穿越斷層破碎帶時(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性分析

蘇先鋒， 駱 陽

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國高等級(jí)公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，出于隧道工程線型的要求，越來越多的隧道需穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶內(nèi)巖體一般松散破碎、自穩(wěn)能力差，容易發(fā)生塌方事故。因此，研究斷層破碎帶對(duì)隧道施工塌方的影響及工程對(duì)策有重要的理論和實(shí)際意義。

本文通過3DEC數(shù)值模擬方法，對(duì)隧道穿越斷層破碎帶進(jìn)行了三維離散元分析，得出了隧道穿越斷層破碎帶過程中的各個(gè)位置掌子面位移變化特征。

1 掌子面穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

圍巖穩(wěn)定性問題是隧道施工安全的重要前提，在地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜的西部地區(qū)修建長大隧道工程將會(huì)遇到更多的不良地質(zhì)條件，施工中極易引發(fā)塌方、突涌水等災(zāi)害事故。在各種不良地質(zhì)條件中，斷層破碎帶是重要的地質(zhì)災(zāi)害源[1]。

周森[2]等人利用Matlab編制計(jì)算程序進(jìn)行優(yōu)化求解，通過算例得到了不同邊界條件下維持淺埋隧道掌子面穩(wěn)定所需支護(hù)反力系數(shù)，解釋了淺埋隧道掌子面失穩(wěn)機(jī)理；常喬磊[3]采用3DEC計(jì)算模擬了不同斷層參數(shù)，如斷層傾角、傾向、寬度對(duì)圍巖變形的影響；劉健[4]采用ABAQUS分析了不同埋深情況下掌子面的穩(wěn)定情況。

研究所用軟件為Matlab、ABAQUS和FLAC3D，數(shù)值模擬沒有考慮巖體的節(jié)理、裂隙對(duì)圍巖變形的影響，而采用3DEC計(jì)算的例子中幾乎很少有涉及到掌子面和斷層同時(shí)研究的情況，所以本次采用離散元軟件3DEC，進(jìn)行隧道穿越斷層破碎帶過程中的各個(gè)位置掌子面位移變化特征分析。

2 3DEC計(jì)算基本原理

3DEC是在二維離散元軟件UDEC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。離散單元法的基本原理是基于牛頓第二定律，假設(shè)被節(jié)理裂隙切割的巖塊是剛體，巖石塊體按照整個(gè)巖體的節(jié)理裂隙互相鑲嵌排列，在空間每個(gè)巖塊有自己的位置并處于平衡狀態(tài)。當(dāng)外力或位移約束條件發(fā)生變化時(shí)，塊體在自重和外力作用下將產(chǎn)生位移(移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))，則塊體的空間位置就會(huì)發(fā)生變化，這又導(dǎo)致相鄰塊體受力和位置的變化，甚至塊體互相重疊。隨著外力或約束條件的變化或時(shí)間的延續(xù)，有更多的塊體發(fā)生位置變化和互相重疊，從而模擬各個(gè)塊體的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至巖體破壞。

3 隧道掌子面失穩(wěn)因素與支護(hù)措施

在列舉國內(nèi)外隧道及地下巷道掌子面失穩(wěn)實(shí)例中的隧道及地下巷道掌子面失穩(wěn)的基本情況后，發(fā)現(xiàn)隧道掌子面發(fā)生失穩(wěn)的巖性條件一般是在隧道所穿越圍巖抗壓強(qiáng)度低，屬于軟弱圍巖范疇，屬于公路或鐵路隧道圍巖分類中Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)及以下的圍巖范圍內(nèi)。且掌子面失穩(wěn)時(shí)，一般伴隨有大變形發(fā)生，通常表現(xiàn)為地表出現(xiàn)裂縫、塌陷，掌子面向隧道內(nèi)空擠出隧道周邊位移、拱頂下沉速率變快等情況[5]。

在土砂圍巖和膨脹性圍巖、破碎帶中，確保掌子面的穩(wěn)定是至關(guān)重要的。穩(wěn)定掌子面的方法，根據(jù)其功能的不同，可分為以下幾種：

(1) 支護(hù)圍巖(超前支護(hù)、短管棚等)。

(2)改良圍巖(注漿等)。

(3)發(fā)揮錨桿作用(斜錨桿、正面錨桿等)。

(4)噴混凝土加強(qiáng)等[6]。

4 數(shù)值模擬

4.1 建立計(jì)算模型

模型整體尺寸為：X=70.0 m，Y=60.0 m，Z=65.0 m，X、Y、Z分別為模型寬度、縱向、高度。斷層寬度為10 m，傾角dip=60°，傾向dd=0°。整體模型如圖1所示。襯砌采用C30混凝土，厚度為0.3 m。隧道埋深33.6 m。隧道主體模型如圖2所示。

圖1 整體模型

圖2 隧道主體模型

4.2 材料參數(shù)選取

計(jì)算中，采用圍巖級(jí)別取為Ⅴ級(jí)，斷層材料參數(shù)?、跫?jí)圍巖的1/4，塊體模型采用摩爾-庫倫模型，節(jié)理模型采用庫倫滑動(dòng)模型。其中材料的體積模量K和剪切模量G由式(1)和式(2)確定。

(1)

(2)

式中：E為圍巖的彈性模量，ν為泊松比。

節(jié)理的法向剛度Kn和切向剛度Ks由式(3)和式(4)確定。

(3)

(4)

式中：Em為巖體的彈性模量，Er為巖石的彈性模量，Gm為巖體的剪切模量，Gr為巖石的剪切模量，s為節(jié)理間距。

本次計(jì)算的材料參數(shù)見表1，節(jié)理參數(shù)見表2。

表1 材料參數(shù)

4.3 開挖工法及監(jiān)測點(diǎn)布置

因施工需要，采用全年斷面開挖，每個(gè)開挖步為2 m。開挖斷面形式及監(jiān)測點(diǎn)位置如圖3所示。

表2 節(jié)理參數(shù)

圖3 開挖斷面形式及監(jiān)測點(diǎn)位置

4.4 計(jì)算結(jié)果

4.4.1 初始地應(yīng)力狀態(tài)

初始地應(yīng)力狀態(tài)是隧道開挖數(shù)值模擬的關(guān)鍵。地應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)當(dāng)包含正確的初始地應(yīng)力和初始位移為0。埋深為33.6 m時(shí)，模型初始地應(yīng)力狀態(tài)和初始位移如圖4和圖5所示。

圖4 初始地應(yīng)力狀態(tài)

圖5 初始位移

從圖4、圖5可以看出，隨著地層深度的增加，地應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長狀態(tài)，符合實(shí)際規(guī)律。豎向位移在開挖前為0，滿足計(jì)算需要。

4.4.2 開挖狀態(tài)下掌子面位移

開挖狀態(tài)下掌子面位移云圖見圖6、圖7。從圖6、圖7中可以看出：在斷層區(qū)，掌子面最大突出位移發(fā)生在隧道中心位置附近，且與斷層位置相交處。

圖6 y=24m斷面位移云圖

圖7 y=34m斷面位移云圖注：因模型較大，開挖長度為60 m，而斷層區(qū)處于y=24 m至y=34 m，此處僅列舉y=24 m、y=34 m斷面的位移云圖。

4.4.3 各個(gè)開挖斷面處掌子面的位移情況對(duì)比

斷面y=10 m、y=20 m、y=24 m、y=30 m、y=34 m、y=40 m、y=50 m處監(jiān)測點(diǎn)的位移變化情況如圖8、圖9所示。

圖8 斷層區(qū)域外各斷面處監(jiān)測點(diǎn)的位移變化

從圖8和圖9中可以看出：

(1)進(jìn)入斷層前，即y=0 m至y=24 m，掌子面變化規(guī)律相似，最大突出位移發(fā)生在Z=1 m，即隧道斷面中心處。所以在施工方法上，如果條件允許，可采用預(yù)留核心土開挖工法，減小掌子面位移，確保施工安全。

(2)在斷層區(qū)，即y=24 m至y=34 m，隧道掌子面突出位移突然變大，最大值發(fā)生在y=24 m斷面處，達(dá)到22.08 mm。

圖9 斷層區(qū)內(nèi)各斷面處監(jiān)測點(diǎn)的位移變化

從y=24 m、y=30 m、y=34 m處掌子面各監(jiān)測點(diǎn)縱向位移曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)：由于縱向隧道的進(jìn)一步開挖，破碎帶區(qū)域的開挖土體逐漸減小，之后各斷面的監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形逐漸減小，所以隨著縱向隧道的開挖，各斷面的掌子面對(duì)應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)突出位移整體情況下呈減小趨勢。但是，由于傾斜斷層的存在，掌子面的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在斷層與各個(gè)掌子面交叉位置處，所以上述三條曲線最大位移發(fā)生處呈現(xiàn)下移趨勢。所以，在施工時(shí)，如果遇到斷層破碎帶，一定要注意掌子面的穩(wěn)定問題，特別是斷層與掌子面交叉處。

(3)出斷層后，即y=34 m至y=60 m，從y=40 m、y=50 m處掌子面各監(jiān)測點(diǎn)縱向位移曲線圖可以看出，掌子面監(jiān)測點(diǎn)位移的變化規(guī)律與進(jìn)入斷層前規(guī)律一致，最大突出位移發(fā)生在Z=1 m，即隧道斷面中心處。

5 結(jié)論

通過本次數(shù)值模擬，對(duì)于穿越斷層破碎帶時(shí)隧道掌子面穩(wěn)定性的研究，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)在斷層區(qū)外(進(jìn)入斷層前和出斷層后)，掌子面最大位移發(fā)生在其中心位置處，且隨著開挖的進(jìn)行，后開挖掌子面的位移比前開挖掌子面的位移要大。在圍巖強(qiáng)度較弱的情況下施工時(shí)要注意提前加固，如注漿和打錨桿等措施。

(2)在斷層區(qū)內(nèi)，掌子面的最大位移發(fā)生在掌子面與斷層交叉處，位移值比較大，是斷層區(qū)外位移的1.5 ～4倍，需要特別注意，可以采取超前支護(hù)、圍巖注漿、錨桿等支護(hù)措施，保障施工安全。