白茫雪山3#隧道斷層支護結構穩定性評價

肖三民

(中鐵十二局集團第二工程有限公司,山西太原 030000)

白茫雪山3#隧道斷層支護結構穩定性評價

肖三民

(中鐵十二局集團第二工程有限公司,山西太原 030000)

白茫雪山3#隧道地處迪慶藏族自治州德欽縣白馬雪山自然保護區境內,隧道高程在4000m以上,全長3951m。由于白茫雪山3#隧道存在穿越大斷層破碎帶的工程問題,在斷層破碎帶施工時出現了圍巖拱頂變形過大、邊墻初期支護砼開裂剝落等工程不利情況。本文針對上述問題,提出了斷層破碎帶的支護加固方案,并采用數值計算方法對加固前后的施工情況進行了模擬分析。計算表明,相對于加固前,白茫雪山3#隧道加固后洞周的圍巖變形量和塑性區均明顯減小。實際施工情況也表明,加固后的支護方案有效地保證了隧道的施工質量和施工進度。本文針對白茫雪山3#隧道斷層破碎帶支護方案而開展的研究工作,對我國類似工程的設計和施工具有參考和借鑒的意義。

隧道工程 斷層 支護加固 數值分析 圍巖穩定性

1 引言

隨著我國交通建設的發展，長大山嶺隧道工程不斷出現。由于山區復雜的地質條件，隧道類線性工程在施工過程中難免要穿越斷層破碎帶等不良工程地質。諸多工程實踐和相關研究表明，隧道圍巖的變形與破壞一般受斷層破碎帶等不利地質條件控制[1-3]。因此，如何有效的控制斷層破碎帶隧道圍巖變形過大、正確合理地對隧道軟弱破碎帶及其支護結構的穩定性做出準確地評價，是復雜地質條件下保證隧道工程安全快速施工的關鍵[4]，具有重要的工程實際意義。

圖1 隧道橫斷面尺寸及監測位置示意圖

圖2 隧道計算模型

表1 斷層區域隧道圍巖支護參數

針對隧道穿越斷層時的支護結構穩定性問題，國內外眾多學者開展了大量的研究工作。如賈劍青等[5]采用數值模擬方法分析了復雜條件下方斗山隧道支護結構的穩定性;姜鵬等[6]對雪峰山隧道斷層的支護結構穩定性進行了評價分析;靳全紅等[7]分析了大跨度公路隧道斷層破碎帶的施工方法、處理措施及監控量測等方面的內容;楊紅軍等[8]采用數值方法研究分析了隧道斷層破碎帶對隧道施工穩定性的影響;稅明東等[9]對終南山公路隧道斷層破碎帶的綜合施工技術進行了研究。

本文將在已有研究基礎上，針對白茫雪山3#隧道存在穿越F1大斷層破碎帶的工程問題，對該破碎帶范圍內的支護措施進行加固處理，并采用數值模擬方法對加固前后隧道圍巖的變形及受力情況進行計算對比分析，最后，結合數值計算結果和現場監測情況對隧道斷層破碎帶支護結構的穩定性進行評價。

2 工程概況

白茫雪山3#隧道地處迪慶藏族自治州德欽縣白馬雪山自然保護區境內，隧道進口高程4008.53m，隧道出口高程4015.54m。隧道主洞長3951m，在距隧道軸線右側40m處設置一平行導洞，長3980m，隧道線型為直線，+1.0%/-1.0%的縱坡，隧道洞頂最大埋深294.39m。隧址區處于構造剝蝕中高山地貌，路線橫穿山脊，沿線地形地勢特點縱向為中間高，兩側低，橫向為兩側高中間低。根據工程地質調繪及物探資料，整個隧址區上覆薄層第四系全新統冰磧(Qhgl)碎石、塊石，下伏基巖為三疊系上統奪蓋拉組一段(T3d1)頁巖、板巖及甲丕拉組三段(T3j3)板巖夾安山玄武巖。

圖3 三臺階七步流水作業法示意圖[10]

隧址區發育F1(德欽～中甸～大具斷層)斷層，該斷層破碎帶寬百米與隧道小角度相交，F1斷層全長300km，斷層與隧道相交部位圍巖巖性為碳質頁巖與灰白色板巖互層夾砂巖、斷層泥、斷層角礫巖，設計圍巖級別為IV級和V級，屬軟巖隧道。

3 斷層破碎帶支護情況

白茫雪山3#隧道開挖至F1斷層及其次生斷裂帶區域時，開挖揭露的地質條件主要為粘質土夾碎石松散堆積體，系山體崩塌體及坡積-沖洪積物等，巖體極為破碎，且由于地表溝谷水系發育，隧道在該區域開挖時極易出現坍塌。該區域隧道圍巖原有支護參數見表1所示。

在隧道施工開挖至斷層破碎帶區域時，圍巖出現了拱頂變形過大、邊墻初期支護砼開裂剝落等工程不利情況，經過現場勘察和討論后，對斷層區域原有的施工方案進行了修改，如將超前小導管由單排增加為雙排、鋼拱架增設大鎖腳錨管、增加二襯及仰拱厚度等，具體加固方案見表1所示。

本文下面將根據實際的施工情況，對隧道支護加固后的斷層破碎帶處施工過程進行數值模擬分析及其支護結構穩定性評價。

4 數值模擬分析

4.1 計算模型和計算參數

為了計算斷層破碎帶處隧道圍巖的支護結構穩定性，根據設計資料得到了該區段隧道的橫截面開挖尺寸，見圖1所示。由圖可知，隧道采用三圓弧斷面，其中拱頂圓弧開挖半徑為5.99m，仰拱圓弧開挖半徑為17m，拱腰圓弧半徑為13m。隧道開挖高度約9.8m，寬度約12m。

建立計算模型時，取隧道洞周外圍10倍左右大小的圍巖為分析對象(見圖2)。其中，計算模型沿水平X方向長度為250m;豎直Z方向的長度為250m;沿洞軸Y方向的長度為200m。計算模型包含358621個單元，60723個節點。由于白茫雪山3#隧道斷層區域的圍巖破碎嚴重，圍巖類別屬于Ⅴ級，為保證施工過程中圍巖的穩定性，采用了三臺階七步流水作業法進行開挖，其開挖示意圖見圖3所示[10]。

圖4 隧道圍巖監測部位的位移計算結果

表2 計算參數的取值

表3 計算參數的取值

圖5 隧道軸線豎直剖面圍巖位移場計算結果(單位:mm)

模型四周豎直面和底部均采用垂直約束，頂部采用自由邊界條件。隧道開挖時按三臺階七步流水作業法進行模擬，隧道開挖循環進尺取為1.5m。計算時斷層區域的應力場僅考慮為自重應力場。計算時采用Mohr-Coulomb屈服準則。

隧道施工過程中，對拱頂和兩側邊墻均設置有圍巖變形監測點，對圍巖實際變形進行監測，故計算參數將以圍巖變形實際監測值為基礎，采用參數反演方法[11]得到。白茫雪山3#隧道圍巖變形監測位置見圖1，其中，測點1監測拱頂的下沉變形量，測點2和3監測拱腰部位水平方向圍巖的收斂位移。通過實測得到了白茫雪山3#隧道支護加固前的圍巖最大變形量，其中，拱頂累計最大下沉變形量約10cm;水平向圍巖的收斂位移約15cm。根據圍巖最大監測變形反演得到的計算參數見表2所示。計算時，圍巖支護方式參見表1，通過查閱規范或資料得到了支護材料的力學參數(見表3所示)。

4.2 計算結果分析

通過對白茫雪山3#隧道支護方案加固前后兩種工況進行計算，得到了不同工況下圍巖的變形計算結果(見圖3和圖4)。其中，圖3(a)為斷層區域隧道拱頂的累計下沉量隨計算步數的變化曲線。由圖可知，隧道支護加固前，拱頂圍巖累計下沉量最大可達10.05cm;隧道支護加固后，拱頂圍巖下沉量明顯減小，最大累計下沉量僅為4.5cm。斷層區域隧道拱腰水平收斂位移隨計算步數的計算結果見圖3(b)所示。由圖可知，隧道支護加固前，拱腰水平收斂位移最大可達14.87cm;隧道支護加固后，拱腰水平收斂位移明顯減小，最大水平收斂位移僅為5.8cm。

圖5為斷層區域圍巖支護加固前后，隧道軸線豎直剖面圍巖位移場計算結果。其中，圖5(a)為支護加固前，隧道軸線豎直剖面圍巖位移場計算結果。由圖可知，隧道支護加固前，隧道附近圍巖變形均較大，如拱頂圍巖變形在8～10cm，臺階部位圍巖變形在9～10cm，隧道底部變形在10cm。斷層區域圍巖支護加固后，隧道軸線豎直剖面圍巖位移場計算結果見圖5(b)所示。由圖可知，支護加固后，隧道附近圍巖變形明顯變小，如拱頂圍巖變形在4～4.5cm，臺階部位圍巖變形在4.5～6cm，隧道底部變形在5～5.5cm。

根據《公路隧道施工技術規范》要求，覆蓋層厚度在50～300m的條件下，隧道周邊允許相對位移值或拱頂位移實測值與隧道的寬度之比應在0.2%～0.5%之間。加固后經過計算得到的拱頂位移與隧道寬度的最大比值為0.48%左右。因此，隧道周邊的變形值滿足隧道周邊允許位移值的要求，即加固后的支護方案能夠滿足隧道安全掘進的要求。

5 結語

針對白茫雪山3#隧道存在穿越F1大斷層破碎帶的工程問題，本文對破碎帶區域內的支護條件進行了加固，并采用數值模擬方法對加固前后隧道圍巖的變形及塑性區等情況進行了計算分析，以及評價了圍巖的穩定性。主要包括如下內容:

(1)首先介紹了白茫雪山3#隧道及其F1大斷層破碎帶的工程地質情況，并針對斷層帶內隧道圍巖變形過大、邊墻初期支護砼開裂剝落等工程問題，提出了斷層帶區域內圍巖支護的加固方案;

(2)通過對加固前后的兩種工況進行數值模擬對比可知，相對于加固前，白茫雪山3#隧道加固后的洞周圍巖變形量明顯減小。如隧道拱頂下沉變形最大減小了約5.5cm，隧道拱腰水平收斂位移最大也減小了約9cm。

(3)結合數值計算結果和現場監測情況可見，隧道支護加固后，明顯改善了圍巖的穩定性，保證了隧道掘進的安全穩定;

本文針對白茫雪山3#隧道斷層破碎帶支護方案而開展的研究工作，對我國類似工程的設計和施工具有參考和借鑒的意義。

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肖三民(1981—),男,湖南衡南人,工程師,中鐵十二局集團第二工程有限公司,主要從事鐵路、公路、市政工程管理和施工工作。