分步開挖對隧道縱向穩定性的影響

袁 鵬，宋宏偉，蔣玉波，熊珍珍

(1．中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業大學 深部巖土力學與

地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

分步開挖對隧道縱向穩定性的影響

袁 鵬1，2，宋宏偉1，2，蔣玉波1，2，熊珍珍1，2

(1．中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116;2．中國礦業大學 深部巖土力學與

地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

運用有限元軟件ANSYS數值模擬和關鍵塊體理論，研究了兩種隧道開挖方法在穿過60°，65°，70°和75°四種斷層過程中的圍巖穩定性問題，并與理論上存在的90°斷層的開挖情況進行對比，分析了塑性區發展和頂板位移。結果表明：斷層傾角對隧道圍巖的穩定性有顯著影響，隨著斷層傾角趨近于90°，隧道頂板穩定性趨好;施工順序和方法對斷層隧道的穩定性亦有顯著影響。

斷層 冒頂 縱向穩定性 分步開挖

隧道施工過程中引起的局部冒頂事故是最為典型的隧道縱向穩定問題［1-3］。除此之外，沿隧道走向的大變形使得隧道最后偏離設計走向，導致不滿足工程需要，這些問題都是目前最常使用的平面模型所無法解釋的。隧道的開挖會穿越許多非連續面，很多學者對這類問題進行了深入的研究并取得了一些成果［4］，認為隧道穩定性與其圍巖中的非連續面有密切關系，但這些研究還存在局限性，主要是忽略了縱向穩定和荷載歷史的問題，這是本文的研究重點。如廣州地鐵2號線中山紀念堂—越秀公園區間隧道是由左右線單線單洞隧道組成的，隧道穿越的區域大部分位于廣州市越秀山下，南北分別與紀念堂站和越秀公園站相接。隧道經過清泉街斷層破碎帶，上覆第四系土層廣泛發育，地質條件復雜。隧道外輪廓寬度為6.0 m，高度為6.3 m，線路埋深21.8 m，隧道采用礦山法施工。清泉街斷裂在紀念堂至越秀公園區間通過，并在紀念堂站所在的連新路與線路斜交，斷層走向290°，傾向SW，傾角60°～75°，為正斷層。斷層由斷層角礫巖、硅化角礫巖、斷層泥組成，膠結性差，強風化，為 V級圍巖［5-6］。本文參考該工程參數，建立模型分析此類問題。

1 數值分析模型

1.1 建模設定

1)斷層的上下盤為連續的巖石介質，服從 D-P準則。

2)斷層的上下盤之間使用接觸單元連接。

3)不考慮斷層的厚度。

4)僅考慮自重荷載。

1.2 模型參數

本文以廣州地鐵2號線中山紀念堂—越秀公園區間隧道為工程背景，選取斷層傾角為 60°，65°，70°和75°4種情況，再對比特殊的90°情況，建立了5組模型，70°和90°傾角模型的單元劃分見圖1和圖2。

圖1 斷層傾角70°模型及單元劃分

圖2 斷層傾角90°模型及單元劃分

單元采用六面體劃分。采用圓形隧道斷面，直徑6 m，覆蓋層厚度21.8 m;地層模型尺寸100 m×40 m×36 m(縱×橫×豎);模型X，Y軸分別沿隧道的橫斷面的水平向和豎向，原點位于模型最右側隧道橫斷面圓心。模型約劃分為10 000多個單元，斷層的摩擦系數取0.2。巖石的各項參數依據《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—99)圍巖分級中Ⅴ類圍巖的參數進行選取。圍巖的相關參數如表1。

表1 圍巖相關參數

2 模擬結果分析

2.1 塑性區分析

2.1.1 從斷層下盤往上盤開挖

關鍵塊體理論中，關鍵塊是指在節理巖體或塊狀巖體中對巖體的穩定性起關鍵作用巖塊［7-9］，關鍵塊一旦滑塌則將能引起后續塊體的連鎖滑塌。一般認為在斷層隧道中，關鍵塊體的位置在斷層下盤頂板處，與模型中斷層下盤最易出現塑性區的位置一致。本文采用關鍵楔形體這個稱呼，推斷斷層隧道縱向穩定性與斷層下盤關鍵楔形體穩定的關系。

為描述方便，將從斷層的下盤向斷層的上盤穿過斷層開挖稱為正穿斷層，反之稱為反穿斷層。斷層角度對正穿斷層隧道塑性區的影響主要體現在:角度較大的時候穿過斷層處幫部塑性區很小，關鍵楔形體塑性區較發育。除去90°斷層的特殊情況，隧道正穿斷層上盤處一般沒有塑性區。隨著斷層角度的增大，頂板的塑性區縮小，最大塑性應變也在減小，幫部的塑性區向斷層處發展，最終變成90°的情況，詳細參數見表2。

綜上可以發現斷層的角度對斷層隧道圍巖的穩定性有著顯著的影響，而且隨著斷層傾角趨近于90°，隧道塑性區往幫部集中，頂板的最大塑性應變、塑性區的大小和頂板最大位移都在減小，可以認為頂板發生冒頂事故的可能性在降低。

2.1.2 從斷層上盤往下盤開挖(表3)

表2 隧道正穿斷層處相關數據

表3 隧道反穿斷層處相關數據

由表3可見反穿斷層角度對塑性區的影響與正穿斷層類似，都是隨著傾角的增大，塑性區向斷層處發展，主要的差別在于:反穿斷層上盤塑性區的發展與正穿斷層下盤的影響也類似，所不同的是反穿斷層塑性區最先偏向隧道的底板處，然后向幫部中間轉移和發展。隧道頂板塑性區最先出現在斷層的下盤，然后隨著斷層角度的增大縮小，最后發展到斷層的上盤。

可以看出改變了開挖方式之后，隧道的破壞形式與位置有著顯著的區別，同時頂板的塑性區位置和發展情況跟正挖隧道相比變得更為復雜:一方面塑性區的位置發生了轉移，塑性區的大小呈現一個先增大隨后減小再增大的變化，頂板位移和最大塑性應變變化也很復雜，說明施工方式作為一個變化的因素深刻地影響著隧道的穩定性。

2.2 頂板位移分析

正穿斷層隧道頂板的位移情況受非連續結構面的影響變化十分復雜，大體呈一個波折型，沿著路徑方向顯示較平緩，然后在路徑約25 m處開始隆起，在非連續結構面前沿急劇下降，穿過斷層之后立刻向上跳躍，經過一個向下彎曲的變形之后，最后趨向于水平，正穿斷層和反穿斷層典型位移如圖3。

圖3 正穿和反穿60°斷層隧道頂板縱向位移

圖3反映出，斷層對隧道圍巖的位移影響十分劇烈，對圍巖穩定性有著十分不利的影響，應該是施工建設過程中重點防護的位置。而且這兩者的曲線規律和趨勢都有很大的不同，分步開挖如果視作一種外部荷載，那么應力歷史對其的影響是十分顯著的，說明施工順序和方法對斷層隧道的穩定性有著顯著的影響。

這兩種開挖方式對頂板位移影響最大的位置在關鍵楔形體的頂點，原因主要是斷層接觸面之間的滑動摩擦力和切應力對關鍵楔形體約束方向的改變。在正挖隧道的過程中，斷層的下盤隧道頂板圍巖最先失去約束，發生變形。之后上盤隧道頂板在變形的過程中，相對下盤巖石來說向下運動，受到已經發生變形的下盤巖體的約束，摩擦力對下盤頂板位置的巖石向下，對上盤則向上，于是二者之間的摩擦力造成圖3所示的位移。反挖的情況剛好相反，摩擦力對下盤頂板位置的巖石向上，對上盤向下。由此可以看出反挖隧道的過程中摩擦力對關鍵楔形體的約束向上，使得頂板關鍵楔形體發生冒頂的可能降低。隨著斷層傾角趨近于90°，圍巖更加趨向于穩定，然而在塑性區發生轉移之后，有利影響就不易體現出來了。

理論上講，斷層對隧道的影響范圍應該隨著斷層角度的增加而減少，但如圖4所示只有在斷層傾角趨近于90°時隧道的影響范圍才明顯減小，在一般情況下，對隧道的影響范圍沒有明顯的變化。

圖4 反穿斷層隧道頂板縱向位移對比

3 結論

1)斷層的傾角對隧道圍巖的穩定性有著顯著的影響，而且隨著斷層傾角趨近于90°，塑性區往幫部集中，頂板的最大塑性應變、塑性區的大小和頂板最大位移都在減小，可以認為頂板發生冒頂事故的可能性在降低，隧道頂板的穩定性越好。

2)反挖隧道塑性區的位置會發生轉移，塑性區的大小呈現一個先增大隨后減小再增大的變化，頂板位移和最大塑性應變變化也很復雜，說明施工方式作為一個變化的因素影響著隧道的穩定性。

3)分步開挖如果視作一種外部荷載，那么應力歷史對其的影響是十分顯著的，說明施工順序和方法對斷層隧道的穩定性有著顯著的影響。

4)反挖隧道的過程中摩擦力對關鍵楔形體的約束向上，使得頂板關鍵楔形體發生冒頂的可能性降低，隨著斷層傾角趨近于90°，圍巖更加趨向于穩定。然而在塑性區發生轉移之后，有利的影響就不易體現出來了。

5)斷層對隧道的影響范圍應該隨著斷層傾角的增大而減小，但只有在斷層傾角趨近于90°時隧道的影響范圍才明顯減小，在一般情況下，對隧道的影響范圍沒有明顯的變化。

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U455．41+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．22

1003-1995(2013)09-0071-03

2013-01-02;

2013-05-27

袁鵬(1989— )，男，江蘇泰州人，碩士研究生。

(責任審編 趙其文)