地鐵隧道穿越斷層帶圍巖變形特征研究

資斌全，晁春波，孟建宇

(中鐵隆工程集團有限公司，成都 610000）

1 引言

圍巖穩定性是一個相對概念，主要研究圍巖應力與變形及圍巖強度之間的關系[1]。而圍巖不穩定表現為圍巖破壞或產生過大變形，如出現不應有的頂板塌落、邊墻擠入、底板隆起、圍巖開裂等[2]。由于隧道工程圍巖狀況的復雜性和特殊性，國內外學者對圍巖穩定性問題進行了大量研究。李育樞[3]利用FLAC 有限差分軟件對某山嶺隧道在地震作用下的動力響應進行了研究。王崢崢[4]對汶川地震后山嶺隧道震害資料的收集，結合數值計算分析了穿越斷層破碎帶的隧道結構非線性損傷，并研究了抗減震措施的作用。崔光耀等[5]根據汶川地震后的資料利用數值計算方法分析了隧道結構的動力響應。Lin 等[6]通過模型試驗研究了斷層錯動對隧道圍巖的破壞。李健等[7]基于云模型評價了圍巖穩定性的模糊性和隨機性并得到可靠結果。

本文以烏魯木齊地鐵1 號線過斷層破碎帶隧道區間為研究背景，通過分析影響圍巖穩定性的因素，結合彈塑性理論，分析隧道圍巖破壞特征。在此基礎上利用數值模擬工具并設置對照試驗，進一步分析過斷層帶隧道圍巖應力應變特征，以及斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性的影響。

2 研究背景

烏魯木齊市地鐵已經開工建設的有1 號線、2 號線1 期工程。烏魯木齊軌道交通1 號線為主城南北向骨干線、全網的基線，規劃線路全長44.4 km。烏魯木齊市地形起伏較大，地勢南高北低，東高西低，平均海拔800 m，其輪廓大致可概括為東、南、西三面環山，北部為傾斜平原及沙漠。同時由于位于博格達弧形隆起帶和準噶爾盆地南緣烏魯木齊山前凹陷的結合部位，在結合部位的邊緣凹陷中沉積有巨厚的中、新生代地層，受海西運動以來歷次構造運動的影響，形成了一系列軸向北東—南西的褶皺和斷裂。與地鐵1 號線相交的斷裂主要為雅瑪里克山斷裂帶和碗窯斷裂。

3 對照實驗分析

基于地鐵隧道圍巖破壞理論基礎和地鐵隧道圍巖穩定性影響因素的分析，對地鐵隧道圍巖穩定性評價指標進行研究。利用FLAC3D 有限差分軟件對地鐵隧道穿越斷層帶進行建模計算作為試驗組，并且利用軟件內置FISH 語言編程獲得相關的塑性區數據。設置對照試驗，與穿越斷層帶并施加支護情況下的地鐵隧道圍巖穩定性進行對比分析，主要試驗條件見對照試驗表1。

表1 對照實驗表

4 地鐵隧道穿越斷層破碎帶圍巖變形特征研究

4.1 地鐵隧道穿越斷層帶無支護數值模擬分析

對地鐵隧道穿越斷層帶進行數值模擬分析，此次考慮開挖后巖土體自身具有一定的承載能力，不施加襯砌支護，即分析在無支護力作用下地鐵隧道圍巖穩定性，作為對照組試驗，除不施加支護外，其他所有條件與施加支護的穿越斷層帶試驗組模型完全一致。對此對照組計算結果進行分析，作為后續研究的對比分析基礎。

4.1.1 數值模型建立

根據收集到的烏魯木齊地鐵1 號線的工程地質資料和施工資料，本次模型取隧道開挖斷面為圓形，直徑為10 m，隧道埋深沿軸線不變，取軸線埋深為18 m。考慮邊界效應影響，根據已有研究取模型尺寸為50 m×40 m×180 m（水平×豎直×縱向,分別對應x 軸方向、z 軸方向和y 軸方向）。考慮計算精度和計算效率，對隧洞開挖部分周圍單元體網格劃分較密，網格尺寸較小，在此之外單元體網格尺寸較大，排列較疏。地鐵隧道正交穿過斷層帶，斷層傾角取45°，斷層帶中破碎帶長度為10 m，斷層用FLAC3D 中的接觸面單元模擬。

4.1.2 無支護斷層帶地鐵隧道圍巖變形規律分析

對隧道穿越斷層帶不加支護情況下圍巖變形進行分析。將模型沿yz 面切分，對沿隧道軸線方向上圍巖變形規律進行分析。模型切分后可以看到沿隧道軸線方向上圍巖發生位移的情況。

對隧道穿越斷層不加支護情況下，隧道開挖后圍巖發生塑性變形的區域進行分析，隧道軸線方向上塑性區分布如圖1 所示。圖1 是沿yz 面切分模型后看到的塑性區分布，其中深色部分代表發生塑性變形的區域，可以發現塑性變形由隧洞壁開始發展，在斷層破碎帶區沿軸向方向上都有分布，塑性帶范圍內的隧道洞壁上，塑性區分布面積更大，可以認為這一范圍內隧道圍巖穩定性更差。同時可以發現，在沒有襯砌支護的情況下，隧洞壁上直接出現圍巖塑性區，這部分圍巖處于破壞的邊緣或者已經破壞，在實際工程中是不安全的，因此及時施加支護是工程中的必要措施，此次分析出于研究目的未進行施加襯砌支護，計算結果可以收斂也是通過控制開挖卸荷后的地應力釋放率實現的，與實際相比是比較理想的情況。

圖1 隧道軸線方向上塑性區分布圖

4.2 地鐵隧道穿越斷層帶有支護數值模擬分析

4.2.1 數值模型建立

此次數值模型，取隧道開挖斷面為圓形，直徑為10 m，隧道埋深沿軸線不變取軸線埋深為18 m。考慮邊界效應影響，根據已有研究取模型尺寸為50 m×40 m×180 m（水平×豎直×縱向，分別對應x 軸方向、z 軸方向和y 軸方向）。其他條件與前者相同。同時，在隧道開挖后及時施加襯砌支護結構，部分襯砌結構示意圖見圖2。

圖2 部分襯砌結構示意圖

4.2.2 有支護斷層帶地鐵隧道圍巖變形規律分析

對隧道穿越斷層帶不加支護情況下圍巖變形進行分析。此次主要分析斷層帶存在的影響，將模型沿yz 面切分，模型切分后可以看到沿隧道軸線方向上圍巖發生位移的情況，豎直方向（z 軸方向）圍巖位移見圖3。

圖3 豎向位移云圖

對隧道穿越斷層并施加支護的情況下，隧道開挖后圍巖的豎向位移進行分析。整體而言，隧道變形表現為拱頂下沉和拱底隆起，這與隧道開挖后卸荷效應產生的結果相一致，巖土體開挖部分的缺失導致開挖部分對拱頂的支撐作用消失，開挖部分對拱底的壓力消除，最終體現為豎直方向上向隧洞中心收斂。

5 結論

地鐵隧道作為大型地下工程項目，具有隱蔽性，存在著大量不確定性風險因素。對各類隧道穿越地質情況分析可以發現，幾乎所有的隧道都會穿越地質不良地段，其中穿過斷層帶所受危害最嚴重，斷層影響區內工程地質情況復雜，問題多種多樣，容易導致工程巖體失穩，產生巨大的破壞。本文結合烏市地鐵1 號線，通過設置對照實驗，得出結論如下：

斷層破碎帶的存在會導致其影響范圍內圍巖穩定性評價指標大于其影響范圍以外區域圍巖的穩定性評價指標，即導致在斷層影響帶范圍內的隧道圍巖穩定性降低。

施加支護后，圍巖穩定性評價指標在斷層帶影響范圍內變化幅度要遠遠小于不施加支護的情況，施加支護對于限制開挖后圍巖的塑性變形有極其重要的作用。支護作用對圍巖穩定性的影響要大于斷層帶不良地質條件的影響。