摘要：

為研究穿越斷層帶的高速公路隧道圍巖變形特征，文章基于有限元法，利用Midas GTS軟件建立高速公路隧道模型，得出斷層帶對(duì)高速公路隧道圍巖應(yīng)力變形的力學(xué)機(jī)理，同時(shí)針對(duì)不同斷層帶形態(tài)（斷層帶傾角）對(duì)圍巖變形產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：斷層帶對(duì)圍巖豎向位移和水平位移的發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用，隧道開挖未到達(dá)斷層帶時(shí)，隨著開挖深度的增加，位移增長(zhǎng)幅度較小，而恰好處于斷層帶時(shí)，位移增長(zhǎng)幅度較大；高速公路隧道穿越斷層帶時(shí)，圍巖的豎向位移在斷層帶與隧道接觸時(shí)最大，最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖；圍巖豎向位移對(duì)斷層帶傾角變化的敏感層度更高；隨著斷層帶傾角的變化，最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在斷層帶圍巖附近。

關(guān)鍵詞：高速公路；斷層帶有限元；隧道圍巖；變形特征

中圖分類號(hào)：U456.3 A 47 156 4

0 引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)西部城市交通運(yùn)輸行業(yè)得到快速發(fā)展，我國(guó)在交通運(yùn)輸方面已經(jīng)形成一個(gè)較為系統(tǒng)的高速公路網(wǎng)。同時(shí)我國(guó)地緣遼闊、山脈眾多，在修建公路隧道時(shí)常常穿越不良地質(zhì)段，因此必須考慮不良地質(zhì)環(huán)境對(duì)公路隧道的影響，以保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)不良地質(zhì)環(huán)境下公路隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。章元愛等［1］分析富水段隧道對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，并對(duì)圍巖支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改良。王哲［2］通過室內(nèi)三軸壓縮滲流試驗(yàn)，得出地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響因素，分析在同一滲流條件下，巖石峰值強(qiáng)度及彈性模量的變化。鄔愛清等［3］研制水-力耦合作用下的真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，較好地解決了水力耦合作用下的圍巖問題。Thorn等［4］通過三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圍壓變化與隧道變形模量變化呈正相關(guān)。以上學(xué)者主要針對(duì)水環(huán)境對(duì)公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，而趙志剛等［5］采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)奉巫高速公路孫家崖隧道進(jìn)行研究，得出公路隧道施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響因素。薛魁等［6］運(yùn)用有限元軟件建立相應(yīng)的隧道模型，對(duì)隧道開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的解決措施。

然而，上述研究主要集中在水-力耦合作用下圍巖的變形特征以及隧道施工對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響這兩方面，較少涉及斷層帶對(duì)高速公路隧道圍巖影響，因此，本文基于前人對(duì)高速公路隧道圍巖變形的研究，進(jìn)一步考慮復(fù)雜山區(qū)地質(zhì)條件下圍巖的變形特性，提出斷層帶對(duì)施工中隧道圍巖的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，結(jié)合Midas GTS軟件，提出不同情況下的圍巖受力和變形規(guī)律，以期為今后公路隧道施工提供相應(yīng)依據(jù)。

1 工程概況

本文依托于某高速公路標(biāo)段的實(shí)際隧道工程，該工程區(qū)屬于山地地貌，高速公路隧道穿越區(qū)主要巖性為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化石灰?guī)r，其中圍巖破碎、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，傾斜度高。通過查閱《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該地區(qū)新構(gòu)造作用強(qiáng)烈，斷裂活動(dòng)頻繁，其地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。高速公路隧道穿越斷層帶如圖1所示。

2 有限元模型的建立

基于Midas GTS軟件建立相關(guān)模型并進(jìn)行分析，如圖2、圖3所示。由于圍巖與斷層帶均以實(shí)體單元的方式展現(xiàn)，因此該模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系，并提出相關(guān)假定：

（1）圍巖均質(zhì)且各向同性。

（2）忽略地下水的不良影響，不考慮巖體水-力耦合狀態(tài)。

（3）隧道邊界應(yīng)力方向與邊界面垂直。

2.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

細(xì)觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細(xì)觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時(shí)，由于Midas GTS軟件并未給出細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系表達(dá)式，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范以及地質(zhì)勘察情況，并結(jié)合單軸壓縮試驗(yàn)，得到相應(yīng)力學(xué)參數(shù)取值，如表1所示。

穿越斷層帶的某高速公路隧道圍巖變形特征研究/張明良

2.2 三維模型的建立

本文研究以隧道勘察資料為基礎(chǔ)，建立簡(jiǎn)化隧道模型，其具體參數(shù)為：模型橫向長(zhǎng)度為50 m，豎向長(zhǎng)度為100 m，寬度為70 m。將CAD建模后導(dǎo)入Midas GTS軟件，數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

2.3 施工工藝

斷層帶地段采用預(yù)留核心土法施工，其中臺(tái)階長(zhǎng)5 m左右，開挖進(jìn)尺深1 m，依據(jù)實(shí)際工程及掌子面大小，部分采用交替開挖的方式，如圖5所示［7］。

3 不同開挖深度下斷層帶對(duì)隧道圍巖的影響分析

根據(jù)不同開挖深度下有無斷層帶的情況，對(duì)隧道圍巖的位移以及應(yīng)力進(jìn)行分析，如表2所示為斷層帶所處位置及開挖深度參數(shù)取值［8］。

3.1 不同開挖深度下圍巖位移分析

為了分析斷層帶對(duì)施工的影響，選取不同開挖深度的隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，如表3所示為不同開挖深度下有無斷層帶對(duì)圍巖豎向位移的影響；如表4所示為不同開挖深度下有無斷層帶對(duì)圍巖水平位移的影響；如下頁圖6所示為不同開挖深度下有無斷層帶對(duì)圍巖位移的影響。

由圖6及表3、表4可知，斷層帶對(duì)圍巖豎向位移和水平位移的發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)高速公路隧道工程不存在斷層帶時(shí)，隨著開挖深度的增加，圍巖豎向位移增長(zhǎng)緩慢，從3.19 m發(fā)展到3.64 m，而水平位移呈先增大后減小，近似左右對(duì)稱分布的“山峰型?！?/p>

當(dāng)高速公路隧道工程存在斷層帶時(shí)，在未達(dá)到斷層帶的情況下，圍巖豎向位移和水平位移分別為3.47 m、1.55 m；當(dāng)開挖深度為30 m，恰好處于斷層帶時(shí)，圍巖豎向位移和水平位移分別為4.91 m、4.87 m，相對(duì)于未達(dá)到斷層帶的水平和豎直位移，此時(shí)位移增長(zhǎng)幅度大；當(dāng)開挖深度為40 m，已經(jīng)完全經(jīng)過斷層帶時(shí)，圍巖豎向位移和水平位移相比于開挖至30 m時(shí)的增長(zhǎng)幅度較小，分別為5.84 m、4.91 m。

因此可以判斷斷層帶的存在對(duì)圍巖位移存在影響。

3.2 斷層帶上圍巖應(yīng)力分析

如圖7所示為高速公路隧道開挖深度為30 m、不存在斷層帶時(shí)，圍巖最大主應(yīng)力的分布情況。

如圖8所示為高速公路隧道開挖深度為30 m、存在斷層帶時(shí)，圍巖最大主應(yīng)力的分布情況。

由圖7、圖8可知，不存在斷層帶時(shí)，最大主應(yīng)力的分布情況與地層分布相似，均為層狀分布，未出現(xiàn)相對(duì)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大主應(yīng)力的數(shù)值較小。

存在斷層帶時(shí)，最大主應(yīng)力會(huì)在斷層處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要集中于開挖面處。

4 斷層帶傾角對(duì)高速公路隧道圍巖變形的影響分析

4.1 位移影響分析

斷層帶形態(tài)對(duì)隧道圍巖的變形有較大影響［9］，因此本文選取不同角度下的斷層帶傾角，對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其力學(xué)特征。如表5所示為斷層帶傾角計(jì)算工況。

通過圖9、表6可知，高速公路隧道穿越斷層帶時(shí)，圍巖的豎向位移在斷層帶與隧道接觸時(shí)最大，而最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖。隨著傾角的不斷增大，拱頂最大沉降量先減小后增大，而拱底最大隆起量隨著傾角的增大先減小后增大，呈現(xiàn)左右對(duì)稱的“V型”分布。

但對(duì)于豎向位移而言，隨著傾角的變化，圍巖水平位移變化相對(duì)不明顯，因此可知，豎向位移對(duì)斷層帶傾角變化的敏感程度更高。

4.2 應(yīng)力影響分析

如圖10所示為不同斷層帶傾角條件下最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果。

由圖10可知，隨著斷層帶傾角的變化，最小主應(yīng)力先增大后減小，呈現(xiàn)左右對(duì)稱的“U型”分布。而最大主應(yīng)力變化無明顯規(guī)律，但最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力都出現(xiàn)在斷層帶圍巖附近，不受開挖情況影響。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)穿越斷層帶的高速公路隧道圍巖變形特征進(jìn)行研究，采用Midas GTS軟件分析斷層帶的存在對(duì)圍巖變形及應(yīng)力的影響，并針對(duì)斷層帶形態(tài)（傾角不同）對(duì)高速公路隧道圍巖的豎向位移、水平位移、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力變化進(jìn)行分析，提出不同情況下圍巖受力和變形規(guī)律，為今后公路隧道施工提供相應(yīng)依據(jù)。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）斷層帶對(duì)圍巖豎向位移和水平位移的發(fā)展有明顯的促進(jìn)作用，未達(dá)到斷層帶時(shí)，隨著開挖深度的增加，位移增長(zhǎng)幅度較小，恰好處于斷層帶時(shí)，圍巖豎向位移和水平位移分別為4.91 m、4.87 m，位移增長(zhǎng)幅度較大。

（2）高速公路隧道穿越斷層帶時(shí)，圍巖的豎向位移在斷層與隧道接觸時(shí)最大，而最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖。

（3）圍巖豎向位移對(duì)斷層帶傾角變化的敏感程度更高。

（4）隨著斷層帶傾角的變化，最大主應(yīng)力以及最小主應(yīng)力都出現(xiàn)在斷層帶圍巖附近。

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收稿日期：2023-01-15