中圖分類號：U456. 3⁺ 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.042

文章編號：1673-4874（2025）04-0151-04

0 引言

隨著全球水資源分布不均問題日益凸顯，跨區(qū)域引水工程成為緩解水資源短缺矛盾的重要手段。某引水隧洞工程肩負(fù)著將水資源引入南方干旱地區(qū)的重任，對促進(jìn)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、保障居民生活用水意義重大1。然而，該工程線路所經(jīng)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是長達(dá)1.8km的洞段需穿越斷層破碎帶，給工程建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)，成為整個項目的控制性難點。

斷層破碎帶內(nèi)巖石破碎、節(jié)理裂隙縱橫交錯，加之頻繁的地下水活動，嚴(yán)重削弱了圍巖的穩(wěn)定性。在隧洞開挖過程中，圍巖的變形控制和支護(hù)設(shè)計成為確保工程安全、高效推進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文對此展開研究，以期準(zhǔn)確掌握引水隧洞穿越斷層破碎帶時的變形規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化支護(hù)方案，對于保障工程順利實施、降低建設(shè)風(fēng)險以及實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行具有不可忽視的重要意義。

1 工程概況

某引水隧洞工程將水資源引入南方干旱地區(qū)，以滿足當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活用水需求。工程線路全長5.2km ，其中穿越斷層破碎帶的洞段長度達(dá) 1.8km 。該洞段施工難度大、風(fēng)險高，是整個工程的控制性節(jié)點。工程區(qū)域內(nèi)存在多條斷層，其中F2斷層（F2為斷層編號，位于隧洞最西側(cè)）對隧洞施工影響最為顯著。該斷層走向為NE30^° ，傾角約為 65^° ，斷層破碎帶寬度在 5～20 m不等。斷層帶內(nèi)節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖石破碎程度高，地下水活動頻繁，進(jìn)一步降低了圍巖的穩(wěn)定性。隧洞平均埋深為280m ，地下水類型主要為基巖裂隙水。在斷層破碎帶附近，由于巖體破碎，裂隙連通性好，地下水富集且水力聯(lián)系復(fù)雜。在隧洞開挖初期，采用鋼拱架 + 錨桿支護(hù)隧洞，鋼拱架為I18工字鋼，間距為1m，錨桿采用直徑22mm的螺紋鋼，長度為3m，間距為 1.2m×1.2m ，噴射混凝土C25，厚度為15cm。

2數(shù)值模型的建立

引水隧洞工程在穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域時，其穩(wěn)定性至關(guān)重要。斷層破碎帶及周邊不同地質(zhì)條件對隧洞變形影響顯著。通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件設(shè)定引水隧洞（圖1），整個模型為邊長140m的正方形區(qū)域。在模型中心位置，是直徑為13.5m的隧洞扇區(qū)，代表引水隧洞的位置。隧洞扇區(qū)周圍是直徑為60m的網(wǎng)格加密扇區(qū)，該區(qū)域網(wǎng)格相對密集，以更準(zhǔn)確地模擬隧洞周邊的應(yīng)力和變形情況。最外層是遠(yuǎn)場扇區(qū)，占據(jù)了模型除隧洞扇區(qū)和網(wǎng)格加密扇區(qū)之外的其余部分，網(wǎng)格尺寸為10m。設(shè)定穿越完整巖石（工況1）、穿越斷層破碎帶（工況2）及穿越斷層核心區(qū)（工況3）三種工況，探究引水隧洞的變形規(guī)律，為實際工程提供理論依據(jù)。隧洞邊界和模型邊界的網(wǎng)格尺寸分別為0.15m和 10m 在二維平面應(yīng)變條件下，隧洞開挖過程可分為兩個階段：地應(yīng)力加載階段和隧洞開挖階段。模型邊界在地應(yīng)力階段為自由邊界，在隧洞開挖階段為固定邊界。在數(shù)值模擬過程中，地應(yīng)力加載階段采用初始地應(yīng)力場，垂直應(yīng)力為10 MPa ，水平應(yīng)力為8 MPa 。

圖1隧洞數(shù)值模型圖

3引水隧洞穿越斷層破碎帶的變形規(guī)律研究

3.1隧洞變形規(guī)律分析

本研究利用FLAC3D數(shù)值模型，進(jìn)一步分析不同工況的隧洞變形規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，在工況1引水隧洞穿越完整巖石條件下，拱頂下沉量僅為 5mm 。完整巖石結(jié)構(gòu)致密，具備良好的承載能力，能夠有效分散上部巖體壓力，從而極大程度限制了拱頂?shù)南鲁痢６诠r2引水隧洞穿越斷層破碎帶條件下，拱頂下沉量增加至 15mm ，這主要由于斷層破碎帶內(nèi)巖石破碎，節(jié)理裂隙大量發(fā)育，巖體完整性遭到嚴(yán)重破壞，其承載能力大幅降低，難以有效支撐上部巖體，導(dǎo)致拱頂下沉量急劇增加。相比之下，工況3引水隧洞穿越斷層核心區(qū)條件下，拱頂下沉量為 30mm ，數(shù)值最高。工況2在該變形量上的劣勢在前期階段（從完整巖石到破碎帶過渡）體現(xiàn)得更為突出，其快速增長的下沉量對隧洞初期穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。

工況1引水隧洞穿越完整巖石時，拱底隆起量維持在3mm的較低水平，工況2引水隧洞穿越斷層破碎帶后，拱底隆起量猛增至8mm。與工況3引水隧洞穿越斷層核心區(qū)的15mm相比，工況2的隆起量在從完整巖石工況轉(zhuǎn)變過程中增長幅度更大，說明在穿越斷層破碎帶初期，隧洞底部變形的加劇更為明顯，會進(jìn)一步影響隧洞整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。工況1完整巖石條件下，水平收斂量為4mm，反映出完整巖石對隧洞側(cè)向具有良好的約束能力。工況2水平收斂量迅速增長至 10mm 。相較于工況3斷層核心區(qū)的18mm，工況2在水平收斂量上同樣在前期增長更為迅猛，使得隧洞襯砌結(jié)構(gòu)承受更大的側(cè)向壓力，極大增加了襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、變形甚至破壞的風(fēng)險[5]。

綜合以上各變形量數(shù)據(jù)對比，工況2引水隧洞穿越斷層破碎帶時，在拱頂下沉量、拱底隆起量和水平收斂量上，相較于工況1完整巖石都有極為顯著的增長，且與工況3斷層核心區(qū)相比，在從完整巖石工況轉(zhuǎn)變過程中的變形增長幅度更大，對隧洞穩(wěn)定性的威脅在前期就已突顯。因此，針對工況2穿越斷層破碎帶的情況，必須采取有效的加固支護(hù)措施[]。

圖2不同工況的隧洞變形規(guī)律分析柱狀圖

圖3不同工況的隧洞變形數(shù)值模擬云圖

3.2隧洞主應(yīng)力與塑性區(qū)深度變化

隧洞主應(yīng)力與塑性區(qū)深度變化情況如表1所示。由表1可知，工況2的最大主應(yīng)力為55 MPa ，而工況1僅為18 MPa ，在穿越斷層破碎帶時，隧洞周邊巖體所承受的最大壓應(yīng)力是穿越完整巖石時的3.06倍，表明斷層破碎帶內(nèi)巖石結(jié)構(gòu)破碎，無法像完整巖石那樣均勻分散應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力在局部區(qū)域高度集中，而高應(yīng)力狀態(tài)極易使巖石產(chǎn)生破裂、變形，進(jìn)而威脅隧洞的穩(wěn)定性。雖然工況3處于斷層核心區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，但工況2的最大主應(yīng)力仍高于工況3。且工況2的塑性區(qū)深度達(dá)到10m，與工況1的1.5m相比，增加了8.5m。塑性區(qū)深度的大幅增加，說明在斷層破碎帶內(nèi)，有大量的巖石由于開挖擾動，從彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)。塑性狀態(tài)下的巖石，其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生會顯著變化，承載能力大幅降低，且變形具有不可逆性。大量巖石進(jìn)入塑性區(qū)，會使隧洞周邊圍巖的自穩(wěn)能力急劇下降，如不及時采取支護(hù)措施，圍巖可能持續(xù)變形直至坍塌?；谏鲜鰧ψ畲笾鲬?yīng)力和塑性區(qū)深度數(shù)據(jù)變化的分析，工況2在穿越斷層破碎帶時劣勢明顯。

過高的最大主應(yīng)力和過深的塑性區(qū)深度，使得隧洞面臨極大的坍塌風(fēng)險。為確保施工安全與隧洞長期穩(wěn)定運行，必須采取有效的加固支護(hù)措施。

表1隧洞主應(yīng)力與塑性區(qū)深度變化表

4 引水隧洞加固支護(hù)優(yōu)化設(shè)計

4.1 隧洞加固支護(hù)方案

由前文可知，在引水隧洞工程中，穿越斷層破碎帶時，由于巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)較大變形甚至坍塌。傳統(tǒng)的單一支護(hù)方式在應(yīng)對斷層破碎帶復(fù)雜地質(zhì)條件時往往效果不佳。本研究提出的超前管棚一錨桿聯(lián)合支護(hù)方案，創(chuàng)新性地將超前管棚的預(yù)支護(hù)作用與錨桿的主動加固作用相結(jié)合。超前管棚能夠在隧洞開挖前，在掌子面前方形成一個具有一定剛度和承載能力的棚架結(jié)構(gòu)，提前支撐上部破碎巖體，減少開挖過程中的圍巖變形。錨桿則通過深入圍巖內(nèi)部，與圍巖形成一個整體，提高圍巖的自身穩(wěn)定性和抗變形能力。兩者聯(lián)合作用，能夠更有效地應(yīng)對斷層破碎帶的復(fù)雜地質(zhì)情況，保障隧洞施工安全與長期穩(wěn)定[7-8]。

超前管棚選用直徑為108mm的無縫鋼管，管棚長度分別設(shè)定為18m、20m及22m，環(huán)向間距設(shè)定為 ，外插角設(shè)定為 1^° 。管棚注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40Bé，模數(shù)為3.0。水泥-水玻璃雙液漿具有凝固時間短、早期強(qiáng)度高的特點，能快速填充圍巖裂隙，提高圍巖的整體性和穩(wěn)定性，適應(yīng)斷層破碎帶對支護(hù)快速起效的要求。本研究設(shè)定水泥漿與水玻璃體積比為 1：1 ，水泥漿水灰比為1：1，初始注漿壓力為 0.5MPa ，終壓為 2.5MPa_c。

錨桿選用直徑為22mm的高強(qiáng)度螺紋鋼筋。錨桿長度設(shè)定為 4m ，該長度能夠保證錨桿深入到穩(wěn)定的圍巖中，充分發(fā)揮其錨固作用，有效提高圍巖的穩(wěn)定性；采用梅花形布置，環(huán)向間距為 1.0m ，縱向間距為 1.2m.。

錨固采用全長黏結(jié)式錨固，錨固劑選用優(yōu)質(zhì)的高強(qiáng)度水泥基錨固劑。水泥基錨固劑具有凝固速度快、強(qiáng)度高、黏結(jié)性能優(yōu)良等特點[9，能夠確保錨桿與圍巖之間形成牢固可靠的黏結(jié)，充分發(fā)揮錨桿的錨固效能。為進(jìn)一步提升錨桿的主動支護(hù)效果，對錨桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力設(shè)定分別為100KN、150KN及200KN。

4.2支護(hù)效果分析

4.2.1隧洞拱頂下沉量及收斂量變化

本節(jié)試驗選取斷層破碎帶特征的隧洞段落。在試驗過程中，設(shè)置不同管棚的長度（18m、20m及22m）及不同錨桿預(yù)應(yīng)力（100KN、150KN及200KN），對每個變量組合下的隧洞變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著管棚長度增加，隧洞變形量總體呈下降趨勢。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力固定，管棚長度從18m增至20m時，拱頂下沉量與周邊收斂量明顯降低，這主要因為更長的管棚能在開挖掌子面前方形成更穩(wěn)固的支撐結(jié)構(gòu)，更好地承載上部破碎巖體，抑制變形。但管棚長度從20m增至22m時，變形量下降幅度變緩，甚至在個別情況出現(xiàn)微小反彈，這主要由于過長的管棚施工難度增大，對圍巖擾動加劇，削弱了其對變形的控制效果。在管棚長度固定時，錨桿預(yù)應(yīng)力增大，隧洞變形量持續(xù)減小。錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，對圍巖產(chǎn)生主動約束，增強(qiáng)了圍巖自穩(wěn)能力，使圍巖處于受壓狀態(tài)，從而有效減少變形。在管棚長度為20m及錨桿預(yù)應(yīng)力為150KN的參數(shù)組合下，拱頂下沉量為 18mm ，周邊收斂量為 16mm ，均處于所有數(shù)據(jù)中的較低水平。相比18m管棚的參數(shù)組合，大幅降低了變形量，表明20m管棚的支撐效果更優(yōu)。與22m管棚相比，雖然部分?jǐn)?shù)據(jù)相近，但考慮到施工難度與成本，20m管棚在此處性價比更高。

表2隧洞支護(hù)效果數(shù)據(jù)表

4.2.2 隧洞圍巖應(yīng)力變化

隧洞圍巖應(yīng)力變化如表3所示。由表3可知，隨著管棚長度增加，圍巖最大主應(yīng)力呈下降趨勢。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力固定，管棚長度從18m增至20m，最大主應(yīng)力顯著降低，錨桿預(yù)應(yīng)力為100KN時，最大主應(yīng)力從13 MPa 降至11.2MPa ，這主要因為更長的管棚增強(qiáng)了對圍巖的支撐，分散了應(yīng)力，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。而管棚長度從20m增至22m時，最大主應(yīng)力下降幅度變緩，是由于過長管棚使施工擾動增加，在一定程度上影響了應(yīng)力優(yōu)化效果。對于圍巖最小主應(yīng)力，管棚長度增加時，其絕對值總體增大，即壓應(yīng)力增強(qiáng)，表明管棚支撐改善了圍巖的受力狀態(tài)，使圍巖處于更穩(wěn)定的受壓狀態(tài)。在管棚長度為20m及錨桿預(yù)應(yīng)力為150kN的參數(shù)組合下，圍巖最大主應(yīng)力為 9.2MPa ，最小主應(yīng)力為 -4.9MPa ，相比18m管棚的參數(shù)組合，最大主應(yīng)力大幅降低，表明20m管棚在分散應(yīng)力方面更有效，能更好地改善圍巖受力。與22m管棚相比，雖然最大主應(yīng)力數(shù)值相近，但20m管棚施工難度和成本相對較低。在最小主應(yīng)力方面，其絕對值更大，說明該組合下圍巖受壓穩(wěn)定性更好。

表3隧洞圍巖應(yīng)力變化表

4.2.3支護(hù)優(yōu)化前后對比分析

為進(jìn)一步突出超前管棚－錨桿聯(lián)合支護(hù)方案的可行性，本研究采用傳統(tǒng)錨桿支護(hù)與超前管棚－錨桿聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行對比。錨桿支護(hù)采用直徑為22mm的螺紋鋼錨桿，長度為 3m ，間距為 1.2m×1.2m ，搭配I18工字鋼鋼拱架，間距為 1m ，噴射C25混凝土，厚度為15cm。超前管棚一錨桿聯(lián)合支護(hù)方案中，設(shè)定管棚長度為 20m ，錨桿預(yù)應(yīng)力為150KN。在現(xiàn)場監(jiān)測中，為獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在隧洞拱頂、拱底及洞身兩側(cè)等關(guān)鍵部位布置多個監(jiān)測點。沉降速率監(jiān)測使用高精度水準(zhǔn)儀，定期測量監(jiān)測點高程變化，通過時間間隔計算沉降速率。穩(wěn)定性系數(shù)則通過收集現(xiàn)場巖體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，結(jié)合斷層破碎帶的地質(zhì)構(gòu)造特征計算得出。支護(hù)優(yōu)化前后對比分析如表4所示。

傳統(tǒng)錨桿支護(hù)在開挖初期沉降速率快，平均為4.2mm/d ，相較于超前管棚-錨桿聯(lián)合支護(hù)方案開挖初期的1. 1mm/d ，差距明顯，表明傳統(tǒng)錨桿對斷層破碎帶圍巖的初期變形控制能力較弱。而超前管棚一錨桿聯(lián)合支護(hù)方案能有效降低開挖初期沉降速率，得益于超前管棚在掌子面前方形成的剛性支撐結(jié)構(gòu)。超前管棚選用直徑108mm的無縫鋼管，環(huán)向間距為 0.4m ，外插角為1，這種結(jié)構(gòu)能提前承載上部破碎巖體，使開挖初期的沉降速率降低 74% ，極大減少開挖擾動帶來的變形。傳統(tǒng)錨桿支護(hù)方案穩(wěn)定性系數(shù)為1.12，接近1.0的臨界值，存在較大安全隱患。而超前管棚－錨桿聯(lián)合支護(hù)方案使穩(wěn)定性系數(shù)大幅提升至1.58，增長幅度達(dá) 41% 。超前管棚與錨桿聯(lián)合支護(hù)，二者共同提高了圍巖的整體穩(wěn)定性和自承能力，改善了圍巖的受力狀態(tài)，有效分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而顯著提升了隧洞的穩(wěn)定性。

表4支護(hù)優(yōu)化前后對比分析表

5結(jié)語

（1）本研究借助FLAC3D數(shù)值模型，剖析引水隧洞在不同地質(zhì)工況下的變形特征。當(dāng)穿越完整巖石時，隧洞變形量極小，拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂量分別僅為5min.3min 和4mm。而一旦進(jìn)入斷層破碎帶，拱頂下沉量飆升至 15mm ，拱底隆起達(dá) 8mm ，水平收斂量增至10mm ，與完整巖石工況相比，增長幅度極為顯著。

（2）為應(yīng)對斷層破碎帶的復(fù)雜狀況，本研究創(chuàng)新采用超前管棚一錨桿聯(lián)合支護(hù)方案。本研究對不同管棚長度及錨桿預(yù)應(yīng)力組合進(jìn)行系統(tǒng)分析，明確管棚長度為 20m 及錨桿預(yù)應(yīng)力為150KN的組合效果最佳。在此參數(shù)下，隧洞拱頂下沉量為 18mm ，周邊收斂量為 16mm ，圍巖應(yīng)力狀態(tài)良好，最大主應(yīng)力為 9.2MPa ，最小主應(yīng)力為 -4.9MPa。

（3）超前管棚-錨桿聯(lián)合支護(hù)方案相較于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)優(yōu)勢顯著，能大幅降低開挖初期沉降速率，從4.2mm/d 降至 1.1mm/d ，穩(wěn)定性系數(shù)從1.12提升至1.58，有效控制圍巖變形，增強(qiáng)隧洞穩(wěn)定性，可行性高，值得推廣應(yīng)用。

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