礦山法隧道穿越斷層及破碎帶支護結構研究

梅志遠 胡哲釧 李建軍 張志強

（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.中鐵十二局集團有限公司 山西太原 030024）

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和科學技術的進步，隧道作為一種利用地下空間的形式，在越來越多的地方被廣泛采用［1－3］。大量隧道的建設帶來了很多挑戰(zhàn)，隧道穿越斷層破碎帶施工是隧道施工的一個難點，如何安全快速穿越斷層及破碎帶成為研究熱點。因此有必要研究隧道穿越斷層及破碎帶隧道支護結構體系，對于保障施工安全具有重要意義［4－7］。

目前許多學者對于隧道穿越斷層及破碎帶進行了研究。王涵等［8］以玉渡山隧道為工程背景，采用FLAC3D程序研究了CD法施工方案，分析拱頂沉降、水平收斂與塑性區(qū)范圍，依據(jù)分析結果并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出錨－網(wǎng)－噴－鋼拱架聯(lián)合支護方案；郝曉燕［9］對斷層破碎圍巖臺階法施工進行數(shù)值研究，得出采用兩臺階法穿越斷層破碎帶時，隧道拱頂沉降和周邊收斂均可得到有效控制的結論；張曉勇［10］采用數(shù)值模擬方法對比分析臺階法、預留核心土法和三臺階法施工時圍巖變形及地表沉降情況；郭海［11］針對不同的施工工法建立不同的計算模型，分析了隧道沉降及圍巖屈服情況；張尤利等［12］根據(jù)地質特征，運用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，對比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶時，斷層破碎帶對施工的影響。

本文以湖杭鐵路鹿山隧道為工程依托，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對穿越斷層破碎帶不同工法進行模擬和分析，以期為穿越斷層破碎帶隧道的設計和施工提供有益參考。

2 工程概況及特點

鹿山隧道DK107＋471～DK111＋081.472位于R＝11 000 m的右偏圓曲線上，其余均為直線。進口至DK110＋100為上坡，坡度為3‰，DK110＋100至出口為上坡，坡度為18.5‰。

（1）地形地貌

隧址區(qū)主要為丘陵區(qū)，地形起伏大，進口地面標高為45～55 m，自然坡度20°～25°；出口地面標高110～120 m，自然坡度20°～30°。植被發(fā)育，灌木叢生。

（2）工程地質

洞口地表為第四系殘坡積粉質黏土，下伏為全～強風化粉砂巖、泥質粉砂巖、石英砂巖，巖石風化強烈，為Ⅴ級圍巖。洞身巖石為弱風化砂巖及石英砂巖。

（3）水文地質

鹿山隧道位于丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地表水稍發(fā)育，多處可見沖溝、水庫及水塘，水量較豐富，徑流條件良好，以山脊為分水嶺，向兩側洼地沖溝排泄，匯入富春江，流量主要受大氣降雨影響，季節(jié)性變化顯著。

隧址區(qū)斷層帶、褶皺等構造帶在地貌上大都沿兩側的沖溝洼地展布，其影響帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體破碎，導水性較好，構造裂隙水較發(fā)育，富水性較好。其中與線路相交斷層7處，多順溝谷走向或在線路附近穿越溝谷或地表水體，構造帶與地表溝谷或附近的中小型水庫水可能存在一定的水力聯(lián)系，易導水，為可能的涌水通道。

3 計算模型及參數(shù)選取

隧道模型如圖1所示。三維模型的邊界范圍為：水平方向上隧道中心線距離左右邊界均為35 m，隧道底部距離模型下邊界為30 m，隧道縱向長度為18 m，開挖進尺取為1.2 m，隧道埋深為30 m。在邊界約束方面，模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。

圖1 模型網(wǎng)格

按照湖杭鐵路鹿山隧道施工設計，初期支護采用噴錨結構，采用C25噴射混凝土，拱墻噴射混凝土厚度為23 cm，仰拱噴射混凝土厚度為15 cm；拱墻部位設置錨桿，錨桿長度為3 m，錨桿環(huán)向間距為1.2 m，錨桿縱向間距為1.2 m。本文采用不同超前支護方式和開挖方式進行數(shù)值模擬，不同模型支護結構如圖2所示。

圖2 不同支護結構形式模型

采用牛頭山隧道中斷層及破碎帶的Ⅴ級圍巖參數(shù)，使用摩爾－庫倫本構模型，噴混凝土、錨桿及臨時橫撐均使用彈性本構模型。圍巖、噴混凝土、錨桿和臨時橫撐物理力學參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

本次計算采用不同超前支護方式和不同開挖方式模擬隧道的施工過程，結合上述分析，共分為4種工況，計算工況見表2。

表2 計算工況

4 計算結果分析

本節(jié)主要從變形、受力以及安全性等方面，分析隧道開挖支護完成后，不同工況下土體和支護結構變化情況。

4.1 土體變形分析

為研究隧道開挖支護完成后不同工況下的土體變形，提取模型開挖完成后其豎向位移、水平位移和塑性區(qū)分布，圖3～圖4為不同工況的土體位移云圖，圖5為不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖，圖6～圖9為不同位置各工況下的變形曲線。

圖3 不同工況下土體豎向位移云圖（單位：m）

圖4 不同工況下土體水平位移云圖（單位：m）

圖5 不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖（單位：m）

圖6 不同工況下拱頂沉降曲線

圖7 不同工況下仰拱隆起位移曲線

圖8 不同工況下邊墻水平位移曲線

圖9 不同工況下洞頂上方30 m土體沉降曲線（mm）

根據(jù)圖3～圖9分析可知：

（1）采用管棚作為超前支護措施，臺階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。采用臺階法拱頂下沉在7.5 mm左右，全斷面法拱頂下沉在20.0 mm左右。臺階法施工仰拱隆起在16.1 mm左右，全斷面法仰拱隆起在18.7 mm左右。

（2）采用注漿小導管作為超前支護措施，臺階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。臺階法開挖拱頂下沉在8.8 mm左右，全斷面法開挖拱頂下沉在27.5 mm左右。臺階法開挖仰拱隆起在18.7 mm左右，全斷面法仰拱隆起在24.6 mm左右。

（3）圍巖塑性區(qū)具有明顯的方向性，與斷層及破碎帶方向密切相關。臺階法比全斷面法圍巖塑性區(qū)數(shù)值小，管棚臺階法的塑性區(qū)數(shù)值最小，為0.009 67，注漿小導管全斷面法的塑性區(qū)數(shù)值最大，為0.10。

4.2 支護結構應力分析

為研究不同工況下支護結構的受力規(guī)律，提取各工況計算完成后的錨桿軸力分布圖，如圖10所示，圖11為各工況計算完成后軸力最大值統(tǒng)計曲線。

圖10 不同工況下錨桿軸力分布（單位：N）

圖11 不同工況錨桿軸力最大值統(tǒng)計

根據(jù)圖10～圖11分析可知：

（1）四種開挖支護方法的軸力最大值，管棚臺階法最小，數(shù)值為83.2 kN；注漿小導管全斷面法最大，為757.6 kN。

（2）四種工法下的軸力大小關系與四種工法下的拱頂下沉大小關系基本符合。有效控制土體變形，能減小錨桿軸力。

5 結論

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對管棚超前支護臺階法開挖、管棚超前支護全斷面法開挖、注漿小導管超前支護臺階法開挖、注漿小導管全斷面法開挖隧道進行模擬和分析，主要結論如下：

（1）臺階法開挖比全斷面法開挖能更好地控制圍巖的變形，能夠降低拱頂沉降和仰拱隆起。

（2）管棚超前支護方式比注漿小導管超前支護方式能更好地控制拱頂沉降。

（3）土體的豎向變形和水平變形對錨桿軸力影響很大，土體變形越大，錨桿軸力越大。

（4）采用臺階法與全斷面法開挖圍巖塑性區(qū)大小明顯不同，臺階法的塑性區(qū)更小。