌子面的強(qiáng)度和剛度降低，會在一定程度上擴(kuò)大破碎區(qū)的范圍，提升巖體變形程度，對隧道掌子面的穩(wěn)定性不利。

總之，有很多因素能夠?qū)λ淼勒谱用娴姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響，其中最主要的因素就是掌子面的地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，特別是在斷層破碎帶區(qū)域。有時(shí)上述各種因素可能并不是以單一的形式出現(xiàn)，而是共同存在，在這種情況下將加劇影響程度[7]。所以，研究影響隧道掌子面穩(wěn)定性的因素是非常有必要的，在滿足相關(guān)條件的基礎(chǔ)上應(yīng)該盡量使各種因素形成相互影響和制約的局面，增加有利影響，限制不利影響，以此有效改善隧道掌子面穩(wěn)定性。

3 隧道掌子面失穩(wěn)的表現(xiàn)和支護(hù)注意事項(xiàng)

3.1 隧道掌子面失穩(wěn)表現(xiàn)

對國內(nèi)外地下巷道、隧道掌子面失穩(wěn)的實(shí)際案例進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論，失穩(wěn)隧道掌子面的巖性條件大多存在較低抗壓強(qiáng)度，其中軟弱圍巖非常常見，它們大多屬于公路隧道評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅴ級及以下等級的圍巖[8]。并且當(dāng)掌子面穩(wěn)定性喪失后，在較短時(shí)間內(nèi)還會出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，致使嚴(yán)重的塌陷和裂縫在地表產(chǎn)生、拱頂下沉速度提升等。

3.2 支護(hù)注意事項(xiàng)

在破碎帶和土砂圍巖中，提升掌子面穩(wěn)定性具有非常重要的作用。在斷層破碎帶開展預(yù)加固工作時(shí)應(yīng)該合理使用超前小導(dǎo)管的支護(hù)措施，借助此種措施能夠使隧道前方巖體和超前注漿小導(dǎo)管形成一個(gè)成體，能夠使掌子面松弛變形的情況得到抑制，從而提升施工作業(yè)安全性和掌子面穩(wěn)定性。在實(shí)際開展施工時(shí)應(yīng)該注意以下問題：一是確定超前小導(dǎo)管參數(shù)。在此過程中應(yīng)該充分考慮隧道掌子面地質(zhì)情況，然后與施工要求和設(shè)計(jì)要求相結(jié)合，確定超前小導(dǎo)管參數(shù)。在正常情況下，施工人員在布置超前小導(dǎo)管時(shí)應(yīng)該將其布置在隧道輪廓線120°范圍內(nèi)，確定高于上臺階高度2 m的小導(dǎo)管長度；選擇25～50 mm的小導(dǎo)管直徑；保持10°以下的外插角；0．5～1．5 MPa的注漿壓力；0．3～0．5 m的漿液擴(kuò)散半徑；300～100 L/min的注漿速度；小導(dǎo)管應(yīng)該保持1～2 m的搭接長度。二是超前錨桿。在使用過程中主要用于擁有較少地下水、較差穩(wěn)定性及較小應(yīng)力的掌子面，在開展這種隧道工程施工時(shí)，除了盡量減少圍巖擾動，還應(yīng)該借助超前錨桿完成臨時(shí)支護(hù)掌子面的工作。在使用這種支護(hù)方式時(shí)，相關(guān)人員需要沿著開挖隧道的輪廓線完成超前錨桿布設(shè)，在布設(shè)時(shí)保持6°～12°的外插腳，將錨桿安裝在開挖面，至此支護(hù)施工順利完成。三是超前大管棚。在斷層破碎帶擁有較長的長度時(shí)，開展超前小導(dǎo)管施工的施工工序也會增加，會導(dǎo)致施工進(jìn)度延緩，當(dāng)開展支護(hù)施工時(shí)可以使用超前大管棚的方法。由于在隧道施工中管棚需要保持3 m以上縱向搭接長度，所以在管棚加固長度和隧道開挖掌子面之間應(yīng)該保持安全距離[9]。四是帷幕注漿。小導(dǎo)管注漿和超前管棚由于圍巖和設(shè)備會影響帷幕注漿加固范圍，雖然能夠使圍巖的承載力得到增強(qiáng)，但是這種支護(hù)方式會存在較長的施工時(shí)間。在擁有較高含水量的軟巖破碎帶，難以充分發(fā)揮帷幕注漿法的作用，所以在這種區(qū)域，應(yīng)該在不改變施工方案的基礎(chǔ)上，注重圍巖自承能力的提升，可以對深孔預(yù)注漿措施進(jìn)行合理利用。五是徑向注漿施工。在開展隧道施工時(shí)，若是發(fā)現(xiàn)有呈破碎狀態(tài)或者滲水滴水的情況在掌子面出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該采取注漿的方式加固洞身徑向小導(dǎo)管，使掌子面和圍巖的穩(wěn)定性得到提升，從而有效避免掌子面有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)[10]。在這個(gè)過程中施工人員需要與施工圖紙和圍巖特性相結(jié)合對注漿施工的參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。

4 分析穿越斷層破碎帶時(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性

4.1 3DEC計(jì)算原理

3DEC是基于二維離散元軟件UDEC優(yōu)化而來的。離散單元法的計(jì)算原理是以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，假設(shè)巖石在經(jīng)過節(jié)理裂隙切割后為剛體，與整個(gè)巖體的節(jié)理裂隙相結(jié)合巖石塊體為互相鑲嵌排列，每個(gè)巖塊在空間中都為平衡狀態(tài)且擁有獨(dú)特的位置。在改變位移約束條件或外力時(shí)，在外力和自重的影響下塊體將有轉(zhuǎn)動和移動的情況產(chǎn)生，則會改變塊體的空間位置，在這個(gè)過程中也會改變相鄰塊體的位置和受力，嚴(yán)重時(shí)還會致使塊體重疊。隨著時(shí)間延續(xù)或約束條件變化或外力變化，位置發(fā)生變化的塊體將越來越多，完成各個(gè)塊體轉(zhuǎn)動和移動的模擬，甚至能夠完成巖體損壞情景的模擬。

4.2 數(shù)值模擬分析

4.2.1 計(jì)算模型構(gòu)建

數(shù)值模型確定以下的規(guī)模參數(shù)范圍：Z=70 m，Y=62 m、X=72 m。同時(shí)，數(shù)值模型的寬度使用X表示，數(shù)值模型的縱向用Y表示，數(shù)值模型的高度用Z表示。斷層大約擁有10 m的寬度、0°的傾向、60°的傾角。使用C30等級的混凝土完成襯砌施工，整體擁有0．4 m的厚度。另外，整個(gè)隧道擁有34．5 m的平均深程。

4.2.2 材料的參照系數(shù)選擇

在開展計(jì)算數(shù)值模型的工作時(shí)，相關(guān)工作人員選擇為Ⅴ級等級的圍巖，同時(shí)選擇1/4的Ⅴ級圍巖作為斷層材料參照系數(shù)，利用摩爾-庫倫模型作為巖塊塊體的模型。在這個(gè)過程中，通過如下兩個(gè)公式表示材料的剪切模量G和材料的體積模量K：

在以上公式中，圍巖的彈性模量用E表示，泊松比用v表示。

最終在本次研究中使用表1所示的材料參照系數(shù)。

表1 材料的參照系數(shù)

4.3 分析數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果

4.3.1 分析初始地應(yīng)力狀態(tài)

在獲取隧道挖掘數(shù)值的過程中分析初始地應(yīng)力狀態(tài)非常重要，在對地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行判斷時(shí)，首先應(yīng)該保證最初的位移和最初地應(yīng)力應(yīng)該擁有為0的取值，而當(dāng)擁有34．5 m左右的埋深時(shí)，在不斷提升地層深度數(shù)值的過程中，也會不斷提升地應(yīng)力，這能夠使實(shí)際的發(fā)展規(guī)律得到滿足。而在正式挖掘前擁有取值為0的豎向位移，同樣能夠使計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)要求得到滿足。

4.3.2 分析掌子面開挖時(shí)的位移情況

分析相關(guān)的斷面位移云圖可知，在斷層區(qū)，在接近隧道中心位置的地點(diǎn)會出現(xiàn)最大的掌子面突出位移，并且出現(xiàn)位置大部分為與斷層交接的位置。

4.3.3 對比斷面開挖處掌子面位移情況

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在斷面10 m、24 m、30 m、34 m、40 m、50 m處，然后記錄數(shù)據(jù)與分析監(jiān)測點(diǎn)位移變化情況，最終結(jié)果如下：①在真正進(jìn)入斷層前，也就是y取值為0～24時(shí)，掌子面擁有較為相似的變化規(guī)律，其中在隧道斷面中心的位置會出現(xiàn)最為明顯的位移。所以在作業(yè)過程中，應(yīng)該盡量對預(yù)留核心土開挖施工手段進(jìn)行合理利用，可以大幅度縮減掌子面位移程度，從而使工程變得更加穩(wěn)定。②在斷層位置，也就是y取值為24～34時(shí)，隧道掌子面會出現(xiàn)非常明顯的位移，在斷面為24 m時(shí)為最大值。同時(shí)，分析研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在相關(guān)人員不斷推進(jìn)隧道開挖進(jìn)程時(shí)，會逐漸減少破碎地帶開挖土量，在這個(gè)過程中也會漸漸降低斷面監(jiān)測點(diǎn)變形程度。所以，在不斷推進(jìn)隧道縱向開挖進(jìn)程的過程中，會不斷縮小各斷面掌子面相對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)位移情況。但是，由于可能出現(xiàn)傾斜斷面，導(dǎo)致各個(gè)掌子面和斷層交接的位置大多為掌子面的脆弱位置，將會不斷降低位移程度。由此可知，在施工的過程中，當(dāng)工作人員需要處理斷層破碎帶問題時(shí)，首先應(yīng)該對掌子面的穩(wěn)定性開展綜合考量，特別是需要充分重視掌子面和斷層交接位置的穩(wěn)定性。③在穿越斷層后，也就是y取值為34～60時(shí)，與斷層前的掌子面監(jiān)測點(diǎn)位移相比，斷層后位移擁有相似性，在隧道斷面的中心位置存在最突出的位移情況。

5 結(jié)語

綜上所述，在本次研究中借助數(shù)值模擬研究了穿越斷層破碎帶時(shí)掌子面穩(wěn)定性的問題，最終得出了以下結(jié)論：①在沒有處于斷層區(qū)時(shí)，在斷面的中心位置會發(fā)生最明顯的位移情況，并且在不斷推進(jìn)開挖工作的過程中，與先開挖的掌子面相比，后開挖的掌子面明顯擁有更大的位移。當(dāng)擁有較弱的圍巖強(qiáng)度時(shí)，在開展施工前應(yīng)該利用合理的施工方法開展加固工作，如打錨桿、超前小導(dǎo)管等。②在處于斷層區(qū)時(shí)，在斷層與掌子面的交接位置會出現(xiàn)最明顯的掌子面位移，并且相對來說擁有較大的位移值，正常情況下與斷層區(qū)外相比會擁有高出1．5～4倍的位移值，需要相關(guān)人員充分重視，合理利用錨桿、超前支護(hù)等措施，能夠?yàn)槭┕ぐ踩峁┯行ПＵ稀?/p>