隧洞穿越斷層的連續-非連續數值方法研究

沈華駿

(杭州市勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

隧洞在公路、鐵路、水電等多個行業分布廣泛，近年來建設數量快速增加。隧洞施工過程中常遇到斷層破碎帶等不良地質條件，由于斷層破碎帶巖體破碎、強度低、富水條件好，極易發生坍塌、突水等事故，造成經濟損失及人員傷亡，威脅工程順利推進[1]，如珠海石景山隧道“7·15”重大透水事故，造成多人傷亡，影響較大。因此，對隧洞穿越斷層破碎帶區域穩定特征、破壞機理及加固措施等研究意義重大。

本文對比分析了隧洞穿越斷層破碎帶常用數值模擬方法特點，基于連續-非連續耦合方法，利用有限差分軟件FLAC3D及離散元顆粒流軟件PFC3D進行耦合，使用了PFC3D剛性塊單元實現了耦合分析模型快速平衡，通過對比現場坍塌范圍確定斷層破碎帶細觀參數，驗證了分析模型及細觀參數的合理性，并結合工程案例研究了管棚、灌漿等加固措施在連續-非連續耦合方法中的實現方法及效果。相關分析方法應用連續-非連續耦合方法研究隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程及加固效果，便于工程技術人員及研究人員確定合理的加固措施，為同類隧洞問題提供依據。

1 隧洞穿越斷層破碎帶機理研究常用數值分析方法及特點

數值分析是隧洞穿越斷層破碎帶破壞機理研究的有效手段。目前，國內外學者主要利用有限元、有限差分、離散元、顆粒流等方法。王猛等[2]利用有限元軟件ABAQUS分析了襯砌及注漿加固措施應對隧洞穿越富水斷層破碎帶圍巖應力及變形改善狀況；陳曉鵬等[3]利用有限差分軟件FLAC3D分析了“注漿+鋼網索”聯合加固方案對巷道穿越斷層破碎帶變形及塑性區改善作用；Kota V K等[4-5]利用離散元軟件3DEC分析了破碎巖體對隧洞穩定特征的影響；Wei Wu等[6]利用顆粒流軟件PFC分析了隧洞穿越斷層破碎帶的失穩過程；周健及M Cai等[7-8]使用接口程序實現了FLAC-PFC耦合方法在相關巖土工程問題中的應用。

上述研究對于隧洞穿越斷層破碎帶問題，主要基于連續介質理論及非連續分析理論。有限元及有限差分等基于連續介質理論的模擬方法計算效率高，通過變形、塑性區、應力變形情況等反映隧洞穿越斷層破碎帶區域穩定特征、破壞機理及處理措施效果，但該方法通過較低的參數描述斷層破碎帶，難以體現破碎帶大量裂隙的影響；離散元及顆粒流等基于非連續理論的模擬方法能夠考慮破碎帶裂隙影響，形象地反映隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程，但相關方法普遍建模工作量大，計算效率偏低；此外，目前常用的連續-非連續耦合解決方案建模過程復雜，且過小的顆粒將帶來計算效率低的問題，過大的顆粒將帶來幾何特征精度低的問題，不便于此問題的解決。

連續-非連續耦合分析可同時發揮連續方法計算效率高及非連續方法破壞過程體現的優勢，若能夠提高耦合分析建模效率，將可以更好地分析隧洞穿越斷層破碎帶穩定特征、破壞機理及加固措施的效果。

2 連續-非連續耦合方法隧洞穿越斷層破碎帶分析

FLAC及PFC軟件由ITASCA國際咨詢公司Peter Cundall院士等分別基于有限差分及離散元顆粒流方法開發的，兩款軟件可以在同一平臺下使用，特別適合于進行連續-非連續耦合分析研究。因此，基于FLAC-PFC耦合進行隧洞穿越斷層破碎帶相關機理研究。

2.1 FLAC-PFC連續-非連續耦合實現方法

利用FLAC-PFC進行連續-非連續耦合分析通常采用邊界控制PFC墻體單元(wall)的方式，使得FLAC連續的網格與PFC的顆粒模型相互作用。

其耦合的邏輯是獲取PFC非連續介質在墻體單元面片的接觸力及力矩，將面片頂點位置的等效力傳遞至FLAC網格節點；同時，FLAC將節點速度傳遞至墻體單元面片，與PFC非連續介質產生作用力，按照力-位移法則按時步進行更新。因此可以實現力、位移等數據在連續-非連續耦合分析時傳遞。

2.2 隧洞穿越斷層破碎帶耦合分析建模方法及細觀參數確定方法

隧洞穿越斷層破碎帶為三維問題，可利用FLAC3D-PFC3D耦合建立分析模型，FLAC3D對非斷層區域變形、支護受力等進行分析，PFC3D對斷層區域破壞過程等特征進行分析。

PFC3D中對斷層破碎帶建模需進行顆粒填充與應力平衡，對于常用球形顆粒(ball)，由于球體之間存在孔隙，且創造應力條件需通過伺服控制、顆粒縮放等方式，顆粒體系平衡及應力條件實現耗時長。PFC剛性塊單元(rblock)，類似于BBM(Bonded-Block Models)模型[9]，可快速生成一系列無孔隙的顆粒體系，由于沒有孔隙的影響，可快速實現剛性塊單元體系平衡及斷層區域破碎帶區域應力條件施加。

利用PFC進行相關研究時，顆粒間的接觸參數的確定十分重要，通常是根據室內試驗，尋找細觀參數與宏觀特性之間的關系，從而獲得標定的細觀參數[10-11]。對于斷層破碎帶通常難以開展針對性的室內試驗，可根據斷層破碎帶開挖響應情況如坍塌情況，變形等監測數據等對顆粒體系接觸細觀參數反演確定。

2.3 連續-非連續耦合方法加固措施模擬

隧洞穿越斷層破碎帶，常采用注漿、超前支護、錨索等加固措施[12-15]。注漿加固常采用小導管、中空錨桿等進行，根據盧義玉等人的研究，小導管注漿擴散半徑一般為導管中心距離的0.6倍～0.7倍[16]；對于超前支護，常采用管棚、小導管等方式結合注漿進行加固[17]，保障隧洞穿越斷層區域穩定。

小導管、錨桿、錨索、噴層等支護結構在FLAC3D-PFC3D耦合過程中可以用FLAC3D結構單元實現；注漿加固則需要考慮調整注漿擴散區域PFC3D顆粒接觸參數實現，參考李文帥的研究[18]，漿液填充巖體漿-巖接觸界面，漿液細觀黏結強度約為巖塊黏結強度的80%。

3 工程實例

某水電工程施工隧洞開挖過程中，遭遇未探明斷層破碎帶發生坍塌，坍塌位置及范圍如圖1所示。該隧洞寬度為8.1 m，坍塌位置埋深約400 m，結合已開挖洞段地質信息及補充勘探，發現該斷層破碎帶寬度約3 m，與隧洞斜交。工程區域水平大主應力近似垂直于隧洞軸線方向，為1.5倍自重，水平小主應力近似沿隧洞軸線方向，為0.7倍自重。

利用FLAC3D-PFC3D耦合建模技術建立了該隧洞穿越斷層破碎帶分析模型，如圖2所示。斷層破碎帶區域采用PFC3D剛性塊單元(rblock)建立，其余部分采用FLAC3D網格單元，模型包含12萬個FLAC3D網格單元及8.7萬個PFC3D剛性塊單元，剛性塊單元間共計有30.6萬個接觸。隧洞附近網格及剛性塊單元尺寸按1 m控制。

由于斷層破碎帶將進一步影響后續隧洞的施工，若發生更大的坍塌，將極大的威脅施工人員及工程工期，因此有必要開展該斷層破碎帶特征參數研究及加固措施研究，避免產生更大的影響。

3.1 斷層破碎帶細觀參數確定

隧洞非斷層破碎帶區域為Ⅲ類圍巖，巖體力學參數如表1所示。斷層破碎帶剛性塊單元采用軟黏結模(Softbond)接觸模型。

表1 圍巖巖體力學參數

隧洞開挖后，通過調整軟黏結模型細觀參數，對比坍塌范圍獲得斷層破碎帶細觀參數。同時，還確定了破碎帶區域作為Ⅲ類圍巖的細觀參數，為后續注漿加固參數確定提供依據，如表2所示。

表2 斷層破碎帶軟黏結接觸模型細觀參數

根據表1及表2的圍巖及破碎帶參數，采用噴錨支護方案模擬隧洞開挖及破壞過程，如圖3，圖4所示，隧洞右上拱肩首先受到斷層破碎帶影響發生坍塌，同時該區域的錨桿發生破折，分析結果與現場基本一致。

3.2 隧洞穿越斷層破碎帶加固措施

該斷層破碎帶將繼續影響后續施工，采用如圖5所示加固措施，隧洞頂拱180°范圍內設長9 m、直徑108 mm、傾角5°、間距0.5 m超前管棚，并對管棚進行注漿；洞身施加長5.0 m、直徑42 mm、間距1 m小導管，傾角15°安裝進行注漿；洞身施加間距0.6 m鋼拱架，噴層厚度25 cm。

管棚及小導管注漿將填充破碎帶巖體裂隙，在一定范圍內使得破碎巖體形成一個整體。參考文獻[18]的研究，于漿液擴散范圍按注漿管中心間距的0.6倍考慮，因此對破碎帶洞周4.5 m范圍細觀參數進行了提高；分析中破碎帶軟黏結抗拉強度及黏結強度按圍巖的40%保守考慮。

采用上述加固措施后，隧洞穿越斷層破碎帶后變形及支護結構受力特征如圖6所示，分別展示了隧洞穿越斷層變形情況，原隧洞右上頂拱坍塌區域的變形為3.5 cm，可見采取加固措施后斷層破碎帶區域變形得到了有效控制，未發生坍塌；根據圖7所示的管棚及錨桿受力，超前管棚在斷層破碎帶區域應力大于100 MPa，可見超前管棚對保障隧洞穿越破碎帶穩定發揮了較大的作用。

4 結論

本文研究了應用連續-非連續耦合方法分析隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程、穩定特征及加固措施效果，得到如下結論：

1)對于非斷層破碎帶區域使用FLAC3D建模，斷層區域使用PFC3D剛性塊單元建模，能夠快速實現隧洞穿越斷層破碎帶連續-非連續耦合模型建立。

2)對于斷層破碎帶區域PFC3D接觸參數的確定可通過對比斷層區域現場響應特征，如坍塌區域、變形監測等反演確定，以某水電工程隧洞為例獲得了較一致的坍塌破壞情況及錨桿破折效果，反演過程中發現軟黏結模型黏聚力及抗拉強度對斷層破碎帶是否發生坍塌影響較大。

3)連續-非連續耦合分析方法中，注漿加固可通過提高注漿擴散區域細觀參數實現，結合某水電工程隧洞采取加固措施后，可見原坍塌位置隧洞變形得到了有效控制。

4)可在相關分析的基礎上，應用連續-非連續耦合方法進一步研究不同斷層特性、破碎帶寬度、傾角等對隧洞穩定特征的影響。