摘要：

為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對(duì)隧道圍巖變形的影響，文章以廣西某高速公路隧道為依托，選用FLAC 3D有限差分軟件簡(jiǎn)化建模，按三臺(tái)階施工方式進(jìn)行模擬分析，得出結(jié)論：在斷層帶傾角從30°變化至90°過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷減?。辉跀鄬訋挾葟?5 m變化至35 m過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷增大；在斷層帶走向從30°變化至90°過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷增大。

關(guān)鍵詞：斷層帶；公路隧道；圍巖變形；FLAC 3D；數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：U456.3 A 46 153 3

0 引言

受地形限制，且地質(zhì)情況復(fù)雜、多斷層，公路隧道建設(shè)中穿越斷層帶的情況時(shí)有發(fā)生。故研究斷層帶對(duì)隧道圍巖變形的影響至關(guān)重要，大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。楊曉芳等［1］研究了復(fù)合構(gòu)造斷層帶在深埋條件下對(duì)隧道圍巖變形的影響，分析了各種防護(hù)措施的適用性。王東劍［2］以陜西某穿越斷層帶隧道為工程背景，利用FLAC 3D軟件仿真模擬研究了超前小導(dǎo)管在不同加固情況下對(duì)隧道圍巖變形的影響并提供了相應(yīng)的優(yōu)化方案。馬磊等［3］運(yùn)用FLAC 3D軟件對(duì)云南某隧道斜井裂隙帶的寬度和傾角進(jìn)行分析，直觀清晰地反映了由于裂隙帶存在造成的圍巖局部失穩(wěn)和大范圍變形。彭亞雄等［4］通過(guò)建立穿越斷層帶隧道力學(xué)模型，研究了在斷層帶富水時(shí)爆破作用下的圍巖力學(xué)性質(zhì)及失穩(wěn)特性，其結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)一致。馮歡歡等［5］基于大瑞高鐵某穿越富水極軟斷層破碎帶隧道工程，研究了TBM掘進(jìn)機(jī)在該工況下施工的關(guān)鍵技術(shù)。祁文睿等［6］研究了穿越軟弱斷層隧道在施工過(guò)程中遇到的塌方突水等問(wèn)題，依托某實(shí)際工程提出了相應(yīng)的施工方法和圍巖變形監(jiān)測(cè)方案。本文為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對(duì)隧道圍巖變形的影響，以廣西某高速公路隧道為原型，選用FLAC 3D有限差分軟件簡(jiǎn)化建模，按三臺(tái)階方式進(jìn)行開(kāi)挖施工模擬。

1 計(jì)算模型

利用軟件模擬工程施工的工作方法已得到全面推廣，而FLAC 3D軟件因其嚴(yán)密的理論和高精度的計(jì)算結(jié)果，在隧道工程中大量使用?？紤]到FLAC 3D建模比較困難，故選用ANSYS軟件建立網(wǎng)格，然后將其導(dǎo)入FLAC 3D軟件中進(jìn)行計(jì)算。本文以廣西某三臺(tái)階法施工的高速公路隧道為原型，研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對(duì)隧道圍巖變形的影響，其模型如圖1、圖2所示。該模型為Mohr-Coulomb彈塑性材料，設(shè)置模型四周為法向約束，底部為全約束，頂部為自由面。根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)置模型尺寸為120 m×120 m×140 m，隧道埋深為210 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

因隧道在實(shí)際施工過(guò)程中，圍巖受力復(fù)雜，影響因素眾多，但在仿真分析過(guò)程中沒(méi)辦法考慮到所有因素，故為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下設(shè)定：（1）設(shè)定斷層帶附近巖體為完全彈性體；（2）圍巖材質(zhì)均勻，為各向同性；（3）初始應(yīng)力場(chǎng)為巖體的自重作用，邊界應(yīng)力垂直于隧道邊界；（4）不考慮地下水的作用。體積模量K和剪切模量G可根據(jù)式（1）、式（2）換算得到。模型材料參數(shù)和支護(hù)參數(shù)如表1所示。

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

根據(jù)斷層帶傾角70°、寬度30 m、走向90°的數(shù)據(jù)得出該隧道的初始地應(yīng)力場(chǎng)如圖4所示。

2 工況模擬

2.1 斷層帶傾角的影響

為研究斷層帶傾角對(duì)圍巖變形的影響，設(shè)置斷層帶傾角分別為30°、45°、60°、70°、90° 5種工況。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶傾角下隧道拱頂沉降如圖5所示。由圖5可知：不同斷層帶傾角時(shí)，隧道拱頂沉降變化規(guī)律基本一致。當(dāng)隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。對(duì)比不同傾角斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶傾角從30°變化至90°的過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值減速減小，位置逐漸后移，其變化范圍也不斷減小。當(dāng)傾角為30°時(shí)，其拱頂最大沉降值最大，位置最靠前，變化范圍最大；當(dāng)傾角為90°時(shí)，其拱頂最大沉降值最小，位置最靠后，變化范圍最小。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶傾角下隧道仰拱隆起如圖6所示。由圖6可知：不同斷層帶傾角時(shí)，隧道仰拱隆起變化規(guī)律基本一致。當(dāng)隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響，其值保持不變；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其隆起值逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。對(duì)比不同傾角斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶傾角從30°變化至90°的過(guò)程中，隧道仰拱最大隆起值減速減小，位置逐漸前移，其變化范圍也不斷減小。即當(dāng)傾角為30°時(shí)，其仰拱最大隆起值最大，位置最靠后，變化范圍最大；當(dāng)傾角為90°時(shí)，其仰拱最大隆起值最小，位置最靠前，變化范圍最小。

2.2 斷層帶寬度的影響

為研究斷層帶寬度對(duì)圍巖變形的影響，設(shè)置斷層帶寬度分別為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m 5種工況。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶寬度下隧道拱頂沉降如圖7所示。由圖7可知：不同斷層帶寬度時(shí)，隧道拱頂沉降變化規(guī)律基本一致。隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。對(duì)比不同寬度斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，位置逐漸前移。當(dāng)寬度為15 m時(shí)，其拱頂最大沉降值最小，位置最靠后；當(dāng)寬度為35 m時(shí)，其拱頂最大沉降值最大，位置最靠前。所有拱頂測(cè)點(diǎn)的沉降值和變化范圍均隨寬度增大而增大。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶寬度下隧道仰拱隆起如圖8所示。由圖8可知：不同斷層帶寬度時(shí)，隧道仰拱隆起變化規(guī)律基本一致。隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其隆起值逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。經(jīng)過(guò)斷層帶后的仰拱測(cè)點(diǎn)隆起穩(wěn)定值明顯大于未經(jīng)過(guò)斷層帶的仰拱測(cè)點(diǎn)初始隆起穩(wěn)定值。對(duì)比不同寬度斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過(guò)程中，隧道仰拱最大隆起值逐漸增大，位置逐漸前移。當(dāng)寬度為15 m時(shí)，其仰拱最大隆起值最小，位置最靠后；當(dāng)寬度為35 m時(shí)，其仰拱最大隆起值最大，位置最靠前。所有仰拱測(cè)點(diǎn)的隆起值和變化范圍均隨寬度增大而增大。

2.3 斷層帶走向的影響

為研究斷層帶走向?qū)鷰r變形的影響，設(shè)置斷層帶走向分別為30°、45°、60°、75°、90° 5種工況。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶走向下隧道拱頂沉降如圖9所示。由圖9可知：不同斷層帶走向時(shí)，隧道拱頂沉降變化規(guī)律基本一致。當(dāng)隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著拱頂測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。對(duì)比不同走向斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶走向從30°變化至90°的過(guò)程中，

隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，變化范圍逐漸減小，但斷層帶走向角度越小時(shí)，其隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的沉降值相較于其他越大。當(dāng)斷層帶走向?yàn)?0°時(shí)，其拱頂最大沉降值最小，變化范圍最大，隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)值最大；當(dāng)斷層帶走向?yàn)?0°時(shí)，其拱頂最大沉降值最大，變化范圍最小，隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)值最小。

仿真計(jì)算所得不同斷層帶走向下隧道仰拱隆起如圖10所示。由圖10可知：不同的斷層帶走向時(shí)，隧道仰拱隆起變化規(guī)律基本一致。隧道深度較小時(shí)，斷層帶對(duì)其幾乎無(wú)影響；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達(dá)到峰值；隨著仰拱測(cè)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離斷層帶，其隆起值逐漸減??；最后逐漸趨于穩(wěn)定，即不受斷層帶影響。對(duì)比不同走向斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶走向從30°變化至90°的過(guò)程中，隧道仰拱最大隆起值逐漸減小，其隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的沉降值也逐漸減小。當(dāng)斷層帶走向?yàn)?0°時(shí)，其仰拱最大隆起值最大，變化范圍最大，隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)值最大；當(dāng)斷層帶走向?yàn)?0°時(shí)，其仰拱最大隆起值最小，變化范圍最小，隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)值最小。

3 結(jié)語(yǔ)

為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對(duì)隧道圍巖變形的影響，本文以廣西某高速公路隧道為原型，對(duì)部分影響較小的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化后，按三臺(tái)階施工方式進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)斷層帶不同傾角進(jìn)行施工模擬可知，不同斷層帶傾角條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規(guī)律基本一致。在斷層帶傾角從30°變化至90°的過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值減速減小，位置逐漸后移，且變化范圍不斷減?。凰淼姥龉白畲舐∑鹬禍p速減小，位置逐漸前移，且變化范圍不斷減小。

（2）通過(guò)對(duì)斷層帶不同寬度進(jìn)行施工模擬可知，不同斷層帶寬度條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規(guī)律基本一致。在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，位置逐漸前移，且變化范圍不斷增大；隧道仰拱最大隆起值逐漸增大，位置逐漸前移，且變化范圍不斷增大。

（3）通過(guò)對(duì)斷層帶不同走向進(jìn)行施工模擬可知，不同斷層帶走向條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規(guī)律基本一致。在斷層帶走向從30°變化至90°的過(guò)程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，且變化范圍不斷減??；隧道仰拱最大隆起值逐漸減小，且變化范圍不斷減小。斷層帶走向角度越小時(shí)，其隧道前后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的拱頂沉降值、仰拱隆起值相較于其他越大。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-01-20