商貝貝，梁國棟，王琳琦

（1.中國電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450007；2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450007）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的長大隧道在國內(nèi)建成并投入使用，在隧道快速建設(shè)過程中，隧道圍巖穩(wěn)定性分析也逐漸引起重視，長大隧道從山體內(nèi)部經(jīng)過時(shí)，會(huì)不可避免地經(jīng)過一些不良地質(zhì)構(gòu)造，如巖溶、斷層、破碎帶等，這些常見的不利構(gòu)造，不僅會(huì)增加隧道施工的復(fù)雜性，也會(huì)帶來較大的安全隱患。因此，隧道施工如何安全順暢地穿越斷層破碎帶成為目前亟待解決的問題。

為研究斷層破碎帶對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響，學(xué)者們對(duì)此做了大量的研究，并取得了一定的研究成果。在數(shù)值模擬方面，黃鋒等[1]依托港珠澳大橋南灣隧道，采用離散元方法模擬了斷層破碎帶對(duì)隧道周圍圍巖穩(wěn)定性的影響。張少強(qiáng)等[2]以云南某穿越斷層的隧道工程為背景，采用FLAC3D 建立了數(shù)值模型，研究了不同斷層傾角、斷層傾向和襯砌厚度對(duì)隧道變形的影響。楊青瑩[3]通過建立數(shù)值模型，研究了斷層寬度和傾角對(duì)隧道周圍圍巖的力學(xué)擾動(dòng)影響。楊緒祥等[4]采用數(shù)值計(jì)算方法，研究了隧道穿越斷層時(shí)，不同襯砌材料情況下斷層錯(cuò)動(dòng)量、斷層傾角和斷層厚度等參數(shù)對(duì)隧道襯砌力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。祁文睿等[5]對(duì)某穿越斷層隧道采取探地雷達(dá)、超前地質(zhì)鉆孔等方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，并構(gòu)建了一套基于全站儀、反光片和三維激光掃描于一體的隧道破碎圍巖綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)，可用于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)隧道實(shí)時(shí)變形。龔林金等[6]以水陽高速勝利隧道穿越破碎帶工程為例，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)不同傾角情況下隧道穿越斷層時(shí)的力學(xué)變形規(guī)律進(jìn)行了研究。王飛等[7]以西南地區(qū)某深埋穿越破碎帶隧道工程為例，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)隧道初襯變形規(guī)律和周邊收斂規(guī)律進(jìn)行了研究。此外，模型試驗(yàn)更具有直觀性，也是分析隧道工程的重要手段。李玉生等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了隧道穿越破碎帶時(shí)的隧道變形機(jī)理。汪杰等[9]通過試驗(yàn)研究了不同傾角的節(jié)理巖體發(fā)生破壞時(shí)的規(guī)律。王天強(qiáng)等[10]以滇中引水輸水隧道為背景，通過開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究了隧洞在走滑斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的力學(xué)變化規(guī)律。杜修力等[11]采用自主研發(fā)的用于模擬走滑斷層運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)裝置，分析了走滑斷層運(yùn)動(dòng)下巖體的破裂特性。李翰源等[12]開展了隱伏斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道影響的模型試驗(yàn)，并研究了隧道縱向受力特征和斷層錯(cuò)動(dòng)的關(guān)系。頡永斌等[13]基于筒倉理論并考慮斷層破碎帶的圍巖特性，建立了斷層破碎帶內(nèi)隧道縱向荷載的計(jì)算模型，并開展了數(shù)值模擬和室內(nèi)模型試驗(yàn)，結(jié)合模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

綜上所述，現(xiàn)階段研究主要集中于隧道穿越斷層過程中的圍巖變形破壞機(jī)理研究，對(duì)于同一斷層下如何選取合適的施工工法研究較少。為進(jìn)一步研究不同施工工法情況下，隧道經(jīng)過斷層破碎帶時(shí)隧道圍巖的變形特征，通過建立數(shù)值分析模型，研究了隧道在經(jīng)過斷層破碎帶時(shí)不同施工工法情況下圍巖的變形特征和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)位移響應(yīng)，得出的結(jié)論可以用于指導(dǎo)施工，提高隧道在斷層破碎帶時(shí)的安全性。

2 隧道工程概況

本研究所依托的隧道項(xiàng)目為某高速公路的控制性工程，其開挖直徑為11.9 m，平均埋深約300 m，斷層面向北傾斜，其寬度約45 m，與隧道的夾角為30°。隧址區(qū)域東高西低，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育良好，地表植被茂密，沿隧道走向斷層兩側(cè)巖體以Ⅳ級(jí)圍巖為主，斷層破碎帶巖體主要為Ⅴ級(jí)圍巖。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料及相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，可得各級(jí)圍巖力學(xué)參數(shù)取值，如表1所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of surrounding rocks

3 計(jì)算模型與工況介紹

3.1 計(jì)算模型

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，首先在Midas GTS NX 中建立網(wǎng)格模型，然后導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行計(jì)算分析，隧道計(jì)算模型如圖1所示。圖中紅色部分為正常圍巖段，藍(lán)色部分為斷層破碎帶。考慮邊界影響并結(jié)合圣維南原理，設(shè)定模型在水平方向長度為80 m（x方向），開挖方向長度為100 m（y方向），重力方向長度為80 m（z方向），在模型頂部施加均布荷載模擬上覆巖體自重。邊界條件為約束模型左右兩側(cè)水平位移、前后兩側(cè)水平位移和約束模型底部豎向位移。

彩圖

圖1 隧道計(jì)算模型示意圖Fig.1 Tunnel calculation model diagram

該隧道初期支護(hù)所采用的噴射混凝土的型號(hào)為C20，厚度為25 cm，支護(hù)錨桿直徑為25 mm，長度為3.5 m，間距均為1.2 m，鋼拱架采用I22 工字鋼，間距為50 cm。模擬過程中對(duì)工字鋼進(jìn)行簡化處理，根據(jù)等效軸向剛度原理，將工字鋼和噴射混凝土的強(qiáng)度綜合考慮，其等效彈性模量為

對(duì)于巖體單元，其本構(gòu)采用摩爾庫倫本構(gòu)，錨桿采用cable 單元模擬，初襯采用shell 單元模擬。

3.2 計(jì)算工況

為研究隧道施工過程中穿越斷層破碎帶時(shí)各工法的優(yōu)劣性，分別采用臺(tái)階法、CRD 法（交叉中隔壁法）和環(huán)形開挖預(yù)留核心土法3 種不同的施工工法進(jìn)行研究，3 種計(jì)算模型如圖2所示，各工法的施工步驟如下：

圖2 不同施工工法的計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of different construction methods

1）臺(tái)階法。上臺(tái)階與下臺(tái)階的間隔為5 m，先開挖上臺(tái)階，施作對(duì)應(yīng)的初襯和錨桿結(jié)構(gòu)，然后開挖下臺(tái)階，并施作下臺(tái)階對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。上臺(tái)階開挖20 m 后施作二襯，不斷循環(huán)上述過程直到開挖結(jié)束。

2）CRD 法。該法將隧道斷面分為4 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域沿開挖方向的間隔距離均為5 m，施工順序依次為左上區(qū)域、左下區(qū)域、右上區(qū)域、右下區(qū)域，每次開挖一定區(qū)域后均及時(shí)施作相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3）環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。該法將隧道斷面分為5 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域沿開挖方向的間隔同樣為5 m，施工順序依次為左側(cè)區(qū)域、右側(cè)區(qū)域、頂部區(qū)域、中部區(qū)域、底部區(qū)域，同樣在每次開挖完一定區(qū)域后施作相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

選取的研究斷面為x=0 m 所在的平面，如圖3所示，該平面正好處于模型拱頂與拱底連線位置處，藍(lán)色部分仍為斷層破碎帶區(qū)域，前后兩側(cè)區(qū)域?yàn)榉菙鄬游恢茫凑鷰r段。

彩圖

圖3 模型x=0 m 處的平面視圖Fig.3 Model plane view at x = 0 m

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 圍巖豎向位移分析

圖4 為3 種工法下x=0 平面位置處的豎向位移剖面圖，從圖中可以看出3 種工法在斷層位置處的豎向位移值均明顯大于非斷層位置處的對(duì)應(yīng)值。

彩圖

圖4 不同施工工法下x=0 位置處豎向沉降剖面圖Fig.4 Vertical settlement profile at x = 0 under different construction methods

圖4a 為采用臺(tái)階法施工后最終的豎向位移圖，可看出斷層處的拱頂最大豎向沉降為108.07 mm，拱底隆起值最大為239.15 mm。

圖4b 為采用CRD 工法施工后最終的豎向沉降云圖，其拱頂沉降值最大為69.56 mm，拱底隆起最大值為136.56 mm，可以看到采用CRD 工法對(duì)斷層造成的擾動(dòng)要明顯小于臺(tái)階法施工對(duì)斷層產(chǎn)生的擾動(dòng)，采用CRD 工法得到的拱頂沉降值比臺(tái)階法得到的拱頂沉降值約降低了35.6%，CRD 工法下的拱底隆起值比臺(tái)階法下的拱底隆起值約降低了42.9%。

圖4c 為采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法得到的最終豎向沉降云圖，其拱頂沉降最大值為51.45 mm，拱底隆起最大值為121.25 mm。對(duì)比臺(tái)階法和CRD法，該工法拱頂沉降值分別降低了52.39%和26.04%，拱底隆值起分別降低了49.30%和11.2%。通過數(shù)據(jù)對(duì)比，可以明顯看出，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法對(duì)斷層附近的圍巖擾動(dòng)影響是最小的，安全性最佳，這主要是因?yàn)榄h(huán)形開挖預(yù)留核心土每次開挖的土體范圍最小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)最小，符合“短開挖，早支護(hù)”的施工原則，故建議在斷層位置采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法進(jìn)行施工。

表2 給出了各施工工法下拱頂沉降和拱底隆起的位移最大值。

表2 不同施工工法下拱頂及拱底最大豎向位移Table 2 Maximum vertical displacement of arch top and bottom under different construction methods

為研究拱頂位置處豎向沉降在隧道推進(jìn)過程中的變化情況，在斷層中部隧道拱頂以上2 m 位置處設(shè)置一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，3 種施工工法所反映的規(guī)律基本一致，如圖5所示。隧道開挖初始階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，可視為無位移變化，當(dāng)開挖位置接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，沉降曲線迅速發(fā)展，沉降值迅速增大，當(dāng)周圍圍巖應(yīng)力釋放完畢后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化趨于平緩并達(dá)到穩(wěn)定值。

圖5 不同施工工法下斷層中部拱頂豎向沉降趨勢(shì)圖Fig.5 Vertical settlement trend of the central arch of the vault under different construction methods

4.2 初襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為研究不同施工工法下初襯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)3 種施工工法下初襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力云圖進(jìn)行了分析。圖6 為各工法初襯結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力云圖。

彩圖

圖6 不同施工工法下初襯最大主應(yīng)力云圖Fig.6 Maximum principal stress nephogram of the primary lining under different construction methods

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

圖7 分別為ZK2+658 和ZK2+ 681 兩處斷面拱頂位置的實(shí)測(cè)沉降曲線，其中，ZK2+658 斷面位于斷層破碎帶前方，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)圍巖，ZK2+681斷面處于斷層破碎帶中部位置，其圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖。從圖中可以看出，ZK2+658 斷面的最終沉降值約為52 mm，ZK2+681 斷面的最終沉降值約為82 mm，斷層破碎帶的存在致使斷層附近的隧道拱頂沉降大于非斷層位置。從圖中還可以看出，在20～60 d范圍內(nèi)，拱頂?shù)某两邓佥^快，60 d 之后的沉降速度逐漸減小，表明隧道應(yīng)力大部分已釋放完畢，隧道變形趨于穩(wěn)定。

圖7 不同斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Settlement monitoring curves at the arch roof of different sections

6 結(jié)論

采用FLAC3D 對(duì)隧道穿越斷層破碎帶進(jìn)行了數(shù)值模擬，主要得到以下結(jié)論：

1）通過分析3 種工法下的斷層剖面沉降云圖，發(fā)現(xiàn)采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法施工造成的拱頂沉降值和拱底隆起值最小，對(duì)隧道周圍的圍巖擾動(dòng)最小。

2）隧道中部位置拱頂沉降的迅速發(fā)展主要發(fā)生在施工經(jīng)過該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，在施工未到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)和圍巖應(yīng)力釋放完畢后豎向沉降均為平緩變化，采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土施工得到的初襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度最小，安全性更高。

3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，由于斷層破碎帶的存在會(huì)使得拱頂位置處的沉降增大，隧道變形增大，增加了隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)性，因此在斷層破碎帶附近施工時(shí)，要增加監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)。