穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩定性分析

蘇先鋒， 駱 陽

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國高等級公路建設的迅猛發展，出于隧道工程線型的要求，越來越多的隧道需穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶內巖體一般松散破碎、自穩能力差，容易發生塌方事故。因此，研究斷層破碎帶對隧道施工塌方的影響及工程對策有重要的理論和實際意義。

本文通過3DEC數值模擬方法，對隧道穿越斷層破碎帶進行了三維離散元分析，得出了隧道穿越斷層破碎帶過程中的各個位置掌子面位移變化特征。

1 掌子面穩定性研究現狀

圍巖穩定性問題是隧道施工安全的重要前提，在地形、地貌及地質條件復雜的西部地區修建長大隧道工程將會遇到更多的不良地質條件，施工中極易引發塌方、突涌水等災害事故。在各種不良地質條件中，斷層破碎帶是重要的地質災害源[1]。

周森[2]等人利用Matlab編制計算程序進行優化求解，通過算例得到了不同邊界條件下維持淺埋隧道掌子面穩定所需支護反力系數，解釋了淺埋隧道掌子面失穩機理；常喬磊[3]采用3DEC計算模擬了不同斷層參數，如斷層傾角、傾向、寬度對圍巖變形的影響；劉健[4]采用ABAQUS分析了不同埋深情況下掌子面的穩定情況。

研究所用軟件為Matlab、ABAQUS和FLAC3D，數值模擬沒有考慮巖體的節理、裂隙對圍巖變形的影響，而采用3DEC計算的例子中幾乎很少有涉及到掌子面和斷層同時研究的情況，所以本次采用離散元軟件3DEC，進行隧道穿越斷層破碎帶過程中的各個位置掌子面位移變化特征分析。

2 3DEC計算基本原理

3DEC是在二維離散元軟件UDEC的基礎上發展而來。離散單元法的基本原理是基于牛頓第二定律，假設被節理裂隙切割的巖塊是剛體，巖石塊體按照整個巖體的節理裂隙互相鑲嵌排列，在空間每個巖塊有自己的位置并處于平衡狀態。當外力或位移約束條件發生變化時，塊體在自重和外力作用下將產生位移(移動和轉動)，則塊體的空間位置就會發生變化，這又導致相鄰塊體受力和位置的變化，甚至塊體互相重疊。隨著外力或約束條件的變化或時間的延續，有更多的塊體發生位置變化和互相重疊，從而模擬各個塊體的移動和轉動，甚至巖體破壞。

3 隧道掌子面失穩因素與支護措施

在列舉國內外隧道及地下巷道掌子面失穩實例中的隧道及地下巷道掌子面失穩的基本情況后，發現隧道掌子面發生失穩的巖性條件一般是在隧道所穿越圍巖抗壓強度低，屬于軟弱圍巖范疇，屬于公路或鐵路隧道圍巖分類中Ⅳ級、Ⅴ級及以下的圍巖范圍內。且掌子面失穩時，一般伴隨有大變形發生，通常表現為地表出現裂縫、塌陷，掌子面向隧道內空擠出隧道周邊位移、拱頂下沉速率變快等情況[5]。

在土砂圍巖和膨脹性圍巖、破碎帶中，確保掌子面的穩定是至關重要的。穩定掌子面的方法，根據其功能的不同，可分為以下幾種：

(1) 支護圍巖(超前支護、短管棚等)。

(2)改良圍巖(注漿等)。

(3)發揮錨桿作用(斜錨桿、正面錨桿等)。

(4)噴混凝土加強等[6]。

4 數值模擬

4.1 建立計算模型

模型整體尺寸為：X=70.0 m，Y=60.0 m，Z=65.0 m，X、Y、Z分別為模型寬度、縱向、高度。斷層寬度為10 m，傾角dip=60°，傾向dd=0°。整體模型如圖1所示。襯砌采用C30混凝土，厚度為0.3 m。隧道埋深33.6 m。隧道主體模型如圖2所示。

圖1 整體模型

圖2 隧道主體模型

4.2 材料參數選取

計算中，采用圍巖級別取為Ⅴ級，斷層材料參數取Ⅴ級圍巖的1/4，塊體模型采用摩爾-庫倫模型，節理模型采用庫倫滑動模型。其中材料的體積模量K和剪切模量G由式(1)和式(2)確定。

(1)

(2)

式中：E為圍巖的彈性模量，ν為泊松比。

節理的法向剛度Kn和切向剛度Ks由式(3)和式(4)確定。

(3)

(4)

式中：Em為巖體的彈性模量，Er為巖石的彈性模量，Gm為巖體的剪切模量，Gr為巖石的剪切模量，s為節理間距。

本次計算的材料參數見表1，節理參數見表2。

表1 材料參數

4.3 開挖工法及監測點布置

因施工需要，采用全年斷面開挖，每個開挖步為2 m。開挖斷面形式及監測點位置如圖3所示。

表2 節理參數

圖3 開挖斷面形式及監測點位置

4.4 計算結果

4.4.1 初始地應力狀態

初始地應力狀態是隧道開挖數值模擬的關鍵。地應力狀態應當包含正確的初始地應力和初始位移為0。埋深為33.6 m時，模型初始地應力狀態和初始位移如圖4和圖5所示。

圖4 初始地應力狀態

圖5 初始位移

從圖4、圖5可以看出，隨著地層深度的增加，地應力呈現線性增長狀態，符合實際規律。豎向位移在開挖前為0，滿足計算需要。

4.4.2 開挖狀態下掌子面位移

開挖狀態下掌子面位移云圖見圖6、圖7。從圖6、圖7中可以看出：在斷層區，掌子面最大突出位移發生在隧道中心位置附近，且與斷層位置相交處。

圖6 y=24m斷面位移云圖

圖7 y=34m斷面位移云圖注：因模型較大，開挖長度為60 m，而斷層區處于y=24 m至y=34 m，此處僅列舉y=24 m、y=34 m斷面的位移云圖。

4.4.3 各個開挖斷面處掌子面的位移情況對比

斷面y=10 m、y=20 m、y=24 m、y=30 m、y=34 m、y=40 m、y=50 m處監測點的位移變化情況如圖8、圖9所示。

圖8 斷層區域外各斷面處監測點的位移變化

從圖8和圖9中可以看出：

(1)進入斷層前，即y=0 m至y=24 m，掌子面變化規律相似，最大突出位移發生在Z=1 m，即隧道斷面中心處。所以在施工方法上，如果條件允許，可采用預留核心土開挖工法，減小掌子面位移，確保施工安全。

(2)在斷層區，即y=24 m至y=34 m，隧道掌子面突出位移突然變大，最大值發生在y=24 m斷面處，達到22.08 mm。

圖9 斷層區內各斷面處監測點的位移變化

從y=24 m、y=30 m、y=34 m處掌子面各監測點縱向位移曲線圖中可以發現：由于縱向隧道的進一步開挖，破碎帶區域的開挖土體逐漸減小，之后各斷面的監測點累計變形逐漸減小，所以隨著縱向隧道的開挖，各斷面的掌子面對應監測點突出位移整體情況下呈減小趨勢。但是，由于傾斜斷層的存在，掌子面的薄弱環節發生在斷層與各個掌子面交叉位置處，所以上述三條曲線最大位移發生處呈現下移趨勢。所以，在施工時，如果遇到斷層破碎帶，一定要注意掌子面的穩定問題，特別是斷層與掌子面交叉處。

(3)出斷層后，即y=34 m至y=60 m，從y=40 m、y=50 m處掌子面各監測點縱向位移曲線圖可以看出，掌子面監測點位移的變化規律與進入斷層前規律一致，最大突出位移發生在Z=1 m，即隧道斷面中心處。

5 結論

通過本次數值模擬，對于穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩定性的研究，可以發現以下規律：

(1)在斷層區外(進入斷層前和出斷層后)，掌子面最大位移發生在其中心位置處，且隨著開挖的進行，后開挖掌子面的位移比前開挖掌子面的位移要大。在圍巖強度較弱的情況下施工時要注意提前加固，如注漿和打錨桿等措施。

(2)在斷層區內，掌子面的最大位移發生在掌子面與斷層交叉處，位移值比較大，是斷層區外位移的1.5 ～4倍，需要特別注意，可以采取超前支護、圍巖注漿、錨桿等支護措施，保障施工安全。