基于穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩(wěn)定性探討

黃 濤

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

0 前言

近年來，我國不斷擴大高等級公路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模，在這個過程中，人們對隧道項目提出了更高的要求，施工項目的難度系數(shù)越來越高，例如在建設(shè)隧道時經(jīng)常會穿越斷層破碎帶。在正常情況下，斷層破碎帶之中大多都擁有非常松散的巖體，而且這些巖體的穩(wěn)定性較低，受到外部因素干擾的概率較高，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌方等安全事故。所以，深入研究斷層破碎帶的問題及其對隧道施工的影響是非常有必要的?；诖?，本文將探討穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩(wěn)定性的問題，希望能夠借助相關(guān)措施幫助相關(guān)人員更好更安全的隧道施工環(huán)境。

1 掌子面穩(wěn)定性研究成果概述

在開展隧道項目過程中圍巖穩(wěn)定程度是重要基礎(chǔ)，在復(fù)雜地質(zhì)、地貌、地理基礎(chǔ)地區(qū)建設(shè)距離較長的隧道項目時，必然會存在各種不利地質(zhì)環(huán)境和惡劣情形，有較大概率出現(xiàn)突涌水、山體塌方等自然災(zāi)害，在所有地質(zhì)災(zāi)害源中斷層破碎帶較為常見。

王軍杰等研究學(xué)者在開展求解分析的過程中合理利用了計算程序，借助算例計算出了在邊界條件不同的情況下，相關(guān)人員支護淺埋隧道掌子面的反力系數(shù)，不但明確了隧道掌子面的失穩(wěn)機理，還探討了隧道掌子面的施工技術(shù)[1]。索超峰等通過對3DEC計算進行利用，完成了各種斷層參照系數(shù)的模擬，例如斷層的寬度、傾斜方向、傾斜角度及它們影響圍巖的基本效用[2]。另外，還有部分學(xué)者借助ABAAQUS分析了在埋深不同情況下，掌子面所表現(xiàn)的各種穩(wěn)定情況。在借鑒相關(guān)學(xué)者成功經(jīng)驗的前提下，本文將對離散元軟件3DEC進行合理運用，分析在斷層破碎帶穿越時隧道掌子面位移變化情況。

2 影響隧道掌子面穩(wěn)定性的因素

修建隧道過程中有很多因素可能對掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，為了深入分析隧道掌子面穩(wěn)定性問題，相關(guān)人員需要對掌子面穩(wěn)定性的作用機理和性質(zhì)特點進行準確判斷[3]。通過分析相關(guān)文獻資料可知，主要有以下兩方面因素會對隧道掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.1 內(nèi)部因素

2.1.1 掌子面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)

分析掌子面結(jié)構(gòu)狀態(tài)也就是研究掌子面的完整程度或者破碎程度，它還包括巖體巖塊之間的組成狀態(tài)和巖塊大小。巖體受到地質(zhì)構(gòu)造運動的影響將表現(xiàn)在巖體破碎程度上，巖體破碎程度會在較大程度上影響隧道掌子面的穩(wěn)定性，巖體擁有越破碎的結(jié)構(gòu)，掌子面發(fā)生變形破壞的概率就越大。巖石自身性質(zhì)能夠直接影響構(gòu)造面的形式，在變質(zhì)、風(fēng)化、地震等作用的影響下會出現(xiàn)各式各樣的結(jié)構(gòu)面，所以相關(guān)人員應(yīng)該深入研究在各種力學(xué)狀態(tài)下的巖體結(jié)構(gòu)面。在正常情況下，若是軟弱結(jié)構(gòu)面是以單一形式存在，并不會對掌子面穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響，只有在存在多種不良結(jié)構(gòu)面時才會對掌子面的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響。

2.1.2 初始應(yīng)力狀態(tài)

初始應(yīng)力就是巖石在天然條件下?lián)碛械膬?nèi)在應(yīng)力，是構(gòu)造運動在巖體中的應(yīng)力殘留，也被叫做殘余應(yīng)力、天然應(yīng)力，同時其作為基本作用力在隧道初始應(yīng)力狀態(tài)中存在，繼而為研究隧道掌子面穩(wěn)定性提供支持[4]。地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)不但會釋放大部分應(yīng)力擾亂初始應(yīng)力，還會對巖體變形模量和強度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致巖體力學(xué)機制受到破壞。在增加地應(yīng)力過程中，會提升巖體的變形模量和強度，在破碎巖體中同樣如此。所以，初始應(yīng)力狀態(tài)會在一定程度上影響隧道掌子面穩(wěn)定性。

2.1.3 地下水狀態(tài)

地下水活動不但會對巖體的強度和應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生影響，也會在嚴重影響隧道掌子面的穩(wěn)定性，結(jié)合相關(guān)工程實踐可知，當(dāng)存在地下水時會降低隧道掌子面巖石的級別，并且會在很多方面影響隧道穩(wěn)定性，需要施工人員在相關(guān)地段采取有針對性的支護措施。在掌子面的地下水擁有潮濕、滲水、干燥3種狀態(tài)，在隧道施工過程中，巖體就算存在于軟弱破碎的不良地質(zhì)，只要掌子面圍巖的狀態(tài)為干燥，這種不良地質(zhì)也不能在很大程度上影響圍巖穩(wěn)定性，并且處理相關(guān)問題的難度也較低。相反，若是掌子面巖石的狀態(tài)為滲水或者潮濕，地下水的動水壓力和靜水壓力也會對掌子面的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[5]。當(dāng)存在靜水壓力后軟弱結(jié)構(gòu)也會在更大程度上影響掌子面的穩(wěn)定性，會使掌子面出現(xiàn)滑落和坍塌的概率提升，同時當(dāng)襯砌受到靜水壓力作用時，將會提升襯砌的額外荷載。所以，相關(guān)人員在開展襯砌和支護工作的過程中必須充分考慮靜水壓力的不利影響，這種情況會導(dǎo)致設(shè)計成本和設(shè)計難度提升。動水壓力又被叫做滲透力，在水處于流動狀態(tài)時會受到土體的阻力作用，同時也會帶走一部分土體，在這個過程中會有一個拖曳力施加在土體骨架上，從而使土體有變形的情況發(fā)生。動水壓力不但會導(dǎo)致巖體裂隙間的膠結(jié)物質(zhì)受到?jīng)_刷，還會推動巖體移動，能夠在一定程度上增加掌子面的破壞程度。

除動水壓力和靜水壓力外，地下水的溶蝕、軟化等作用也會在一定程度上影響巖石，在斷層破碎帶中會降低掌子面巖體強度。在開挖隧道時，地下水可能出現(xiàn)土體浸水泥化、巖塊下滑等情況，這些問題會降低開挖后掌子面的穩(wěn)定性，從而影響正常施工和隧道整體安全。相關(guān)學(xué)者的研究成果證實，在隧道掌子面穩(wěn)定性受到地下水的影響方面幾乎都是不利影響，如在以無水石膏、膨脹巖為主的圍巖中，地下水會與這些巖石產(chǎn)生反應(yīng)，將會提升地層壓力；在以千枚巖、泥頁巖為主的軟弱圍巖中，地下水流動會降低巖層硬度，從而使隧道洞身形狀發(fā)生改變。

2.2 外部因素

2.2.1 工程因素

相關(guān)人員開展施工時，應(yīng)該與隧道掌子面穩(wěn)定性的實際情況相結(jié)合使用合理的施工工藝，若是隧道掌子面擁有較差穩(wěn)定性，利用臺階法施工，必要時也可以按照正確的施工順序開展分步開挖，特別是在斷層破碎帶開展隧道工程時也應(yīng)該合理利用分布臺階法的施工方法。在支護形式方面，噴錨支護是較為常見的隧道工程支護方法，能夠使掌子面卸荷的變形減緩，使掌子面的穩(wěn)定性提升[6]。在設(shè)計工作中選擇隧道斷面尺寸和形狀是非常重要的工作，通過分析實際工程情況可知，在擁有相同隧道掌子面的情況下，在不斷提升跨度的過程中隧道橫截面也會切割出越來越多的結(jié)構(gòu)面，在這個過程中穩(wěn)定性較差的巖塊會增多，會在一定程度上提升巖體破碎程度，從而降低隧道掌子面的穩(wěn)定性，使隧道施工安全受到影響。

2.2.2 時間因素

隧道掌子面的破壞和失穩(wěn)需要經(jīng)過一定的時間才能夠得到展現(xiàn)，其中主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是巖體的流變性質(zhì)，在不改變巖體應(yīng)力狀態(tài)時掌子面的變形，或者是在時間越來越長的過程中，在變形約束的作用下不斷降低巖體的應(yīng)力和強度。在巖體中泥巖和黏土質(zhì)巖石等存在明顯的流變性質(zhì)，并且在節(jié)理裂隙的影響下堅硬的火成巖也會有流變的現(xiàn)象出現(xiàn)。二是掌子面弱化，隨著時間不斷流逝，受到隧道開挖后地下水、濕度、溫度等因素的影響，再加上施工時因為爆破沖擊產(chǎn)生的振動都會導(dǎo)致掌子面的強度和剛度降低，會在一定程度上擴大破碎區(qū)的范圍，提升巖體變形程度，對隧道掌子面的穩(wěn)定性不利。

總之，有很多因素能夠?qū)λ淼勒谱用娴姆€(wěn)定性產(chǎn)生影響，其中最主要的因素就是掌子面的地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，特別是在斷層破碎帶區(qū)域。有時上述各種因素可能并不是以單一的形式出現(xiàn)，而是共同存在，在這種情況下將加劇影響程度[7]。所以，研究影響隧道掌子面穩(wěn)定性的因素是非常有必要的，在滿足相關(guān)條件的基礎(chǔ)上應(yīng)該盡量使各種因素形成相互影響和制約的局面，增加有利影響，限制不利影響，以此有效改善隧道掌子面穩(wěn)定性。

3 隧道掌子面失穩(wěn)的表現(xiàn)和支護注意事項

3.1 隧道掌子面失穩(wěn)表現(xiàn)

對國內(nèi)外地下巷道、隧道掌子面失穩(wěn)的實際案例進行分析，可以得出以下結(jié)論，失穩(wěn)隧道掌子面的巖性條件大多存在較低抗壓強度，其中軟弱圍巖非常常見，它們大多屬于公路隧道評價標(biāo)準中的Ⅴ級及以下等級的圍巖[8]。并且當(dāng)掌子面穩(wěn)定性喪失后，在較短時間內(nèi)還會出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，致使嚴重的塌陷和裂縫在地表產(chǎn)生、拱頂下沉速度提升等。

3.2 支護注意事項

在破碎帶和土砂圍巖中，提升掌子面穩(wěn)定性具有非常重要的作用。在斷層破碎帶開展預(yù)加固工作時應(yīng)該合理使用超前小導(dǎo)管的支護措施，借助此種措施能夠使隧道前方巖體和超前注漿小導(dǎo)管形成一個成體，能夠使掌子面松弛變形的情況得到抑制，從而提升施工作業(yè)安全性和掌子面穩(wěn)定性。在實際開展施工時應(yīng)該注意以下問題：一是確定超前小導(dǎo)管參數(shù)。在此過程中應(yīng)該充分考慮隧道掌子面地質(zhì)情況，然后與施工要求和設(shè)計要求相結(jié)合，確定超前小導(dǎo)管參數(shù)。在正常情況下，施工人員在布置超前小導(dǎo)管時應(yīng)該將其布置在隧道輪廓線120°范圍內(nèi)，確定高于上臺階高度2 m的小導(dǎo)管長度；選擇25～50 mm的小導(dǎo)管直徑；保持10°以下的外插角；0．5～1．5 MPa的注漿壓力；0．3～0．5 m的漿液擴散半徑；300～100 L/min的注漿速度；小導(dǎo)管應(yīng)該保持1～2 m的搭接長度。二是超前錨桿。在使用過程中主要用于擁有較少地下水、較差穩(wěn)定性及較小應(yīng)力的掌子面，在開展這種隧道工程施工時，除了盡量減少圍巖擾動，還應(yīng)該借助超前錨桿完成臨時支護掌子面的工作。在使用這種支護方式時，相關(guān)人員需要沿著開挖隧道的輪廓線完成超前錨桿布設(shè)，在布設(shè)時保持6°～12°的外插腳，將錨桿安裝在開挖面，至此支護施工順利完成。三是超前大管棚。在斷層破碎帶擁有較長的長度時，開展超前小導(dǎo)管施工的施工工序也會增加，會導(dǎo)致施工進度延緩，當(dāng)開展支護施工時可以使用超前大管棚的方法。由于在隧道施工中管棚需要保持3 m以上縱向搭接長度，所以在管棚加固長度和隧道開挖掌子面之間應(yīng)該保持安全距離[9]。四是帷幕注漿。小導(dǎo)管注漿和超前管棚由于圍巖和設(shè)備會影響帷幕注漿加固范圍，雖然能夠使圍巖的承載力得到增強，但是這種支護方式會存在較長的施工時間。在擁有較高含水量的軟巖破碎帶，難以充分發(fā)揮帷幕注漿法的作用，所以在這種區(qū)域，應(yīng)該在不改變施工方案的基礎(chǔ)上，注重圍巖自承能力的提升，可以對深孔預(yù)注漿措施進行合理利用。五是徑向注漿施工。在開展隧道施工時，若是發(fā)現(xiàn)有呈破碎狀態(tài)或者滲水滴水的情況在掌子面出現(xiàn)時，應(yīng)該采取注漿的方式加固洞身徑向小導(dǎo)管，使掌子面和圍巖的穩(wěn)定性得到提升，從而有效避免掌子面有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)[10]。在這個過程中施工人員需要與施工圖紙和圍巖特性相結(jié)合對注漿施工的參數(shù)進行合理調(diào)整。

4 分析穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩(wěn)定性

4.1 3DEC計算原理

3DEC是基于二維離散元軟件UDEC優(yōu)化而來的。離散單元法的計算原理是以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，假設(shè)巖石在經(jīng)過節(jié)理裂隙切割后為剛體，與整個巖體的節(jié)理裂隙相結(jié)合巖石塊體為互相鑲嵌排列，每個巖塊在空間中都為平衡狀態(tài)且擁有獨特的位置。在改變位移約束條件或外力時，在外力和自重的影響下塊體將有轉(zhuǎn)動和移動的情況產(chǎn)生，則會改變塊體的空間位置，在這個過程中也會改變相鄰塊體的位置和受力，嚴重時還會致使塊體重疊。隨著時間延續(xù)或約束條件變化或外力變化，位置發(fā)生變化的塊體將越來越多，完成各個塊體轉(zhuǎn)動和移動的模擬，甚至能夠完成巖體損壞情景的模擬。

4.2 數(shù)值模擬分析

4.2.1 計算模型構(gòu)建

數(shù)值模型確定以下的規(guī)模參數(shù)范圍：Z=70 m，Y=62 m、X=72 m。同時，數(shù)值模型的寬度使用X表示，數(shù)值模型的縱向用Y表示，數(shù)值模型的高度用Z表示。斷層大約擁有10 m的寬度、0°的傾向、60°的傾角。使用C30等級的混凝土完成襯砌施工，整體擁有0．4 m的厚度。另外，整個隧道擁有34．5 m的平均深程。

4.2.2 材料的參照系數(shù)選擇

在開展計算數(shù)值模型的工作時，相關(guān)工作人員選擇為Ⅴ級等級的圍巖，同時選擇1/4的Ⅴ級圍巖作為斷層材料參照系數(shù)，利用摩爾-庫倫模型作為巖塊塊體的模型。在這個過程中，通過如下兩個公式表示材料的剪切模量G和材料的體積模量K：

在以上公式中，圍巖的彈性模量用E表示，泊松比用v表示。

最終在本次研究中使用表1所示的材料參照系數(shù)。

表1 材料的參照系數(shù)

4.3 分析數(shù)值模型計算結(jié)果

4.3.1 分析初始地應(yīng)力狀態(tài)

在獲取隧道挖掘數(shù)值的過程中分析初始地應(yīng)力狀態(tài)非常重要，在對地應(yīng)力狀態(tài)進行判斷時，首先應(yīng)該保證最初的位移和最初地應(yīng)力應(yīng)該擁有為0的取值，而當(dāng)擁有34．5 m左右的埋深時，在不斷提升地層深度數(shù)值的過程中，也會不斷提升地應(yīng)力，這能夠使實際的發(fā)展規(guī)律得到滿足。而在正式挖掘前擁有取值為0的豎向位移，同樣能夠使計算的標(biāo)準要求得到滿足。

4.3.2 分析掌子面開挖時的位移情況

分析相關(guān)的斷面位移云圖可知，在斷層區(qū)，在接近隧道中心位置的地點會出現(xiàn)最大的掌子面突出位移，并且出現(xiàn)位置大部分為與斷層交接的位置。

4.3.3 對比斷面開挖處掌子面位移情況

監(jiān)測點設(shè)置在斷面10 m、24 m、30 m、34 m、40 m、50 m處，然后記錄數(shù)據(jù)與分析監(jiān)測點位移變化情況，最終結(jié)果如下：①在真正進入斷層前，也就是y取值為0～24時，掌子面擁有較為相似的變化規(guī)律，其中在隧道斷面中心的位置會出現(xiàn)最為明顯的位移。所以在作業(yè)過程中，應(yīng)該盡量對預(yù)留核心土開挖施工手段進行合理利用，可以大幅度縮減掌子面位移程度，從而使工程變得更加穩(wěn)定。②在斷層位置，也就是y取值為24～34時，隧道掌子面會出現(xiàn)非常明顯的位移，在斷面為24 m時為最大值。同時，分析研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在相關(guān)人員不斷推進隧道開挖進程時，會逐漸減少破碎地帶開挖土量，在這個過程中也會漸漸降低斷面監(jiān)測點變形程度。所以，在不斷推進隧道縱向開挖進程的過程中，會不斷縮小各斷面掌子面相對應(yīng)監(jiān)測點位移情況。但是，由于可能出現(xiàn)傾斜斷面，導(dǎo)致各個掌子面和斷層交接的位置大多為掌子面的脆弱位置，將會不斷降低位移程度。由此可知，在施工的過程中，當(dāng)工作人員需要處理斷層破碎帶問題時，首先應(yīng)該對掌子面的穩(wěn)定性開展綜合考量，特別是需要充分重視掌子面和斷層交接位置的穩(wěn)定性。③在穿越斷層后，也就是y取值為34～60時，與斷層前的掌子面監(jiān)測點位移相比，斷層后位移擁有相似性，在隧道斷面的中心位置存在最突出的位移情況。

5 結(jié)語

綜上所述，在本次研究中借助數(shù)值模擬研究了穿越斷層破碎帶時掌子面穩(wěn)定性的問題，最終得出了以下結(jié)論：①在沒有處于斷層區(qū)時，在斷面的中心位置會發(fā)生最明顯的位移情況，并且在不斷推進開挖工作的過程中，與先開挖的掌子面相比，后開挖的掌子面明顯擁有更大的位移。當(dāng)擁有較弱的圍巖強度時，在開展施工前應(yīng)該利用合理的施工方法開展加固工作，如打錨桿、超前小導(dǎo)管等。②在處于斷層區(qū)時，在斷層與掌子面的交接位置會出現(xiàn)最明顯的掌子面位移，并且相對來說擁有較大的位移值，正常情況下與斷層區(qū)外相比會擁有高出1．5～4倍的位移值，需要相關(guān)人員充分重視，合理利用錨桿、超前支護等措施，能夠為施工安全提供有效保障。