隧道開(kāi)挖不同斷層傾角對(duì)圍巖擾動(dòng)以及初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

康海波， 萬(wàn)志強(qiáng)， 趙剛應(yīng), 張 乾

(1. 四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；3. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

隨著我國(guó)交通建設(shè)的高速發(fā)展，橋隧比逐年升高。為了滿足運(yùn)營(yíng)需求，隧道長(zhǎng)度也不斷增加，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜的西南山區(qū)，長(zhǎng)大隧道在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中不可避免地需要穿過(guò)斷層破碎帶。斷層破碎帶的出現(xiàn)意味著圍巖地質(zhì)條件變差，是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生塌方的重要因素，一旦塌方產(chǎn)生，會(huì)嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)施工人員的生命安全，同時(shí)造成機(jī)械設(shè)備毀壞、工程費(fèi)用增加、工期延誤等。在施工過(guò)程中，如何安全地穿越斷層破碎帶地段并且保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

針對(duì)斷層破碎帶地段洞室施工支護(hù)結(jié)構(gòu)受力以及圍巖變形問(wèn)題，海內(nèi)外學(xué)者為此進(jìn)行大量研究。Jeon等[1]通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法，研究斷層存在對(duì)隧道圍巖變形的影響，從數(shù)值模擬結(jié)果上論證了斷層的存在導(dǎo)致圍巖變形量增加；Anastasopoulos等[2]結(jié)合實(shí)際公路隧道，采用數(shù)值模擬的方法，研究斷層位于隧道不同位置時(shí)，隧道圍巖變形以及圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律，得出圍巖應(yīng)力分布受斷層的影響，隧道圍巖變形破壞部位隨著斷層位置的改變而改變；萬(wàn)飛等[3]依托關(guān)角隧道工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，在對(duì)原支護(hù)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)位移以及結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測(cè)，提出F2-1斷層破碎帶地段隧道施工優(yōu)化方案，利用數(shù)值模擬驗(yàn)證該方案的可行性，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得以反饋，改進(jìn)方案效果顯著；劉愷[4]采用數(shù)值模擬，研究斷層傾角、斷層寬度以及不同圍巖情況對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響；李文華等[5]結(jié)合實(shí)際隧道，通過(guò)數(shù)值模擬，研究斷層傾角以及斷層到隧道距離的改變對(duì)隧道圍巖變形的影響，可得：圍巖變形量隨著隧道于斷層距離的減小而增加；斷層上盤(pán)圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向收斂變形量隨著斷層傾角的增加，先減小然后增加，斷層下盤(pán)圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圍巖變形量，隨著斷層傾角的增加，先增大后減小；蔣建平等[6]研究當(dāng)隧道在斷層下盤(pán)開(kāi)挖時(shí)，斷層傾角β對(duì)隧道圍巖變形和圍巖應(yīng)力的影響。黎盼[7]通過(guò)數(shù)值模擬分析斷層傾角為45 °、60 °、75 °時(shí)，圍巖拱頂及仰拱豎向位移、圍巖受力及支護(hù)受力情況；李達(dá)[8]通過(guò)Flac3D，建立不同斷層傾角的計(jì)算模型，研究隧道隨著斷層傾角的改變，二次襯砌的受力情況；唐曉杰等[9]通過(guò)Flac3D數(shù)值模擬，指出大跨地鐵隧道穿越斷層變形控制的關(guān)鍵部位是圍巖與斷層相交的拱頂和拱腰處。

以上研究主要集中在實(shí)際工程中斷層隧道隨著開(kāi)挖的影響，圍巖變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，對(duì)于系統(tǒng)對(duì)比研究斷層傾角對(duì)隧道施工過(guò)程圍巖變形以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征相對(duì)較少。本文結(jié)合寶鼎2號(hào)隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)比研究隨著斷層傾角的改變，對(duì)圍巖變形以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程概況

寶鼎2號(hào)隧道進(jìn)口端與出口端分別位于前進(jìn)鎮(zhèn)田堡村坪子灣組和太平鄉(xiāng)大壩村大壩組。隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，左洞進(jìn)、出口樁號(hào)：ZK14+535～ZK23+310，全長(zhǎng)8 775m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 386.80～1 492.32m，右洞進(jìn)、出口樁號(hào)：K14+560～K23+322，全長(zhǎng)8 762m，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高1 386.57～1 492.32m，隧道最大埋深約647m。隧址如圖1所示。

圖1 寶鼎2號(hào)隧道位置

隧址區(qū)總體屬低中山—中山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌，本文以隧道右線K19+700～K19+781段為研究工況，研究區(qū)段位于三疊系上統(tǒng)大蕎地組地層，隧址區(qū)在該地層受構(gòu)造作用強(qiáng)烈，該層內(nèi)斷裂及背、向斜皆較為發(fā)育。隧道右線K19+700～K19+781段隧道穿越F9大斷層(圖2)。在該區(qū)段內(nèi)，采用一次全斷面法開(kāi)挖，支護(hù)型式復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)為噴射24cm厚的C20混凝土和縱向間距每0.6m一榀的I18工字鋼鋼架，二次襯砌為模注50cm的C30鋼筋混凝土。

圖2 F9斷層現(xiàn)場(chǎng)出露

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際建立Flac3D數(shù)值計(jì)算模型(圖3)，為弱化邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型在水平向取80m(x方向)，縱向取81m(y方向)，垂直向取80m(z方向)，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在模型頂部施加應(yīng)力模擬隧道模型上部土體自重。

圖3 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，圍巖按彈塑性模型考慮，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土工試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比確定。初支噴射混凝土通過(guò)shell單元模擬，鋼拱架通過(guò)等效剛度法折算到噴射混凝土中[10]，二襯采用實(shí)體單元模擬，為彈性本構(gòu)。最終確定的巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

為研究在隧道施工過(guò)程中，穿過(guò)不同斷層傾角初支受力特征，建立三種不同的計(jì)算模型，分別對(duì)應(yīng)三種不同的工況，如圖4所示。三種計(jì)算模型，斷層寬度均為4m，斷層走向與隧道軸線的夾角均為90 °，斷層傾角依次為50 °、70 °以及90 °。

圖4 不同工況計(jì)算模型

2.4 模擬方法

模型初始地應(yīng)力狀態(tài)在設(shè)置模型邊界條件之后，通過(guò)Solve命令進(jìn)行初始應(yīng)力平衡計(jì)算獲得，模型生成初始地應(yīng)力之后，依據(jù)寶鼎2號(hào)隧道實(shí)際開(kāi)挖工法，通過(guò)Null命令實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的全斷面開(kāi)挖；一次掘進(jìn)進(jìn)尺為3m；初支一次施作長(zhǎng)度為3m；二襯滯后掌子面36m，二襯一次模注長(zhǎng)度為12m。

2.5 計(jì)算結(jié)果與分析

為分析隧道開(kāi)挖過(guò)程中，穿越不同傾角斷層段圍巖的位移以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，分別在三個(gè)不同模型，縱向長(zhǎng)度為40.5m斷層段圍巖以及初支的拱頂，兩側(cè)拱肩、兩側(cè)邊墻、兩側(cè)拱腳和仰拱處布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.5.1 圍巖位移

表2為三種不同工況的圍巖各測(cè)點(diǎn)變形位移值，提取三種工況的z方向的位移云圖見(jiàn)圖6(a)～圖6(c)以及x方向的位移云圖見(jiàn)圖6(d)～圖6(f)，對(duì)比分析三種工況圍巖位移規(guī)律。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值 mm

圖6 不同斷層傾角圍巖z方向及x方向位移云圖

由表2及圖6可知：

(1)隨著隧道的掘進(jìn)，不同工況下圍巖的拱頂位移隨著斷層傾角的增加而略微減小，斷層傾角為50 °時(shí)，圍巖拱頂位移最大，為11mm；斷層傾角為90 °時(shí)，圍巖拱頂位移最小，為9.5mm。

(2)與拱頂沉降相比，斷層傾角對(duì)邊墻收斂位移的影響較大，隨著隧道的掘進(jìn)，兩側(cè)邊墻處圍巖水平收斂位移值相等。斷層傾角為50 °時(shí)，邊墻處圍巖水平收斂位移值為13.1mm；傾角為70 °時(shí)，邊墻處圍巖水平收斂位移值為9.6mm；斷層直立時(shí)，邊墻處圍巖水平收斂位移值為8.6mm。

(3)隧道穿過(guò)不同傾角的斷層，仰拱隆起位移均大于拱頂沉降位移，且隨著斷層傾角的增加，仰拱隆起位移有小幅度的降低。

2.5.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.5.2.1 軸力

三個(gè)不同工況下，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力分布圖見(jiàn)圖7。圖中：正值為受拉，負(fù)值為受壓，由圖7可知：隧道穿過(guò)不同傾角斷層段圍巖，初期支護(hù)軸力分布較為均勻，其中三種不同工況，初期支護(hù)邊墻處軸力均大于其他部位，是施工過(guò)程中的薄弱部位，在施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注，拱肩與拱腳軸力較小，拱頂軸力最小。不同傾角斷層段圍巖初期支護(hù)所受得軸力均為壓力；隨著斷層傾角的增加，初期支護(hù)各個(gè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力相應(yīng)減小，以拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，斷層傾角為50 °時(shí)，拱頂處初支軸力為1 500kN，傾角為70 °時(shí)，拱頂處初支軸力為1 180kN，傾角為90 °時(shí)，拱頂處初支軸力為916kN，斷層傾角對(duì)初期支護(hù)拱頂以及仰拱處軸力影響較大，邊墻處軸力受傾角影響最小。

圖7 不同工況下初支軸力分布(單位:kN)

2.5.2.2 彎矩

不同工況下初期支護(hù)的彎矩分布見(jiàn)圖8，可知：隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，不同傾角斷層段圍巖，初期支護(hù)彎矩分布較為均勻。當(dāng)斷層傾角為50 °和70 °時(shí)，最大彎矩位于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的相同位置，斷層傾角為50 °時(shí)，最大彎矩位于仰拱處為16.42kN·m；斷層傾角為70 °時(shí)，最大彎矩也位于初支仰拱處，其值為13.3kN·m；而斷層傾角為90 °時(shí)，最大彎矩出現(xiàn)在初支拱腳位置，其值為12.04kN·m。且隨著斷層傾角的增加，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩相應(yīng)減小。

圖8 不同工況下初支彎矩分布(單位:kN·m)

2.5.3 塑性區(qū)分析

隧道穿過(guò)不同傾角的斷層，圍巖塑性區(qū)分布見(jiàn)圖9。隨著隧道的開(kāi)挖，隧道洞周均出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)，正常圍巖隧道剪切破壞塑性區(qū)分布范圍達(dá)到4m，與正常圍巖隧道塑性區(qū)相比，斷層隧道剪切破壞塑性區(qū)面積明顯較大，原因是斷層巖體破碎，物理力學(xué)性質(zhì)較差，隧道開(kāi)挖至斷層圍巖時(shí)，容易發(fā)生剪切破壞。且隧道穿過(guò)不同傾角斷層，塑性區(qū)形態(tài)隨著斷層傾角的增加發(fā)生明顯變化，隨著斷層傾角的增加拱頂處塑性區(qū)面積明顯減小，而仰拱處塑性區(qū)面積變化較小；與之相反的是，隨著斷層傾角的增加拱腰處塑性區(qū)面積增大。

圖9 隧道穿過(guò)不同斷層傾角圍巖塑性區(qū)

3 結(jié)論

本文結(jié)合寶鼎2號(hào)公路隧道工程，采用數(shù)值模擬，研究隧道穿越不同傾角斷層，圍巖的變形以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征，得出如下結(jié)論：

(1)圍巖位移方面，隧道圍巖收斂位移隨著斷層傾角的增加而減小，且邊墻處圍巖水平收斂位移受斷層傾角的影響較大，隧道穿過(guò)不同傾角的斷層，仰拱處隆起值均大于拱頂處沉降值。

(2)初期支護(hù)軸力方面，隧道穿過(guò)不同傾角的斷層，初支結(jié)構(gòu)軸力分布均勻，且均受壓；不同斷層傾角下，軸力最大值皆發(fā)生在邊墻處，在施工過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。初期支護(hù)拱頂以及仰拱處軸力受不同斷層傾角的影響較大，而邊墻處軸力受斷層傾角影響最小，斷層傾角的增加會(huì)導(dǎo)致各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力值減小。

(3)初支結(jié)構(gòu)彎矩方面，三種工況下，初支彎矩分布均勻。90 °斷層傾角下，初支彎矩最大值位于初支結(jié)構(gòu)的位置與其他兩種工況不同，斷層傾角為50 °時(shí)，最大彎矩位于初期支護(hù)仰拱處；斷層傾角為70 °時(shí)，最大彎矩也位于初支仰拱處；而斷層傾角為90 °時(shí)，彎矩最大值位于初支拱腳處。隨著斷層傾角的增大初支結(jié)構(gòu)彎矩逐漸減小。