九頂山隧道破碎帶開挖與支護數值模擬研究*

馬國民，楊華清

(1.云南楚大高速公路投資開發有限公司，云南 大理 671000;2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 430071)

0 引言

隧道修建過程中會面臨各種地質問題，如高地壓、富水、大埋深、風化巖層、破碎帶等。隧道開挖過程中，這些復雜多變的地質問題會導致隧道發生突水突泥、坍塌等災害[1-5]。目前，國內外學者已對隧道開挖方法、支護模式、注漿工藝及效果分析進行一系列研究，取得豐碩成果[6-15]。

針對隧道穿越斷層破碎帶問題，研究工作主要集中在兩方面，一方面是通過試驗、理論分析或數值模擬研究隧道穿越斷層的力學響應及斷層對隧道穩定性的影響。Kiani等[16]通過試驗研究覆蓋層厚度、斷層角度等對隧道穩定性的影響。Sabagh等[17]采用室內試驗和有限元數值模擬研究隧道穿越斷層的力學響應，分析斷層角度、斷層位移、隧道直徑、襯砌厚度、覆土高度等對隧道穩定性的影響。Gao等[18]開展大型三維物理模型試驗和數值模擬，研究不同埋深下隧道穿越斷層漏水的發生機制和演化規律，分析斷層對地下水滲流、隧道漏水的影響。Zaheri等[19]通過三維數值模擬研究斷層對隧道中噴射混凝土和管片襯砌性能的影響，分析襯砌厚度、圍巖力學特性、隧道深度和斷層傾角等對隧道變形的影響。黃生文等[20]以牛湖山高速公路隧道為依托，利用有限元軟件對其斷層段進行數值分析，得到隧道斷層段開挖圍巖應力的變化規律。王根等[21]采用離散單元法研究破碎巖層對隧道穩定性的影響，并分析隧道的坍塌演化規律。邵勇等[22]以蘇州陽山隧道為依托，對穿越破碎帶隧道進行有限差分數值模擬，分析破碎帶對隧道圍巖變形的影響。穆蘭等[23]以羅漢坡公路隧道穿越F5富水斷層為依托，對其施工全過程進行三維流固耦合數值模擬，分析圍巖的變形規律、力學特性及支護結構位移等。刑軍等[24]以拉薩—林芝公路隧道為依托，對連續降雨條件下的隧道開挖進行數值模擬，分析其穩定性及破壞過程。于晨昀等[25]針對山嶺隧道富水破碎帶的水害問題，建立開挖面破裂角的極限平衡方程，分析得到巖體破裂角、自穩厚度與隧道埋深、自重、黏聚力、內摩擦角、破碎帶水頭等因素的關系。

另一方面，主要通過數值模擬和現場試驗研究隧道穿越斷層破碎帶的施工工藝和圍巖加固技術。鐘威等[26]結合大坪山隧道，對隧道穿越斷層開挖方法進行優化模擬，發現分步開挖較合適。張優利等[27]、畢旭冰等[28]對隧道穿越斷層破碎帶進行數值模擬，并提出適宜的施工方案。萬飛等[29]對關角隧道斷層破碎帶段的支護結構進行優化設計，并通過數值模擬和現場監測對其進行驗證。Kang等[30]以我國淮南礦區某隧道為例，分析密集斷層帶隧道穩定性關鍵因素，提出長管預注漿和新型注漿索的改進支護方法。Abdollahi等[31]對不同加固方式下斷裂帶隧道掘進過程進行模擬，發現傘形拱和徑向注漿相結合是最適合隧道穿越斷裂帶的加固方式。王涵等[32]對玉渡山隧道穿越F115斷層破碎帶CD法施工進行數值模擬，分析其拱頂沉降位移、洞內收斂等變形情況，并結合現場監測數據提出新的聯合支護方案。

綜上所述，目前針對斷層破碎帶隧道的研究主要集中在隧道變形及穩定性分析，以及在此基礎上的施工工藝與支護方式選取方面。斷層破碎帶巖體破碎、變形量大，若不及時支護，會造成塌方等災害事故，但完全不允許圍巖變形既不現實，也會帶來巨大的經濟壓力。本文通過數值模擬，分析隧道圍巖變形及支護受力特征，研究破碎帶隧道合理支護時機，既能適當釋放圍巖應力，又能保證圍巖變形可控，以適宜的支護強度保證隧道穩定性，使施工安全、經濟。

1 工程概況

九頂山隧道區海拔高程為2 180.000～3 085.000m， 相對高差905m，屬構造溶蝕、構造剝蝕中山地形地貌區，地形起伏較大，交通不便。根據云南省區域地質資料顯示，線路所在區域位于南北向(經向)構造帶與青藏滇緬歹字型構造體系復合部位，根據區域沉積建造、巖漿活動、變質作用、成礦作用、構造層次及構造形跡、地形地貌特征，該區位于洱海深大斷裂東部構造區，泛指洱海斷裂以東的向陽界海相沉積巖層，巖性以碎屑巖、碳酸鹽巖、巖漿巖和基性火山巖為主，間有硅質巖覆以中生界紅色碎屑巖，中生代末期燕山運動促使褶皺發育，復經喜山運動進一步復雜化，再經近期外力地質作用的塑造而顯露當今外貌。

九頂山隧道區段內構造擠壓嚴重，變質作用強烈，巖體破碎，沿斷層帶，多處、多期侵入巖活動強烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖枝、巖脈、巖株、巖墻狀不規則侵入區內各地層。該隧道K283+960附近為次生的阱廠箐斷層，地質條件為切割泥盆系白云質灰巖，巖層較破碎，隧道圍巖開挖易掉塊、坍塌、涌水及突水突泥，建議加強圍巖支護。

2 計算模型及參數選取

2.1 計算模型

ZK283+930—ZK284+080段隧道部分穿越斷層破碎帶地層。根據設計，該段主要采取三臺階留核心土法開挖，襯砌采用SF4a，SF5a型。綜合超前地質預報成果及勘察報告，建立計算模型(見圖1)，模型底部尺寸為150m×176m，采用四面體單元，共劃分2 746 990個單元。模型中包括白色白云質灰巖與灰黑色輝長巖接觸帶(V1)、灰黑色輝長巖夾灰巖接觸帶(V2)、白色白云質灰巖與灰黑色輝長巖接觸帶(V3)3個地層。模型底部和兩側采用鉸接約束，為簡化模型，在模型頂部(距隧道頂端60m)施加20.6kN/m3的均布荷載模擬上覆巖體(厚438m)的壓力。

圖1 ZK283+930—ZK284+080段計算模型

2.2 參數選取

根據各地層物理力學性質測試結果，結合以往類似工程經驗，擬建隧道區各巖土層及支護結構計算參數取值如表1所示。其中，支護結構彈性模量根據混凝土和鋼拱架的彈性模量及截面積進行等效；混凝土和鋼拱架的參數取值參考規范確定；加固圈的參數參考相關文獻[33-34]，結合圍巖可注性及現場經驗確定。

表1 各巖土層及支護結構計算參數

3 計算結果分析

3.1 圍巖變形與支護受力分析

根據ZK283+930—ZK284+080段隧道開挖工法和支護設計，對隧道左幅開挖及支護過程進行模擬，圍巖變形及支護內力分布如圖2所示。

圖2 ZK283+930—ZK284+080段圍巖變形及支護內力分布

由圖2可知，圍巖變形主要發生在開挖隧道拱頂，開挖引起拱頂以上圍巖沉降，拱頂以下圍巖少量回彈；拱頂最大沉降約21.50cm，洞內最大水平收斂位移值約5cm，均主要出現在斷層破碎帶段；支護最大壓應力約18.8MPa，拉應力約2.2MPa，均出現在斷層破碎帶段隧道拱腰及拱頂部位。

隧道拱頂各監測點的沉降時程曲線如圖3所示。由圖3可知，在開挖過程中，隧道拱頂位移可分為迅速增加和逐漸穩定2個階段，開挖時圍巖迅速變形，開挖后圍巖變形逐漸穩定。

圖3 隧道拱頂各監測點沉降時程曲線

現場實測ZK284+010斷面拱頂沉降曲線如圖4所示。由圖4可知，最大沉降值約23cm，與模擬值較接近，且也呈先迅速增大后逐漸穩定的變化規律，說明數值模擬結果可靠。

圖4 ZK284+010斷面拱頂沉降曲線

隧道拱頂沉降最大值沿隧道軸向分布如圖5所示。由圖5可知，隧道穿過白云質灰巖段時，拱頂沉降5～6cm；圍巖向斷層破碎帶過渡時，拱頂沉降開始大幅度增加，約11.6cm；隧道穿過斷層破碎帶段時，圍巖變形較大，拱頂沉降18～21.5cm；圍巖又向白云質灰巖過渡時，拱頂沉降減小。模擬結果與現場監測結果變化趨勢基本一致。

圖5 隧道拱頂沉降最大值沿隧道軸向分布曲線

3.2 合理預留變形量與支護時機

為研究不同支護時機對圍巖變形及支護結構受力的影響，選取圍巖變形釋放率為0(立即支護)，5%，10%，15%，20%進行支護模擬，支護應力、拱頂沉降、洞內收斂隨支護時機變化規律如圖6所示。

圖6 支護應力、拱頂沉降、洞內收斂隨支護時機變化規律

由圖6可知，隨著支護時機的滯后，隧道圍巖變形逐漸增大。圍巖變形釋放率0，5%，10%，15%，20%后支護，對應的拱頂沉降分別為21.49，24.72，26.86，30.41，38.15cm，洞內收斂位移分別為5.00，6.31，10.42，18.21，19.46cm。當圍巖變形釋放率≤10%時，白云質灰巖段拱頂沉降增幅不明顯，但斷層破碎帶段增幅明顯；當圍巖變形釋放率>10%時，白云質灰巖段和斷層破碎帶段均有較大增幅，說明支護越滯后，受支護時機影響的圍巖范圍越大。

隨著支護時機的滯后，支護內力逐漸減小。圍巖變形釋放率0，5%，10%，15%，20%后進行支護，支護所受最大拉應力分別為2.15，2.07，1.57，1.32，1.29MPa，最大壓應力分別為18.84，16.84，14.61，11.84，11.04MPa。當圍巖變形釋放率<5%，支護最大壓應力較大，拱頂最大位移較小，說明圍巖應力基本由支護結構承受，此時施加支護并不經濟；當圍巖變形釋放率>10%時，拱頂最大位移隨支護滯后有明顯增大趨勢，支護最大壓應力較小，且受支護時機影響逐漸減弱，說明圍巖應力接近完全釋放，支護所受圍巖壓應力逐漸穩定，支護拱效應越來越不明顯，而支護對圍巖變形的控制作用明顯下降，圍巖變形加劇，圍巖自身的支撐作用得到充分發揮，趨于失穩。

通過以上分析可知，當隧道穿越斷層破碎帶(ZK283+930—ZK284+080)時，圍巖變形釋放緩慢，若較早施加支護(圍巖變形釋放率<5%)，隨著隧道向前掘進，圍巖會對支護進行持續性擠壓，此時對支護材料要求較高；若較晚施加支護(圍巖變形釋放率>10%)，支護最大壓應力基本不發生變化，而拱頂位移會大幅度增加，且受支護時機影響的圍巖范圍也有所增大，可能導致圍巖大范圍失穩。因此，可判斷圍巖變形釋放率率5%～10%為較合理的支護時機。為適應工程實踐，可結合圖4將圍巖變形釋放率轉換為開挖距離，開挖距離達到10m后圍巖變形基本趨于平穩(圍巖變形釋放接近100%)，則圍巖變形釋放率5%～10%對應的開挖距離為0.5～1m， 表明支護滯后掌子面0.5～1m為較合理的支護時機，對應的圍巖預留變形量為25～27cm。

4 結語

本文采用FLAC3D對九頂山隧道左幅穿越斷層破碎帶段(ZK283+930—ZK284+080)開挖及支護全過程進行模擬，主要得到以下結論。

1)在設計的開挖工法和支護結構下，隧道穿越斷層破碎帶(ZK283+930— ZK284+080)時，拱頂沉降最大約21.50cm，洞內最大收斂約5cm；支護所受最大壓應力約18.8MPa，最大拉應力約2.2MPa，均出現在斷層破碎帶段隧道拱腰及拱頂部位。

2)開挖過程中，隧道拱頂位移可分為迅速增加和逐漸穩定2個階段，開挖時圍巖發生迅速變形，開挖后，圍巖變形逐漸穩定。當隧道穿過白云質灰巖段時，拱頂沉降5～6cm；當圍巖向斷層破碎帶過渡時，圍巖變形開始大幅度增加，約11.6cm；當隧道穿過斷層破碎帶段時，圍巖變形較大，拱頂沉降18～21.5cm；之后，圍巖又向白云質灰巖過渡，拱頂沉降回落。

3)隧道穿越斷層破碎帶時，圍巖變形釋放緩慢，若較早施加支護，隨著隧道向前掘進，圍巖會對支護進行持續性擠壓，此時對支護材料要求較高；若較晚施加支護，支護最大壓應力基本不發生變化，而拱頂位移會大幅度增加，且受支護時機影響的圍巖范圍也有所增大，可能導致圍巖大范圍失穩。支護滯后掌子面0.5～1m為較合理的支護時機，對應的圍巖預留變形量為25～27cm。