隧道開挖時(shí)不同寬度斷層對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響

康海波，萬志強(qiáng)，趙剛應(yīng)，張 乾

(1.四川路橋建設(shè)股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020；2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756;3.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)

隨著我國(guó)公路、鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，橋隧比逐年升高，隧道長(zhǎng)度與不斷增加，尤其在西南山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)大隧道在設(shè)計(jì)、施工過程種不可避免的需要穿過斷層破碎帶。斷層破碎帶的出現(xiàn)意味著圍巖地質(zhì)條件差，是造成隧道塌方的重要因素，隧道施工過程中發(fā)生塌方事故，會(huì)嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全，同時(shí)造成機(jī)械設(shè)備毀壞、工程費(fèi)用增加、工期延誤等。

針對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了如下研究。Jeon等[1]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了斷層以不同形式穿過隧道時(shí)圍巖的位移場(chǎng)、塑性區(qū)以及圍巖的破壞模式，結(jié)果表明由于斷層的存在，隧道圍巖的變形量顯著增加，并且沿軟弱面出現(xiàn)明顯的剪切變形。黃生文等[2]利用數(shù)值模擬對(duì)斷層所在區(qū)段的圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，總結(jié)了斷層地段隧道圍巖應(yīng)力的一些分布規(guī)律。雷軍等[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，提出對(duì)隧道穿越F7斷層區(qū)段的斷面采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及改進(jìn)的施工措施，避免隧道出現(xiàn)大變形，從而保證隧道穿越F7斷層區(qū)段安全、快速的進(jìn)行。Anastasopoulos等[4]使用有限元方法研究了大構(gòu)造斷層對(duì)兩個(gè)希臘高速公路隧道的影響，結(jié)果表明斷層破碎帶位于隧道的不同位置時(shí)，隧道發(fā)生變形破壞的部位不同，是由于圍巖的應(yīng)力分布受到斷層破碎帶的影響。王魯南[5]對(duì)在不同深度、不同隧道開挖進(jìn)尺條件下隧道穿過斷層破碎帶的圍巖受力及變形規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)合數(shù)值模擬分析的結(jié)果，從而提出了段家屋隧道在試驗(yàn)段的具體施工方案，即采用兩臺(tái)階的隧道開挖方法，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，最終驗(yàn)證了該施工方法的合理性及可行性。黎盼[6]通過數(shù)值模擬分析了隧道穿過傾角為45 °、60 °、75 °斷層破碎帶時(shí)圍巖的Y方向位移、圍巖受力狀況及支護(hù)受力情況。張優(yōu)利等[7]對(duì)比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶的情況，得出了斷層破碎帶對(duì)于施工過程的影響。萬飛等[8]對(duì)關(guān)角隧道F2-1斷層破碎帶的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過對(duì)原設(shè)計(jì)方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、圍巖壓力、鋼架應(yīng)力、錨桿軸力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，找出了原設(shè)計(jì)方案的不足之處，對(duì)此提出了改進(jìn)措施，采用數(shù)值模擬驗(yàn)證了可行性，最后通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及監(jiān)測(cè)結(jié)果的反饋，證明改進(jìn)措施效果明顯。李鑫[9]模擬雩山隧道穿過斷層破碎帶，計(jì)算結(jié)果顯示隧道兩側(cè)的拱腳會(huì)出現(xiàn)橫向應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力方向指向隧道內(nèi)側(cè)，這使得隧道的拱腳向內(nèi)側(cè)發(fā)生擠壓，產(chǎn)生向內(nèi)的收斂；隧道的底板和拱頂會(huì)存在豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力方向指向隧道內(nèi)側(cè)，這使得隧道拱頂發(fā)生向下的變形，底板產(chǎn)生隆起。唐曉杰等[10]通過Flac3D數(shù)值模擬，指出大跨地鐵隧道穿越斷層變形控制的關(guān)鍵部位是圍巖與斷層相交的拱頂和拱腰處。

本文以公路寶鼎2號(hào)隧道為工程背景，通過Flac3D建立3個(gè)斷層寬度不同的隧道模型，研究隧道穿越不同寬度的斷層對(duì)隧道圍巖變形和二次襯砌的影響，為支護(hù)穩(wěn)定和施工安全提供參考。

1 工程概況

高速公路寶鼎2號(hào)隧道位于四川省攀枝花市仁和區(qū)境內(nèi)，全長(zhǎng)8 775 m，隧道最大埋深約647 m，設(shè)計(jì)為雙向分離式隧道，是攀枝花到大理高速公路的控制工程，隧址如圖1所示。

圖1 寶鼎2號(hào)隧道位置

寶鼎2號(hào)隧道圍巖巖體破碎，構(gòu)造復(fù)雜，穿過各種大小斷層，圖2所示為隧道穿過的4條特大斷層。本文以隧道右線K19+700～K19+781段為研究工況，該范圍內(nèi)隧道穿越F9大斷層。在研究區(qū)段，隧道采用全斷面法開挖，并采用復(fù)合式襯砌支護(hù)。初期支護(hù)采用24 cm厚的C20噴射混凝土和間距0.6 m的I18工字鋼鋼架，二次襯砌采用50 cm厚的C30鋼筋混凝土。

圖2 寶鼎2號(hào)隧道縱斷面

2 三維數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

為了研究斷層寬度對(duì)隧道開挖圍巖擾動(dòng)的影響，本文采用有限差分軟件Flac 3D，建立3個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，分別對(duì)應(yīng)于隧道穿過3種不同寬度的斷層。一般認(rèn)為，圍巖范圍超過隧道半徑的6～10倍后，邊界條件基本不影響數(shù)值模擬結(jié)果，本文根據(jù)寶鼎2號(hào)隧道的實(shí)際地質(zhì)情況并且考慮邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響建立三個(gè)長(zhǎng)81 m，寬80 m，高80 m的三維數(shù)值計(jì)算模型，共231 568個(gè)節(jié)點(diǎn)，228 015個(gè)單元，三個(gè)模型的斷層寬度分別為2 m、7 m、12 m，斷層傾角都為70 °，如圖3所示。

圖3 模型示意

2.2 模型參數(shù)

圍巖選用莫爾庫倫模型，巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要依據(jù)寶鼎2號(hào)隧道地層土工試驗(yàn)結(jié)果并通過經(jīng)驗(yàn)類比確定，初支噴射混凝土用shell單元模擬，工字鋼拱架等效到噴射混凝土中，二次襯砌采用實(shí)體單元模擬，最終確定的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 模擬方法

計(jì)算模型的兩側(cè)采用水平位移約束，底部固定，上表面施加應(yīng)力邊界來模擬上覆土層。地應(yīng)力由輸入初始邊界應(yīng)力后由Flac 3D進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算獲得，為與實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)，用null命令實(shí)現(xiàn)隧道的全斷面開挖，隧道開挖進(jìn)尺為3 m，初支一次施作長(zhǎng)度為3 m；二襯落后掌子面12個(gè)開挖進(jìn)尺，二襯一次施作12 m。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1 洞周圍巖位移分析

2.4.1.1 拱頂沉降

隨著隧道開挖的進(jìn)行，不同寬度斷層拱頂沉降變化規(guī)律對(duì)比如圖4所示?？芍翰煌瑢挾鹊臄鄬樱淼拦绊敵两档淖兓?guī)律一致；隨著開挖的進(jìn)行，拱頂沉降在正常圍巖處沉降值較小，隧道接近斷層，拱頂沉降緩慢增長(zhǎng)，隧道與斷層接觸時(shí)，拱頂沉降先快速增長(zhǎng)然后又迅速減小，隧道遠(yuǎn)離斷層，拱頂沉降趨于穩(wěn)定，接近正常圍巖處的沉降值。斷層寬度的增加，拱頂沉降突變范圍逐漸增大，斷層寬度為2 m時(shí)，拱頂沉降突變范圍是34～39 m(5 m)；斷層寬度為7 m時(shí)，拱頂沉降突變范圍是34～50 m(16 m)；斷層寬度為12 m時(shí)，拱頂沉降突變范圍是33～53 m(20 m)。且隧道拱頂最終沉降量隨著斷層寬度的增大而增大，斷層寬度為2 m時(shí)，拱頂處得最終沉降量為10.04 mm；斷層寬度為7 m時(shí)，拱頂處得最終沉降量為13.04 mm；斷層寬度為12 m時(shí)，拱頂處得最終沉降量為16.32 mm。

圖4 拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值變化規(guī)律

2.4.1.2 拱腰收斂

隨著隧道開挖的進(jìn)行，不同寬度斷層拱腰收斂變化規(guī)律對(duì)比如圖5所示?？芍翰煌瑢挾鹊臄鄬?，隧道拱腰收斂的變化規(guī)律一致；隨著開挖的進(jìn)行，拱腰收斂的變化規(guī)律與拱頂沉降的變化規(guī)律相同。斷層寬度的增加，拱腰收斂突變范圍逐漸增大，斷層寬度為2 m時(shí)，拱腰收斂突變范圍是36～42 m(6 m)；斷層寬度為7 m時(shí)，拱腰收斂突變范圍是36～52 m(16 m)；斷層寬度為12 m時(shí)，拱腰收斂突變范圍是35～56 m(21 m)。隧道拱腰最終收斂量隨著斷層寬度的增大而增大，拱腰水平收斂最終值有大到小排序斷層寬度依次為12 m、7 m、2 m。

圖5 拱腰監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值變化規(guī)律

2.4.1.3 仰拱隆起

隨著隧道開挖的進(jìn)行，不同寬度斷層仰拱隆起變化規(guī)律對(duì)比如圖6所示?？芍翰煌瑢挾鹊臄鄬樱淼姥龉奥∑鸬淖兓?guī)律一致；隨著開挖的進(jìn)行，仰拱隆起的變化規(guī)律與拱頂沉降的變化規(guī)律相同。斷層寬度的增加，仰拱隆起的突變范圍逐漸增大，斷層寬度為2 m時(shí)，仰拱隆起突變范圍是37～43 m(6 m)；斷層寬度為7 m時(shí)，仰拱隆起突變范圍是37～55 m(18 m)；斷層寬度為12 m時(shí)，仰拱隆起突變范圍是35～60 m(25 m)。且隧道仰拱最終隆起量隨著斷層寬度的增大而增大，斷層寬度為2 m時(shí)，仰拱處得最終隆起量為10.8 mm；斷層寬度為7 m時(shí)，仰拱處得最終隆起量為14.45 mm；斷層寬度為12 m時(shí)，仰拱處得最終隆起量為15.87 mm。

圖6 仰拱監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值變化規(guī)律

2.4.2 二次襯砌位移分析

圖7為二次襯砌最大位移云圖，可知：不同斷層寬度，隨著隧道的開挖，二次襯砌與斷層接觸段的位移都大于二次襯砌與正常圍巖接觸段的位移，且在二次襯砌與斷層接觸段，位移值發(fā)生突變。不同斷層寬度，二次襯砌位移值突變范圍不同，斷層寬度越大，斷層對(duì)二次襯砌的影響范圍越大，二次襯砌位移值突變范圍越大，且二次襯砌最大位移值，隨著斷層寬度的增大而增大，斷層寬度為2 m時(shí)，二次襯砌最大位移值為10.80 mm；斷層寬度為7 m時(shí)，二次襯砌最大位移值為14.51 mm；斷層寬度為12 m時(shí)，二次襯砌最大位移值為16.36 mm。從最大位移云圖可以看出，不同寬度的斷層，二次襯砌最大位移都出現(xiàn)在與斷層接觸的拱頂和仰拱部位。

圖7 二次襯砌位移云

2.4.3 塑性區(qū)分析

隧道穿過不同寬度的斷層，圍巖塑性區(qū)分布見圖8。隨著隧道的開挖，隧道洞周均出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)，正常圍巖隧道剪切破壞塑性區(qū)分布范圍達(dá)到4 m，與正常圍巖隧道塑性區(qū)相比，斷層隧道剪切破壞塑性區(qū)面積明顯較大，且隧道穿過不同寬度斷層，塑性區(qū)面積隨著斷層寬度的增加而增加，原因是由于斷層巖體破碎，巖石力學(xué)性質(zhì)差，當(dāng)斷層寬度增加時(shí)，隧道與斷層的接觸面積越大，開挖擾動(dòng)后易破壞。斷層寬度為2 m時(shí)，斷層隧道圍巖剪切破壞塑性區(qū)分布范圍為10 m，斷層寬度為7 m時(shí)，斷層隧道圍巖剪切破壞塑性區(qū)達(dá)到14 m，當(dāng)斷層寬度為12 m時(shí)，斷層隧道圍巖剪切破壞塑性區(qū)范圍最大為16 m。

圖8 不同寬度斷層圍巖塑性區(qū)

3 結(jié)論

本文以高速公路寶鼎2號(hào)隧道為依托工程，對(duì)隧道穿過不同寬度的斷層進(jìn)行數(shù)值模擬，分析斷層寬度不同時(shí)，隨著隧道的開挖，圍巖的變形規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)隧道穿過不同寬度的斷層，隧道拱頂，拱腰，仰拱圍巖位移的變化規(guī)律一致；隨著開挖的進(jìn)行，洞周圍巖收斂位移在正常圍巖處較小，隧道接近斷層，洞周圍巖位移緩慢增長(zhǎng)，隧道與斷層接觸時(shí)，洞周圍巖收斂位移先快速增長(zhǎng)然后又迅速減小，隧道遠(yuǎn)離斷層，洞周圍巖收斂位移趨于穩(wěn)定，接近正常圍巖處的位移值。

(2)隨著斷層寬度的增加，圍巖收斂位移的突變范圍增大，且斷層寬度越大，最終圍巖收斂位移的值越大。

(3)二次襯砌與斷層接觸斷，位移值發(fā)生突變，大于二次襯砌與正常斷圍巖的位移，二次襯砌的最大位移值隨著斷層寬度的增大而增大，且最大位移值出現(xiàn)在二次襯砌與斷層接觸的拱頂和仰拱部位。

(4)斷層寬度的增大，會(huì)導(dǎo)致洞周圍巖剪切破壞塑性區(qū)的分布范圍增大，斷層地段是隧道施工的關(guān)鍵地段，在施工開挖時(shí)，隧道穿越斷層部位需及時(shí)支護(hù)，防止圍巖產(chǎn)生過大的變形影響施工安全及施工進(jìn)度。