某隧道橫穿斷層破碎帶圍巖穩定性評價

張 海 剛

(中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037)

某隧道橫穿斷層破碎帶圍巖穩定性評價

張 海 剛

(中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037)

采用FLAC3D有限差分軟件，以實際工程案例為背景，建立三維數值計算模型，研究了隧道以不同角度橫穿斷層破碎帶時的圍巖穩定性。研究結果表明，斷層以不同角度橫穿斷層破碎帶時，隧道圍巖變形存在較大差異。當隧道與斷層破碎帶正交分布時，隧道圍巖受力變形較小，穩定性好，隨著隧道與斷層破碎帶相交角度減小，碎巖圍巖變形逐漸增大。

隧道,斷層破碎帶,相交角度,數值模擬

0 引言

隧道在修建過程中，常會遇到不同的地質問題，斷層破碎帶就是其中之一。由于斷層破碎帶圍巖在修建過程中極易失穩，是隧道施工的重難點，許多學者[1-4]對此做了研究。耿萍、吳川和唐金良等[5]將振動臺試驗與數值模擬結合起來，模擬在動力作用下，隧道的穩定性。潘菊[6]以楊公坑大隧道為例，詳細介紹了隧道穿越斷層破碎帶時的開挖和支護技術。畢旭冰、吳孝清和劉勝春[7]采用仿真模擬技術，分析了史家山隧道在穿越斷層破碎帶時的穩定性。前人的研究多集中在施工技術和動力實驗等方面，對于隧道橫穿斷層破碎帶的角度卻研究較少。因此，本文通過FLAC3D有限差分軟件來研究隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時，隧道周邊圍巖的穩定性。

1 工程概況

某隧道起訖里程D2K303+167～D2K306+785，全長3 618 m，隧道拱頂以上最大埋深209.4 m，隧址區地表有第四系松散堆積層，下伏地層為三疊系下統夜郎組一段，二疊系上統長興組，龍潭組，寒武系下統金頂山組，明心寺組，牛蹄塘組以及震旦系上統燈影組。

在D2K305+060附近，隧道軸線與F16斷層相交，該斷層屬于區域性斷層分支，斷層走向N75°E，傾向SE，傾角65°～75°，斷層性質為正斷層，斷層破碎帶寬度10 m～20 m。斷層上盤為寒武系下統明心寺組，泥巖夾灰巖，代表性巖層產狀為N50°/20°SW，斷層下盤地層為寒武系下統牛蹄塘組含炭泥巖，代表產狀為N75°E/45°SE，對隧道有影響。

2 計算模型

2.1 計算參數選取

地層物理參數選取參考場地勘察報告和《鐵路隧道設計規范》[8]，如表1所示。

表1 計算力學參數

2.2 模型建立

數值計算選用FLAC3D有限差分軟件，三維計算模型尺寸為100 m×100 m×120 m，以隧道向為Z軸，豎直向上為X軸，垂直于XZ平面為Y軸。為了探究隧道以何種角度穿越斷層破碎帶時，更有利于隧道圍巖的穩定性，特建立三種工況模型，斷層的產狀保持一致。其中工況一表示隧道與斷層破碎帶之間夾角為60°，工況二表示隧道與斷層破碎帶之間夾角為75°，工況三表示隧道與斷層破碎帶之間夾角為90°，如圖1～圖3所示。模型中地層材料采用彈塑性本構關系，屈服準則為摩爾—庫侖(Mohr.Coulomb)準則，支護結構視為彈性材料。圍巖和二次襯砌采用三維實體單元(Solid45)，初期支護采用殼單元(Shell43)。

3 數值模擬結果分析

3.1 塑性區分析

在應力平衡狀態下開挖隧道后，首先在開挖斷面形成支承壓力，當集中應力達到圍巖屈服應力時，該部分圍巖首先發生屈服破壞，產生塑性區。塑性區是地應力大小和巖體強度相互作用的結果。分析塑性區體積的大小，即數值的大小，可以直觀的看出隧道圍巖的塑性變形情況。三種工況下隧道的塑性變形如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，三種工況下隧道均出現了塑性區。由于斷層破碎帶處的圍巖大多為相對發育的軟弱結構面，強度遠不及兩側圍巖，因此該處塑性區范圍明顯比兩側非斷層破碎帶處要大。針對塑性區體積進行統計，比較可得，工況一>工況二>工況三。當隧道與斷層破碎帶之間的夾角為60°時，其塑性區范圍最大，尤其是在斷層破碎帶處，有明顯的區別。當隧道與斷層破碎帶之間的夾角為90°時，其塑性區范圍減小，并且在斷層破碎帶處的塑性區減少的尤為明顯。因此，當隧道與斷層破碎帶夾角為60°時，施工過程中需加強該處的監測頻率，及時調整支護參數進行加固。

3.2 位移變形分析

在隧道穿越斷層破碎帶處的拱頂、拱底和左右拱腰設置位移監測點，觀察開挖后模型的變形，計算結果如圖7～圖10所示。

為方便表述：以A代表隧道60°穿越斷層破碎帶的曲線；以B代表隧道75°穿越斷層破碎帶的曲線；以C代表隧道90°穿越斷層破碎帶的曲線。根據圖7可以發現：A，B和C三條曲線在不穿越斷層時，其他位置的拱頂位移值差距不大，當隧道穿越斷層破碎帶時，拱頂處的位移急劇增加。隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時，隧道拱頂位移變化值都急速加劇，其中以A曲線變化最為明顯，其拱頂位移值最大達到69.51 mm，B曲線的拱頂位移值最大達到69.29 mm，C曲線的拱頂位移值最大達到60.61 mm。

根據圖8可以發現：三條曲線在不穿越斷層時，其他位置的拱底隆起值差距不大，當隧道穿越斷層破碎帶時，拱底處的隆起值急劇增加。隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時，隧道拱底隆起值都迅速增加，其中以A曲線變化最為明顯，其拱頂位移值最大達到62.39 mm，B曲線次之，其隆起最大值達到58.47 mm，C曲線的拱底隆起值最大達到54.17 mm。

根據圖9和圖10可以看出：三條曲線在不穿越斷層時，其他位置的左、右拱腰位移變化值差距不大，當隧道穿越斷層破碎帶時，左、右拱腰處的位移值急劇增加。隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時，左、右拱腰處的位移值急劇增加，其中以A曲線變化最為明顯，其左、右拱腰處的位移值最大，分別達到51.42 mm和45.65 mm，B曲線次之，其左、右拱腰的位移最大值分別達到48.43 mm和42.62 mm，C曲線的左、右拱腰的位移最大值分別達到45.27 mm和34.56 mm。可見，隧道以不同角度穿越斷層破碎帶處開挖，該處的拱頂、拱底和左、右拱腰的位移變化均很顯著，施工時要加強監測。

4 結語

運用FLAC3D有限差分軟件模擬隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時圍巖的變化特征，對圍巖塑性區分布和隧道不同位置的位移變化情況進行分析，得出如下結論：

1)隧道穿越斷層破碎帶時，斷層破碎帶處會產生塑性區，且塑性區的分布范圍隨著隧道穿越斷層帶角度的減小呈增大趨勢。

2)通過分析隧道拱頂、拱底以及拱腰位移變化得出：隧道開挖時，隧道各方向的圍巖均產生不同程度的位移；隧道以不同角度穿越斷層破碎帶時，斷層破碎帶處產生的位移均大于兩側非斷層破碎帶處位移，拱頂沉降位移均大于拱底隆起位移，左拱腰位移大于右拱腰位移；隧道與斷層破碎帶夾角呈60°時，斷層破碎帶處各方向的圍巖位移最大，夾角為75°時次之，90°時最小。

[1] 劉學偉.某隧道斷層破碎帶位移分析[J].中國水運(下半月),2014(3):284-285.

[2] 楊金虎.慈母山隧道穿越斷層破碎帶開挖支護技術分析[J].地下空間與工程學報,2011(2):361-365,384.

[3] 王偉進,周少波,舒志樂,等.淺埋偏壓隧道穿越斷層破碎帶圍巖穩定性研究[J].四川建材,2016(5):99，104.

[4] 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(4):23-29.

[5] 耿 萍,吳 川,唐金良,等.穿越斷層破碎帶隧道動力響應特性分析[J].巖石力學與工程學報,2012(7):1406-1413.

[6] 潘 菊.隧道穿越斷層破碎帶開挖支護的施工技術[J].四川建材,2015(3):184-185.

[7] 畢旭冰,吳孝清,劉勝春.公路隧道穿越斷層破碎帶仿真分析[J].交通科技,2014(1):5-7.

[8] 鐵道第二勘察設計院.鐵路隧道設計規范[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

Rock stability evaluation of a tunnel traversed by fracture zone

Zhang Haigang

(The5thEngineeringLtdofChinaRailway11thEngineeringBureauGroupCo.,Ltd,Chongqing400037,China)

Taking the practical engineering as case study, the rock stability evaluation of a tunnel traversed by fracture zone with various angles is studied in this paper by using FLAC3Dfinite difference software. The results show that the deformation of rock mass around the tunnel has a great difference at different angles across the fracture zone. When the tunnel is perpendicular to the fracture zone, the deformation of rock mass around the tunnel is at its minimum. With the increase of the intersecting angle between tunnel and fracture zone, the deformation of rock mass around the tunnel increases gradually.

tunnel, fracture zone, intersecting angle, numerical simulation

1009-6825(2017)22-0172-02

2017-05-24

張海剛(1983- )，男，助理工程師

U451.2

A