寬大斷層構(gòu)造破碎帶內(nèi)隧道施工穩(wěn)定性分析

李 鵬，張成良，李 珍，王臣輝，王 超

(1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

隧道在山區(qū)高速公路建設(shè)中占有很大比重，受線路走向限制，隧道常需穿越如斷層構(gòu)造破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。斷層破碎帶由于特殊的巖體結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，結(jié)合較差，圍巖自穩(wěn)能力差。若斷層破碎帶出露于地表，與地表水系連通，在隧道穿越斷層破碎帶區(qū)域，由于開挖擾動，地表水、基巖裂隙水往往會通過裂隙通道滲入隧道，極易誘發(fā)隧道坍塌、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。

近年來，針對隧道穿越斷層構(gòu)造破碎帶的穩(wěn)定性研究，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等方法做了很多工作。耿萍等[3]通過動力分析和振動臺模型試驗相結(jié)合方法，研究穿越斷層破碎帶隧道在地震作用下的動力響應(yīng)特性。何川等[4]通過振動臺模型試驗及數(shù)值計算對斷層破碎帶隧道動力響應(yīng)進行研究。王帥帥等[5]推導(dǎo)平面SV波入射下深埋圓形隧道“圍巖-減震層-初期支護-二次襯砌”減震系統(tǒng)的動力響應(yīng)。Seokwon Jeon等[6]采用數(shù)值模擬和模型試驗對隧道不同開挖方法施工時圍巖的穩(wěn)定性進行分析。劉泉聲等[7]通過綜合監(jiān)測系統(tǒng)，分析斷層破碎帶圍巖變形與支護結(jié)構(gòu)受力。萬飛等[8]運用綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對穿越關(guān)角隧道F2-1斷層破碎帶圍巖進行監(jiān)測分析，提出合理支護方案。左清軍等[9]分析跨越斷層富水軟巖隧道塌方影響因素及圍巖失穩(wěn)破壞模式。王德明等[10]研究了斷層破碎帶隧道開挖擾動作用下突水、突泥災(zāi)變演化過程。

由于地質(zhì)構(gòu)造、水文特征等存在差異，不同隧道穿越斷層破碎帶時遇到的地質(zhì)問題和環(huán)境條件不盡相同。在參考前人研究基礎(chǔ)上，以哨房丫口隧道穿越斷層構(gòu)造破碎帶為研究背景，應(yīng)用數(shù)值模擬方法分析枯水期(工況1)、正常降雨期(工況2)、豐水雨季(工況3)3種工況下隧道圍巖位移變形規(guī)律和應(yīng)力應(yīng)變特征，為不同工況條件下隧道穿越斷層構(gòu)造破碎帶施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

哨房丫口隧道位于高速公路第1標段，該段地勢南北高、中間低，自然地形坡度較陡。隧道設(shè)計速度為100km/h，按雙向6車道設(shè)計，凈寬14.5m，凈高5.0m。路面設(shè)計荷載采用公路Ⅰ級，隧道最大埋深156m。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況

哨房丫口隧址區(qū)以斷裂構(gòu)造占據(jù)主要地位，路線受南北向斷裂影響較大；褶皺規(guī)模較小，且多殘破不全。ZK4+200附近，在隧址區(qū)近似南東-北西向展布，其左翼(南西翼)產(chǎn)狀280°∠47°，右翼(北東翼)產(chǎn)狀225°∠48°。褶皺區(qū)地層主要為白堊紀系馬頭山組泥質(zhì)砂巖，其核部巖體較破碎，兩翼巖層較完整。隧道開挖段受地質(zhì)斷裂影響強烈，在ZK5+080附近有1處長約260m、寬約30m斷層構(gòu)造破碎帶及影響帶，其產(chǎn)狀為135°∠41°，寬度約為隧道洞徑的2倍，隧道線路與斷層構(gòu)造帶位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 哨房丫口隧道與斷層構(gòu)造破碎帶位置

1.3 隧道區(qū)地層巖性與降雨

2 斷層構(gòu)造破碎帶對隧道穩(wěn)定性的影響

1)哨房丫口斷層構(gòu)造破碎帶及其影響帶區(qū)域地表植被異于兩側(cè)，有小型的陡坎和山脊鞍沿斷層帶發(fā)育，斷層構(gòu)造破碎帶寬約30m，影響帶寬約60m，斷層構(gòu)造破碎帶初露于地表，出露區(qū)域地勢低洼，地表有水流通過、多處水潭及泉眼分布，斷層構(gòu)造破碎帶巖樣含有風(fēng)化殘積土及白色鈣質(zhì)附著物，遇水易侵蝕、泥化；再加上存在伴生裂縫，為地下水連通提供了良好的滲透通道，如圖2所示。

圖2 斷層構(gòu)造破碎帶地表巖樣

2)哨房丫口隧道開挖至斷層構(gòu)造破碎帶附近時，由于斷層構(gòu)造破碎帶延伸于地表，開挖擾動地表水、基巖裂隙水會隨著斷層構(gòu)造破碎帶滲入洞內(nèi)，地表水系和構(gòu)造破碎帶形成水力連通，在枯水期、正常降雨及豐水期，地表雨水的強度和滲入量隨季節(jié)變化不同，在豐水期使得大量降雨沿破碎帶及地表進入地層補充地下水源。一方面，水滲入斷層構(gòu)造破碎帶介質(zhì)中會產(chǎn)生孔隙水壓力，使巖體有效應(yīng)力降低，巖體有效剪切強度降低。另一方面，當(dāng)?shù)叵滤c斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)的硅酸鹽礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時會導(dǎo)致巖石弱化，水與構(gòu)造破碎帶中充填物質(zhì)結(jié)合時使其強度降低，降低了構(gòu)造破碎帶的摩擦系數(shù)，促使破碎帶強度降低[11]。

3)豐水季時，隧道開挖至斷層構(gòu)造破碎帶處，開挖擾動使隧道圍巖塑性區(qū)域增大，由于水對斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域的弱化，圍巖抵抗剪切變形能力隨著剪切變形量的增大而減小。當(dāng)斷層面剪切應(yīng)力超過圍巖抗剪強度時，斷層構(gòu)造破碎帶巖體向隧道內(nèi)擠壓移動，使得圍巖形變壓力和松動壓力增大，增大的形變壓力和松動壓力作用在初期支護上，進而引發(fā)隧道坍塌、滲水及過大變形等[12]，如圖3所示。

圖3 哨房丫口隧道滲水及初支侵限

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型建立步驟為：①定義材料屬性，包括斷層構(gòu)造破碎帶、圍巖、注漿加固圈；②設(shè)豎向地應(yīng)力為重力場；③定義枯水期、正常降雨、豐水雨季的巖體材料力學(xué)參數(shù)，支護材料力學(xué)參數(shù)3種工況下不變，枯水期、正常降雨、豐水雨季的巖體力學(xué)參數(shù)依次減弱；④采用彈塑性本構(gòu)模型和莫爾-庫侖屈服準則。

3.2 材料物理參數(shù)確定

模擬枯水期材料物理力學(xué)參數(shù)取值(見表1)，通過地質(zhì)勘察資料并結(jié)合現(xiàn)場勘察情況，對具有代表性的部位取樣并在室內(nèi)進行不同含水量的巖體強度試驗，確定模擬的正常降雨、豐水雨季的巖體力學(xué)參數(shù)分別按枯水期力學(xué)參數(shù)的5%，10%強度進行遞減。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3 模型尺寸及邊界條件

選取隧道K5+060—K5+200段140m作為研究對象，由彈塑性力學(xué)圣維南原理可知，隧道開挖擾動的范圍是隧道洞徑3～5倍的巖土體有二次應(yīng)力重分布現(xiàn)象。因此，計算模擬隧道段地層所取范圍為：縱向沿隧道軸線方向取140m，水平方向長度取80m，垂直方向由隧道底部到底部邊界約為洞徑的4倍，取40m，垂直方向上取隧道實際埋深75m，斷層構(gòu)造破碎帶的位置為K5+080—K5+110段，隧道軸線與斷層構(gòu)造破碎帶走向為正交關(guān)系，隧道模型及網(wǎng)格劃分如圖4，5所示。在網(wǎng)格劃分階段，讓隧道斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域及注漿加固圈的網(wǎng)格劃分稍微密實，兩側(cè)正常圍巖的網(wǎng)格劃分次之，這樣能更好地真實反映出隧道開挖過程中圍巖受力和位移情況。

圖4 模型整體網(wǎng)格劃分

圖5 隧道與斷層構(gòu)造破碎帶正交示意

3.4 隧道施工過程模擬

模擬隧道段采用三臺階法施工，圍巖應(yīng)力按上臺階40%、下臺階30%及仰拱開挖30%進行釋放，初期支護緊跟掌子面，臺階間和左、右洞間按設(shè)計要求設(shè)置，根據(jù)隧道地質(zhì)圍巖條件選取0.8m作為施工開挖循環(huán)進尺長度。分析在枯水期、正常降雨和豐水雨季3種工況下哨房丫口構(gòu)造破碎帶不同里程隧道圍巖的應(yīng)力和變化規(guī)律。

4 斷層構(gòu)造破碎帶隧道穩(wěn)定性分析

采用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件對隧道K5+060—K5+200段140m范圍進行枯水期、正常降雨、豐水雨季3種工況下隧道在斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域的圍巖穩(wěn)定性分析，為分析隧道受力及位移情況，隧道每隔5m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，選取典型斷面即隧道開挖距斷層構(gòu)造破碎帶前5m、隧道開挖到與斷層構(gòu)造破碎帶交界處、隧道開挖到斷層破碎帶中間位置，以及隧道將過斷層構(gòu)造破碎帶4個監(jiān)測斷面分析斷層構(gòu)造破碎帶對隧道開挖圍巖的穩(wěn)定性影響。工況1～3里程選取分析斷面分別為：K5+075，K5+080，K5+095，K5+110。

4.1 隧道圍巖位移變化特征分析

為研究構(gòu)造破碎帶區(qū)域枯水期、正常降雨、豐水雨季3種工況下圍巖位移情況，對3種工況各選定4個監(jiān)測斷面進行圍巖位移對比分析。在3種工況下分析隧道4個監(jiān)測斷面拱頂豎向位移，隧道圍巖拱頂豎向位移如表2所示，隧道拱頂豎向位移與隧道里程關(guān)系曲線如圖6所示。

表2 不同工況下監(jiān)測斷面拱頂豎向位移 mm

圖6 不同工況下隧道拱頂沉降變化關(guān)系曲線

結(jié)合表2和圖6可看出：①隧道開挖距離斷層構(gòu)造破碎帶約15m時隧道拱頂位移明顯增加，當(dāng)距離斷層構(gòu)造破碎帶約5m時垂直位移急劇增加，隧道拱頂豎向位移呈“斷崖式”下降，在隧道開挖至斷層構(gòu)造破碎帶交界處，位移達到最大值，在斷層構(gòu)造破碎帶中開挖位移變化不明顯，當(dāng)隧道開挖跨越過斷層構(gòu)造破碎帶時位移開始減小，當(dāng)開挖距離斷層構(gòu)造破碎帶>15m時位移變化較小，這時斷層構(gòu)造破碎帶對圍巖及位移的變化影響較小。②在相同條件下3種不同工況豎向位移變化具有明顯的相大性，都是在施工至斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域位移最大，遠離斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域位移變化較小。在相同條件下豐水雨季位移最大(481mm)，正常降雨期次之(231mm)，枯水期降雨最小(156mm)。3種工況下豎向位移都超過隧道允許的預(yù)留變形量。豐水雨季條件下隧道拱頂豎向位移約為枯水期條件下隧道拱頂豎向位移的3倍，約為正常降雨期條件下隧道拱頂豎向位移的1.5倍，降雨強度的增加使得隧道豎向位移大大增加。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力變化特征分析

對3種工況下選取的4個監(jiān)測斷面最大主應(yīng)力進行分析，隧道圍巖最大主應(yīng)力如表3所示，隧道最大主應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7所示。

表3 不同工況監(jiān)測斷面最大主應(yīng)力 MPa

圖7 不同工況下隧道里程與最大主應(yīng)力關(guān)系曲線

結(jié)合表3和圖7可看出：①隧道開挖距離斷層構(gòu)造破碎帶約15m時隧道最大主應(yīng)力明顯增加，當(dāng)距離斷層構(gòu)造破碎帶約5m時應(yīng)力急劇增加，隧道應(yīng)力呈“凸”狀形態(tài)，在隧道開挖至斷層構(gòu)造破碎帶交界處，應(yīng)力達到最大值，在斷層構(gòu)造破碎帶中開挖應(yīng)力變化不明顯，當(dāng)隧道開挖跨越過斷層構(gòu)造破碎帶時應(yīng)力開始減小，當(dāng)開挖距離斷層構(gòu)造破碎帶>15m時應(yīng)力變化較小，這時斷層構(gòu)造破碎帶對圍巖及應(yīng)力的變化影響較小。②在相同條件下3種不同工況應(yīng)力變化具有明顯的相似性，都是在施工至斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域應(yīng)力最大，遠離斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域應(yīng)力變化較小。在相同條件下豐水雨季應(yīng)力最大(14.98MPa)，正常降雨期次之(8.02MPa)，枯水期降雨最小(4.15MPa)。豐水雨季條件下隧道應(yīng)力為枯水期條件下的4倍，約為正常降雨期條件下應(yīng)力的2倍，降雨強度的增加使得隧道最大應(yīng)力大幅度增加。

隧道圍巖與斷層構(gòu)造破碎帶交界處是隧道應(yīng)力集中區(qū)。隧道在開挖距斷層構(gòu)造破碎帶一定距離時，由于斷層構(gòu)造破碎帶自重應(yīng)力存在，當(dāng)隧道與斷層構(gòu)造破碎帶一定距離的圍巖不足以抵抗斷層構(gòu)造破碎帶自身重力，巖體會沿著斷層構(gòu)造破碎帶產(chǎn)生位移，對隧道產(chǎn)生較大圍巖壓力。隧道隨著富水程度變大，水對斷層構(gòu)造破碎帶區(qū)域的圍巖弱化，導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)變大，應(yīng)力因斷層構(gòu)造破碎帶的滑移巖體變大而變大。

5 結(jié)語

以哨房丫口隧道斷層構(gòu)造破碎帶不良地質(zhì)為研究對象，針對隧道在豐水雨季特殊環(huán)境下過斷層構(gòu)造破碎帶段施工過程中圍巖軟弱、初期支護侵限嚴重等問題，通過數(shù)值模擬對3種工況下隧道圍巖位移變形規(guī)律和應(yīng)力、應(yīng)變特征進行分析，得到以下結(jié)論。

1)由3種工況下選定的4個不同監(jiān)測斷面可看出，在工況3條件下隧道開挖至斷層構(gòu)造破碎帶約15m時隧道拱頂豎向位移和最大應(yīng)力開始增加，越靠近構(gòu)造破碎帶位移和應(yīng)力越大，當(dāng)進入構(gòu)造破碎帶與圍巖交界位置時，位移和應(yīng)力達到最大值，遠離構(gòu)造破碎帶時位移和應(yīng)力明顯減小。在相同條件下豐水雨季位移和應(yīng)力最大、正常降雨期次之、枯水期最小，隧道拱頂豎向位移和最大應(yīng)力隨富水程度增加而增大。

2)破碎帶巖體力學(xué)性質(zhì)和降雨量對巖體變形和應(yīng)力影響最大，尤其是地表雨水滲透對巖體強度的弱化最明顯。因此，若有條件時盡量避開雨期施工，并對地表進行必要的防滲處理。同時，在洞內(nèi)距斷層構(gòu)造破碎帶約15m處應(yīng)加強超前注漿支護、降低開挖強度，以保證隧道穩(wěn)定性。