特大跨度隧道穿越斷層破碎帶時的施工模擬及受力特點

李曉斌

(陜西鐵路工程職業技術學院，714099，渭南//講師)

地質條件復雜多變，修筑隧道常不可避免地需穿越斷層破碎帶，極易出現圍巖大變形、塌落及結構失穩等災害。由于斷層的性質、寬度、填充物、含水性、活動性，以及斷層與隧道的空間位置關系各不相同，故應對處理措施相對被動，常在圍巖或結構出現異常后才采取措施。

目前,國內外對隧道穿越斷層破碎帶時的結構穩定性已有一定的研究。文獻[1]分析了高地應力下斷層破碎帶的襯砌力學特征，提出了襯砌的破壞形式和潛在破壞面。文獻[2]對比了普通段和斷層破碎帶段隧道的錯動破壞，提出寬斷層破碎帶錯動不但引起二襯砌垮塌，而且引起隧道垮塌。文獻[3]研究了斷層破碎帶中隧道初支大變形的原因，并提出了相應的措施。文獻[4]模擬了包西鐵路洞子崖隧道淺埋斷層破碎帶的工法，提出雙側壁導坑法最優的結論。文獻[5]提出位于斷層破碎帶處隧道的內力值都遠大于距離斷層破碎帶較遠處相應位置的內力值，且當隧道襯砌遠離斷層一定距離后，其縱向截面的內力值收斂于一個穩定值。文獻[6-7]提出斷層破碎帶處圍巖塑性區均比非斷層破碎帶處大，且初期支護、二次襯砌內力的相比增加10%～30%的觀點，并提出工程處理技術。

可見，已有研究集中于已修建隧道的靜力分析或是地震力分析，對斷層破碎帶內的分部開挖及斷層影響范圍的研究相對缺乏，對特大跨度隧道穿越斷層破碎帶的研究也相對較少。本文結合某采用臺階法開挖的穿越斷層破碎帶的特大跨度隧道工程，對施工過程中的沉降情況、二次襯砌的受力情況及斷層破碎帶的影響范圍進行研究，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某新建地下車站跨度為32.3 m，高19.4 m，埋深63～107 m，圍巖等級為Ⅴ級，初期支護采用C25噴射混凝土，二次襯砌為C35鋼筋混凝土。地下車站局部洞身處于斷層破碎帶，其圍巖穩定性差。斷層產狀為236°∠80°，寬度約為16 m。隧道施工采用臺階法，其開挖分部見圖1。

a) 平面b) 橫斷面

圖1 臺階法開挖分部示意圖

2 建立仿真計算模型

采用ANSYS有限元分析軟件對隧道及斷層破碎帶進行模擬。地層結構仿真計算模型，沿縱向取220 m，橫向取洞徑的4倍以消除邊界效應。由于隧道在斷層破碎帶附近的最大埋深為85 m，故模型埋深取85 m。斷層寬度取16 m，產狀為236°∠80°。隧道以斜交形式通過斷層破碎帶。仿真模型的計算參數見表1。

表1 仿真模型的力學參數表

仿真模型以軟弱帶加接觸面的形式來模擬斷層地段。斷層內圍巖的力學參數以軟弱帶的形式體現，并在斷層與正常圍巖的交界處加入面-面接觸單元Target170和Contact174，以模擬斷層上下盤間的相互作用。初期支護和二次襯砌間也添加相應接觸面，其接觸單元類型同上，可模擬初期支護和二次襯砌間的相互作用及滑移。

臺階法開挖則通過有限元的生死單元功能進行模擬。依據相應的臺階法施工順序，在模型中對相應的圍巖以殺死單元的操作來模擬開挖，并利用激活單元來模擬初期支護的施作。仿真計算模型見圖2。

a) 地層結構b) 臺階法開挖過程模型

圖2 仿真計算模型

3 仿真計算結果分析

3.1 拱頂沉降

根據開挖進尺達到和未達破碎帶時的數據，臺階法開挖過程中各開挖分部的拱頂沉降統計結果見表2。

表2 各開挖分部的拱頂沉降

由表2可見：當開挖進尺未達到斷層破碎帶內時，拱頂最大沉降為42.33 mm，且沉降值在第4個開挖分部之后就逐漸穩定；當開挖進尺達到斷層破碎帶時，拱頂最大沉降達90.39 mm，是前者的2.14倍，且沉降值在第6個開挖分部后才開始趨于穩定。可見，斷層破碎帶不僅使隧道開挖時的拱頂沉降值增加，也對沉降的收斂速度有著較大影響。

3.2 接觸壓力及結構內力

修筑二次襯砌后，二次襯砌與初期支護間的接觸壓力如圖3所示。

a) 線路左側視角b) 線路右側視角

單位： MPa

圖3 二次襯砌接觸壓力分布圖

由圖3可知，在斷層破碎帶及靠近斷層處，二次襯砌結構出現了明顯的側壓力增大情況。斷層破碎帶附近的初期支護和二次襯砌間的最大接觸壓力為1.76 MPa，距離斷層破碎帶較遠位置的最大接觸壓力為1.36 MPa，前者為后者的1.30倍。因此在斷層破碎帶附近可適當對襯砌邊墻位置進行優化設計，以降低襯砌發生失穩的風險[8-9]。

提取斷層破碎帶附近的二次襯砌第一主應力分布，如圖4所示。

圖4 斷層區域內二次襯砌第一主應力分布

由圖4可知，斷層破碎帶區域內的結構最大第一主應力為2.32 MPa，接近混凝土的抗拉強度，結構有出現破壞的可能性。結構受拉區主要分布在邊墻外側。因此建議在斷層破碎帶附近對襯砌結構的邊墻部位加強支護，并增加監控量測頻率，以保障工程順利進行[10]。

3.3 斷層破碎帶的影響范圍

由上述分析可知，當隧道與斷層破碎帶呈斜交關系時，二次襯砌結構的邊墻位置受斷層影響最大。因此，提取整個模型縱向220 m范圍內邊墻外側第一主應力最大值，并以此來分析斷層破碎帶對二次襯砌結構的影響范圍。測點的第一主應力與里程的關系如圖5所示。

圖5 襯砌邊墻測點第一主應力與里程的關系

由圖5可知，在縱向坐標為100～155 m范圍內，測點的第一主應力值有明顯的增加，且在斷層中心位置左右達到最大值(1.91 MPa)；比無斷層影響時相同位置的應力增大了17%左右。因此，可認為寬16 m的斷層影響范圍可達55 m左右。由此建議，隧道掘進過程中，在進入斷層影響范圍內時，應采取一定措施來加強支護，提高監測頻率，并及時處理異常情況[11]。

4 結論

本文結合某特大跨度隧道穿越斷層破碎帶的實際工程，建立了仿真計算模型，統計了斷層破碎帶內臺階法施工的拱頂沉降情況，分析了在斷層破碎帶內修筑二次襯砌后的結構受力情況，并提出了斷層破碎帶對二襯結構的影響范圍。最后得到如下結論：

(1)斷層破碎帶對臺階法開挖時的拱頂沉降值有著較大影響。在斷層內開挖時的拱頂沉降為無斷層影響時的2.14倍。

(2)斷層破碎帶的存在明顯延后了拱頂沉降的收斂時機。在本文工況中，有斷層影響下的拱頂沉降在第6個開挖分部后才開始趨于穩定，無斷層影響下的拱頂沉降則在第4個開挖分部后就趨于穩定。

(3)在斷層破碎帶及靠近斷層處，二次襯砌結構受到的側壓力明顯增大，為無斷層情況下的1.3倍。斷層對二次襯砌結構的邊墻主應力有明顯影響，該處存在明顯的拉應力集中現象，其最大拉應力值為無斷層區域的1.17倍。故建議對斷層內的二次襯砌邊墻采取優化設計等措施。

(4)以二次襯砌結構邊墻的第一主應力為評判標準，提出了斷層破碎帶對結構的影響范圍。在本文的算例中，寬度為16 m的斷層，影響范圍為55 m，約為其自身寬度的3.5倍。

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