隧道斷層破碎帶圍巖穩定性影響分析

舒 進 李 健 侯軍紅

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳 518052； 2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430014)

隧道斷層破碎帶圍巖穩定性影響分析

舒 進1李 健2侯軍紅1

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，廣東 深圳 518052； 2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430014)

針對某公路隧道斷層破碎帶發育情況，分析了影響隧道斷層破碎帶圍巖穩定性因素，并基于有限元MIDAS-GTS分析軟件，采用摩爾—庫侖模型，對隧道進行了分步開挖數值模擬，研究了斷層破碎帶處位移特征及應力特征，得出了一些有意義的結論。

隧道，斷層破碎帶，圍巖穩定性，位移，應力，數值模擬

0 引言

斷層是巖層或巖體在受力斷裂后，斷裂面兩側巖層沿斷裂面有明顯相對位移時的斷裂構造，構造斷裂層是隧道工程開挖施工中的最常見不良地質現象。斷層破碎帶中巖石具有變化大、風化強、完整性差特點，是影響隧道施工安全的主要地質因素[1]。因此研究斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性影響，對指導圍巖斷層處設計與施工具有重大實際意義。

1 工程概況

穿越閩西北山區某公路隧道場址屬構造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；隧道場區在大地構造上處于華南褶皺系東部、閩西南坳陷帶北緣。隧道位于坑邊復式向斜西北翼與李坊—魏坊斜歪倒轉復式背斜西南翼之間，區內見4條斷層帶發育，皆為非活動斷裂帶，涌水量均較大，圍巖級別低，隧道斷層破碎帶特征統計如表1所示。

2 影響隧道斷層破碎帶圍巖穩定性因素

影響隧道圍巖穩定性的地質因素主要是兩個方面：1)內部自身因素，主要包括：圍巖初始應力場、巖體內部結構狀態和地質構造、巖石的性質、地下水影響和斷層破碎帶與隧道中線的夾角等；2)外部環境因素，主要包括：隧道的斷面設計形式、隧道開挖施工工法和隧道支護方案措施等[2]。

表1 隧道斷層破碎帶特征統計表

2.1 隧道斷層破碎帶力學性質分析

按斷層力學性質，該隧道斷層破碎帶主要為逆沖壓性斷層和壓扭性斷層兩種。F04和F05逆沖壓性斷層地質年代為古生代石炭系晚期屬于單一式斷層破碎帶類型。逆沖壓性斷層主要是由長軸平行或近于斷層面的菱形壓裂面、壓扁巖、構造透鏡體、碎糜巖、包圍其片理化巖或充填于它們中間的斷層泥、不規則的團塊狀石英和方解石組成；斷層面上，常見大量的上盤上沖擦痕[3]。

F04A，F06和F01壓扭性斷層地質年代為古生代泥盆系屬于復合式斷層破碎帶類型。壓扭性斷層的基本特征和邊界范圍與單一式壓沖逆斷層類似，但是破碎帶內部常會出現一些后期疊加的扭性構造，在斷層破碎帶中出現大量的切割壓扁巖、構造透鏡體、碎糜巖、包圍其片理化巖等構造巖、有水平位移并具有明顯水平擦痕的平行劈面，這種情況在靠近主斷面時比較明顯。

2.2 隧道斷層破碎帶控水與導水性分析

隧道斷層中的斷層水，是相對集中的基巖裂隙水，主要是由隧道的斷層破碎帶所控制[4]，需具體分析隧道斷層破碎帶的控水性與導水性。

1)斷層破碎帶控水性分析。

隧道F04和F05逆沖壓性斷層壓裂巖分布地帶，由于裂隙發育，會形成儲水的構造，施工中此處很容易發生涌水和突水的地質災害。F04A，F06和F01壓扭性斷層為復合式斷層，由于其經過了兩次及以上多次的構造活動，所以在斷層形式的疊加和復合多樣化，裂隙發育程度都很高，因此更容易發生地下涌水和突水的地質災害。

2)斷層破碎帶導水性分析。

隧道F04和F05逆沖壓性斷層中壓性斷層破碎帶的外帶，特別是壓裂巖分布地帶，由于裂隙發育，作為斷層主動盤的上盤會成為其導水的通道。而F04A，F06和F01壓扭性斷層為復合式斷層，它們經歷兩次及以上多次的斷層構造活動，斷層破碎帶的影響寬度相對于F04和F05逆沖壓性斷層會變大，其原有的斷層破碎巖石會更加破碎松動，節理裂隙更加發育，均可作為地下水和地表水體的導水通道，因此F04，F04A，F05，F06和F01均具有影響隧道施工的危險性。

3 隧道斷層破碎帶對圍巖穩定性影響數值模擬分析

根據隧道前期地勘資料表明：隧道施工過程中將通過多條斷層破碎帶，這樣會對隧道的圍巖穩定性帶來很大影響。為了分析隧道施工過程中圍巖—支護結構的穩定性，以隧道逆沖壓性斷層F04的斷面ZK14+200為研究對象，采用MIDAS-GTS有限元軟件進行三維隧道數值施工模擬。

3.1 本構模型選取

本文在采用GTS模擬計算中，采用了摩爾—庫侖模型，該模型是最通用的巖土本構模型，適用于那些在剪應力下屈服，但剪應力只取決于最大、最小主應力，而第二主應力對屈服不產生影響松散而膠結的粒狀材料，如：土體，巖石，混凝土等[5]。其屈服準則為[6]：

3.2 計算模型和計算參數

計算模型寬100m，高120m，隧道埋深90m，縱向長100m，其中斷層20m。左右邊界施加水平位移約束，下部邊界施加豎直位移約束[7]，如圖1所示。其開挖方案如圖2所示，計算參數如表2所示。復合支護構造參數如下：

1)初期支護:φ25中空注漿錨桿L=350cm，間距為100cm×100cm梅花形布置。C25噴射混凝土厚24cm+Φ6鋼筋網+Ⅰ18鋼支撐@70cm。

2)二次襯砌：C25防水鋼筋混凝土厚45cm。

表2 計算參數表

3.3 計算結果分析

1)斷層破碎帶位移特征分析。

隧道斷層破碎帶處圍巖累積位移如圖3，圖4所示，拱頂最大位移下沉為85mm，側墻水平最大位移為13mm。

隧道拱頂與邊墻位移變化曲線分別如圖5，圖6所示。由圖5和圖6可以得到：在隧道斷層開挖過程中，1～12個施工步序，隧道斷層拱頂下沉和側墻水平位移均很小。隨著施工的進一步深入，對斷層的擾動也會加劇，在11～16施工步序中，隧道拱頂下沉和水平位移都迅速增加，在第16個施工步序后，隧道拱頂下沉和側墻水平位移最終趨于平穩。可以判定斷層破碎帶的影響范圍是在斷層破碎帶前面20m和斷層后面50m內，在此范圍內施工，應該加強隧道監控量測和超前地質預報。

2)斷層破碎帶應力特征分析。

隧道斷層破碎帶處圍巖最大主應力和最小主應力分別如圖7，圖8所示。從圖7和圖8可以得到，隧道斷層破碎帶處圍巖的最大主應力為-1.44MPa～-3.9MPa，最小主應力為-0.05MPa～-5.1MPa。

斷層破碎帶處隧道拱頂與邊墻主應力P1變化曲線如圖9所示，P2變化曲線如圖10所示。

由圖9和圖10可以得到：斷層破碎帶處隧道拱頂和邊墻的主應力變化均很大。影響的范圍主要在斷層破碎帶范圍內，故隧道拱頂和邊墻發生支護變形和坍塌的破壞風險最大，應加強支護和施工監控。

4 結語

通過對穿越閩西北山區某公路隧道斷層破碎帶圍巖穩定性因素分析及使用有限元MIDAS-GTS分析軟件對隧道斷層圍巖進行位移及應力計算分析，可以得到以下結論：

1)隧道斷層破碎帶力學性質及其控水與導水性質是影響圍巖穩定性兩大主要因素。

2)隧道斷層處圍巖變形較大，拱頂累積最大位移下沉為85mm，側墻水平最大位移為13mm。影響范圍是在斷層破碎帶前面20m和斷層后面50m內。

3)隧道斷層處圍巖應力較大，隧道斷層破碎帶處圍巖的最大主應力為-1.44MPa～-3.9MPa，最小主應力為-0.05MPa～-5.1MPa。隧道拱頂和邊墻發生支護變形和坍塌的破壞風險較大。

[1] 郗舉科,吳 軍,宋戰平.軟弱破碎圍巖大斷面隧洞開挖支護技術[J].西北水利發電,2003(2):36-39.

[2] 李世輝.隧道圍巖穩定性系統分析[M].北京:中國鐵道出版社,1991.

[3] 高海軍.斷層破碎帶隧道圍巖穩定性分析[J].蘭州工業學院學報,2013,20(4):24-29.

[4] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

[5] 北京邁達斯公司.MIDAS/GTS入門手冊[Z].

[6] 趙 奎,李天斌,袁海平.有限元簡明教程[M].北京：冶金工業出版社,2009.

[7] 李文華,李 昊,古銀城,等.斷層對隧道圍巖穩定性影響的有限元分析[J].施工技術,2013,42(7):93-96.

Analysis on the impact of surrounding rock stability in tunnel fault-fracture zone

Shu Jin1Li Jian2Hou Junhong1

(1.Railway3rdSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518052,China;2.WuhanErhangHighwayBridgeSpecialEngineeringCo.,Ltd,Wuhan430014,China)

In light of the highway tunnel fault-fracture zone developing conditions, the paper analyzes factors influencing surrounding rock stability in tunnel fault-fracture zone. Based on finite element MIDAS-GTS analysis software, applying Mohr-Coulomb model, it carries out step-by-step excavation numerical simulation, studies the displacement features and stress features of fault-fracture zone, and finally draws some meaningful conclusions.

tunnel, fault-fracture zone, surrounding rock stability, displacement, stress, numerical simulation

2014-12-15

舒 進(1987- )，男，碩士，助理工程師； 李 健(1982- )，男，工程師； 侯軍紅(1970- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)06-0160-03

TU470

A