資斌全，晁春波，孟建宇

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，成都 610000）

1 引言

圍巖穩(wěn)定性是一個相對概念，主要研究圍巖應(yīng)力與變形及圍巖強度之間的關(guān)系[1]。而圍巖不穩(wěn)定表現(xiàn)為圍巖破壞或產(chǎn)生過大變形，如出現(xiàn)不應(yīng)有的頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、圍巖開裂等[2]。由于隧道工程圍巖狀況的復(fù)雜性和特殊性，國內(nèi)外學(xué)者對圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究。李育樞[3]利用FLAC 有限差分軟件對某山嶺隧道在地震作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了研究。王崢崢[4]對汶川地震后山嶺隧道震害資料的收集，結(jié)合數(shù)值計算分析了穿越斷層破碎帶的隧道結(jié)構(gòu)非線性損傷，并研究了抗減震措施的作用。崔光耀等[5]根據(jù)汶川地震后的資料利用數(shù)值計算方法分析了隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。Lin 等[6]通過模型試驗研究了斷層錯動對隧道圍巖的破壞。李健等[7]基于云模型評價了圍巖穩(wěn)定性的模糊性和隨機(jī)性并得到可靠結(jié)果。

本文以烏魯木齊地鐵1 號線過斷層破碎帶隧道區(qū)間為研究背景，通過分析影響圍巖穩(wěn)定性的因素，結(jié)合彈塑性理論，分析隧道圍巖破壞特征。在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值模擬工具并設(shè)置對照試驗，進(jìn)一步分析過斷層帶隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變特征，以及斷層破碎帶對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

2 研究背景

烏魯木齊市地鐵已經(jīng)開工建設(shè)的有1 號線、2 號線1 期工程。烏魯木齊軌道交通1 號線為主城南北向骨干線、全網(wǎng)的基線，規(guī)劃線路全長44.4 km。烏魯木齊市地形起伏較大，地勢南高北低，東高西低，平均海拔800 m，其輪廓大致可概括為東、南、西三面環(huán)山，北部為傾斜平原及沙漠。同時由于位于博格達(dá)弧形隆起帶和準(zhǔn)噶爾盆地南緣烏魯木齊山前凹陷的結(jié)合部位，在結(jié)合部位的邊緣凹陷中沉積有巨厚的中、新生代地層，受海西運動以來歷次構(gòu)造運動的影響，形成了一系列軸向北東—南西的褶皺和斷裂。與地鐵1 號線相交的斷裂主要為雅瑪里克山斷裂帶和碗窯斷裂。

3 對照實驗分析

基于地鐵隧道圍巖破壞理論基礎(chǔ)和地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素的分析，對地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)進(jìn)行研究。利用FLAC3D 有限差分軟件對地鐵隧道穿越斷層帶進(jìn)行建模計算作為試驗組，并且利用軟件內(nèi)置FISH 語言編程獲得相關(guān)的塑性區(qū)數(shù)據(jù)。設(shè)置對照試驗，與穿越斷層帶并施加支護(hù)情況下的地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析，主要試驗條件見對照試驗表1。

表1 對照實驗表

4 地鐵隧道穿越斷層破碎帶圍巖變形特征研究

4.1 地鐵隧道穿越斷層帶無支護(hù)數(shù)值模擬分析

對地鐵隧道穿越斷層帶進(jìn)行數(shù)值模擬分析，此次考慮開挖后巖土體自身具有一定的承載能力，不施加襯砌支護(hù)，即分析在無支護(hù)力作用下地鐵隧道圍巖穩(wěn)定性，作為對照組試驗，除不施加支護(hù)外，其他所有條件與施加支護(hù)的穿越斷層帶試驗組模型完全一致。對此對照組計算結(jié)果進(jìn)行分析，作為后續(xù)研究的對比分析基礎(chǔ)。

4.1.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)收集到的烏魯木齊地鐵1 號線的工程地質(zhì)資料和施工資料，本次模型取隧道開挖斷面為圓形，直徑為10 m，隧道埋深沿軸線不變，取軸線埋深為18 m。考慮邊界效應(yīng)影響，根據(jù)已有研究取模型尺寸為50 m×40 m×180 m（水平×豎直×縱向,分別對應(yīng)x 軸方向、z 軸方向和y 軸方向）?？紤]計算精度和計算效率，對隧洞開挖部分周圍單元體網(wǎng)格劃分較密，網(wǎng)格尺寸較小，在此之外單元體網(wǎng)格尺寸較大，排列較疏。地鐵隧道正交穿過斷層帶，斷層傾角取45°，斷層帶中破碎帶長度為10 m，斷層用FLAC3D 中的接觸面單元模擬。

4.1.2 無支護(hù)斷層帶地鐵隧道圍巖變形規(guī)律分析

對隧道穿越斷層帶不加支護(hù)情況下圍巖變形進(jìn)行分析。將模型沿yz 面切分，對沿隧道軸線方向上圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析。模型切分后可以看到沿隧道軸線方向上圍巖發(fā)生位移的情況。

對隧道穿越斷層不加支護(hù)情況下，隧道開挖后圍巖發(fā)生塑性變形的區(qū)域進(jìn)行分析，隧道軸線方向上塑性區(qū)分布如圖1 所示。圖1 是沿yz 面切分模型后看到的塑性區(qū)分布，其中深色部分代表發(fā)生塑性變形的區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)塑性變形由隧洞壁開始發(fā)展，在斷層破碎帶區(qū)沿軸向方向上都有分布，塑性帶范圍內(nèi)的隧道洞壁上，塑性區(qū)分布面積更大，可以認(rèn)為這一范圍內(nèi)隧道圍巖穩(wěn)定性更差。同時可以發(fā)現(xiàn)，在沒有襯砌支護(hù)的情況下，隧洞壁上直接出現(xiàn)圍巖塑性區(qū)，這部分圍巖處于破壞的邊緣或者已經(jīng)破壞，在實際工程中是不安全的，因此及時施加支護(hù)是工程中的必要措施，此次分析出于研究目的未進(jìn)行施加襯砌支護(hù)，計算結(jié)果可以收斂也是通過控制開挖卸荷后的地應(yīng)力釋放率實現(xiàn)的，與實際相比是比較理想的情況。

圖1 隧道軸線方向上塑性區(qū)分布圖

4.2 地鐵隧道穿越斷層帶有支護(hù)數(shù)值模擬分析

4.2.1 數(shù)值模型建立

此次數(shù)值模型，取隧道開挖斷面為圓形，直徑為10 m，隧道埋深沿軸線不變?nèi)≥S線埋深為18 m。考慮邊界效應(yīng)影響，根據(jù)已有研究取模型尺寸為50 m×40 m×180 m（水平×豎直×縱向，分別對應(yīng)x 軸方向、z 軸方向和y 軸方向）。其他條件與前者相同。同時，在隧道開挖后及時施加襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，部分襯砌結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 部分襯砌結(jié)構(gòu)示意圖

4.2.2 有支護(hù)斷層帶地鐵隧道圍巖變形規(guī)律分析

對隧道穿越斷層帶不加支護(hù)情況下圍巖變形進(jìn)行分析。此次主要分析斷層帶存在的影響，將模型沿yz 面切分，模型切分后可以看到沿隧道軸線方向上圍巖發(fā)生位移的情況，豎直方向（z 軸方向）圍巖位移見圖3。

圖3 豎向位移云圖

對隧道穿越斷層并施加支護(hù)的情況下，隧道開挖后圍巖的豎向位移進(jìn)行分析。整體而言，隧道變形表現(xiàn)為拱頂下沉和拱底隆起，這與隧道開挖后卸荷效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果相一致，巖土體開挖部分的缺失導(dǎo)致開挖部分對拱頂?shù)闹巫饔孟?，開挖部分對拱底的壓力消除，最終體現(xiàn)為豎直方向上向隧洞中心收斂。

5 結(jié)論

地鐵隧道作為大型地下工程項目，具有隱蔽性，存在著大量不確定性風(fēng)險因素。對各類隧道穿越地質(zhì)情況分析可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的隧道都會穿越地質(zhì)不良地段，其中穿過斷層帶所受危害最嚴(yán)重，斷層影響區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)情況復(fù)雜，問題多種多樣，容易導(dǎo)致工程巖體失穩(wěn)，產(chǎn)生巨大的破壞。本文結(jié)合烏市地鐵1 號線，通過設(shè)置對照實驗，得出結(jié)論如下：

斷層破碎帶的存在會導(dǎo)致其影響范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)大于其影響范圍以外區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性評價指標(biāo)，即導(dǎo)致在斷層影響帶范圍內(nèi)的隧道圍巖穩(wěn)定性降低。

施加支護(hù)后，圍巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)在斷層帶影響范圍內(nèi)變化幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不施加支護(hù)的情況，施加支護(hù)對于限制開挖后圍巖的塑性變形有極其重要的作用。支護(hù)作用對圍巖穩(wěn)定性的影響要大于斷層帶不良地質(zhì)條件的影響。