穿越斷層帶的某高速公路隧道圍巖變形特征研究

摘要：

為研究穿越斷層帶的高速公路隧道圍巖變形特征，文章基于有限元法，利用Midas GTS軟件建立高速公路隧道模型，得出斷層帶對高速公路隧道圍巖應力變形的力學機理，同時針對不同斷層帶形態（斷層帶傾角）對圍巖變形產生的影響進行分析。結果表明：斷層帶對圍巖豎向位移和水平位移的發展有明顯的促進作用，隧道開挖未到達斷層帶時，隨著開挖深度的增加，位移增長幅度較小，而恰好處于斷層帶時，位移增長幅度較大；高速公路隧道穿越斷層帶時，圍巖的豎向位移在斷層帶與隧道接觸時最大，最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖；圍巖豎向位移對斷層帶傾角變化的敏感層度更高；隨著斷層帶傾角的變化，最大主應力及最小主應力均出現在斷層帶圍巖附近。

關鍵詞：高速公路；斷層帶有限元；隧道圍巖；變形特征

中圖分類號：U456.3 A 47 156 4

0 引言

隨著西部大開發戰略的實施，我國西部城市交通運輸行業得到快速發展，我國在交通運輸方面已經形成一個較為系統的高速公路網。同時我國地緣遼闊、山脈眾多，在修建公路隧道時常常穿越不良地質段，因此必須考慮不良地質環境對公路隧道的影響，以保障人民群眾生命財產安全。

近年來，國內外研究學者針對不良地質環境下公路隧道圍巖的穩定性進行了大量研究。章元愛等［1］分析富水段隧道對圍巖穩定性的影響，并對圍巖支護系統進行改良。王哲［2］通過室內三軸壓縮滲流試驗，得出地下水對圍巖穩定性影響因素，分析在同一滲流條件下，巖石峰值強度及彈性模量的變化。鄔愛清等［3］研制水-力耦合作用下的真三軸試驗系統，較好地解決了水力耦合作用下的圍巖問題。Thorn等［4］通過三軸固結排水剪切試驗，發現圍壓變化與隧道變形模量變化呈正相關。以上學者主要針對水環境對公路隧道圍巖穩定性的影響進行研究，而趙志剛等［5］采用理論研究與數值模擬相結合的方式，對奉巫高速公路孫家崖隧道進行研究，得出公路隧道施工對邊坡穩定性的影響因素。薛魁等［6］運用有限元軟件建立相應的隧道模型，對隧道開挖過程中邊坡的穩定性問題進行研究，并提出相應的解決措施。

然而，上述研究主要集中在水-力耦合作用下圍巖的變形特征以及隧道施工對邊坡穩定性的影響這兩方面，較少涉及斷層帶對高速公路隧道圍巖影響，因此，本文基于前人對高速公路隧道圍巖變形的研究，進一步考慮復雜山區地質條件下圍巖的變形特性，提出斷層帶對施工中隧道圍巖的力學響應機制，結合Midas GTS軟件，提出不同情況下的圍巖受力和變形規律，以期為今后公路隧道施工提供相應依據。

1 工程概況

本文依托于某高速公路標段的實際隧道工程，該工程區屬于山地地貌，高速公路隧道穿越區主要巖性為中風化泥質粉砂巖、中風化石灰巖，其中圍巖破碎、巖體節理裂隙發育明顯，傾斜度高。通過查閱《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），該地區新構造作用強烈，斷裂活動頻繁，其地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度。高速公路隧道穿越斷層帶如圖1所示。

2 有限元模型的建立

基于Midas GTS軟件建立相關模型并進行分析，如圖2、圖3所示。由于圍巖與斷層帶均以實體單元的方式展現，因此該模型采用Mohr-Coulomb本構關系，并提出相關假定：

（1）圍巖均質且各向同性。

（2）忽略地下水的不良影響，不考慮巖體水-力耦合狀態。

（3）隧道邊界應力方向與邊界面垂直。

2.1 細觀參數標定

細觀參數的確定影響著數值模擬結果的準確性，因此如何確定數值模擬中的細觀參數極為關鍵。同時，由于Midas GTS軟件并未給出細觀力學參數與宏觀力學參數之間的定量關系表達式，因此本文依據相關規范以及地質勘察情況，并結合單軸壓縮試驗，得到相應力學參數取值，如表1所示。

穿越斷層帶的某高速公路隧道圍巖變形特征研究/張明良

2.2 三維模型的建立

本文研究以隧道勘察資料為基礎，建立簡化隧道模型，其具體參數為：模型橫向長度為50 m，豎向長度為100 m，寬度為70 m。將CAD建模后導入Midas GTS軟件，數值計算模型如圖4所示。

2.3 施工工藝

斷層帶地段采用預留核心土法施工，其中臺階長5 m左右，開挖進尺深1 m，依據實際工程及掌子面大小，部分采用交替開挖的方式，如圖5所示［7］。

3 不同開挖深度下斷層帶對隧道圍巖的影響分析

根據不同開挖深度下有無斷層帶的情況，對隧道圍巖的位移以及應力進行分析，如表2所示為斷層帶所處位置及開挖深度參數取值［8］。

3.1 不同開挖深度下圍巖位移分析

為了分析斷層帶對施工的影響，選取不同開挖深度的隧道進行數值模擬，如表3所示為不同開挖深度下有無斷層帶對圍巖豎向位移的影響；如表4所示為不同開挖深度下有無斷層帶對圍巖水平位移的影響；如下頁圖6所示為不同開挖深度下有無斷層帶對圍巖位移的影響。

由圖6及表3、表4可知，斷層帶對圍巖豎向位移和水平位移的發展有明顯的促進作用。當高速公路隧道工程不存在斷層帶時，隨著開挖深度的增加，圍巖豎向位移增長緩慢，從3.19 m發展到3.64 m，而水平位移呈先增大后減小，近似左右對稱分布的“山峰型。”

當高速公路隧道工程存在斷層帶時，在未達到斷層帶的情況下，圍巖豎向位移和水平位移分別為3.47 m、1.55 m；當開挖深度為30 m，恰好處于斷層帶時，圍巖豎向位移和水平位移分別為4.91 m、4.87 m，相對于未達到斷層帶的水平和豎直位移，此時位移增長幅度大；當開挖深度為40 m，已經完全經過斷層帶時，圍巖豎向位移和水平位移相比于開挖至30 m時的增長幅度較小，分別為5.84 m、4.91 m。

因此可以判斷斷層帶的存在對圍巖位移存在影響。

3.2 斷層帶上圍巖應力分析

如圖7所示為高速公路隧道開挖深度為30 m、不存在斷層帶時，圍巖最大主應力的分布情況。

如圖8所示為高速公路隧道開挖深度為30 m、存在斷層帶時，圍巖最大主應力的分布情況。

由圖7、圖8可知，不存在斷層帶時，最大主應力的分布情況與地層分布相似，均為層狀分布，未出現相對明顯的應力集中現象，其最大主應力的數值較小。

存在斷層帶時，最大主應力會在斷層處出現明顯的應力集中現象，主要集中于開挖面處。

4 斷層帶傾角對高速公路隧道圍巖變形的影響分析

4.1 位移影響分析

斷層帶形態對隧道圍巖的變形有較大影響［9］，因此本文選取不同角度下的斷層帶傾角，對隧道進行數值模擬，分析其力學特征。如表5所示為斷層帶傾角計算工況。

通過圖9、表6可知，高速公路隧道穿越斷層帶時，圍巖的豎向位移在斷層帶與隧道接觸時最大，而最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖。隨著傾角的不斷增大，拱頂最大沉降量先減小后增大，而拱底最大隆起量隨著傾角的增大先減小后增大，呈現左右對稱的“V型”分布。

但對于豎向位移而言，隨著傾角的變化，圍巖水平位移變化相對不明顯，因此可知，豎向位移對斷層帶傾角變化的敏感程度更高。

4.2 應力影響分析

如圖10所示為不同斷層帶傾角條件下最大主應力與最小主應力數值模擬結果。

由圖10可知，隨著斷層帶傾角的變化，最小主應力先增大后減小，呈現左右對稱的“U型”分布。而最大主應力變化無明顯規律，但最大主應力以及最小主應力都出現在斷層帶圍巖附近，不受開挖情況影響。

5 結語

本文通過對穿越斷層帶的高速公路隧道圍巖變形特征進行研究，采用Midas GTS軟件分析斷層帶的存在對圍巖變形及應力的影響，并針對斷層帶形態（傾角不同）對高速公路隧道圍巖的豎向位移、水平位移、最大主應力、最小主應力變化進行分析，提出不同情況下圍巖受力和變形規律，為今后公路隧道施工提供相應依據。

本文得到如下主要結論：

（1）斷層帶對圍巖豎向位移和水平位移的發展有明顯的促進作用，未達到斷層帶時，隨著開挖深度的增加，位移增長幅度較小，恰好處于斷層帶時，圍巖豎向位移和水平位移分別為4.91 m、4.87 m，位移增長幅度較大。

（2）高速公路隧道穿越斷層帶時，圍巖的豎向位移在斷層與隧道接觸時最大，而最大沉降位于拱頂附近圍巖，最大隆起位于接觸段隧道拱頂處圍巖。

（3）圍巖豎向位移對斷層帶傾角變化的敏感程度更高。

（4）隨著斷層帶傾角的變化，最大主應力以及最小主應力都出現在斷層帶圍巖附近。

參考文獻

［1］章元愛，梅志榮，張軍偉，等.富水復雜地質圍巖穩定性評價與支護系統優化［J］.鐵道工程學報，2012，29（1）：51-56.

［2］王 哲.滲流作用下隧道圍巖的破壞機制分析［J］.蘭州工業學院學報，2021，28（4）：33-36.

［3］鄔愛清，范 雷，鐘作武，等.現場裂隙巖體水力耦合真三軸試驗系統研制與應用［J］.巖石力學與工程學報，2020，39（11）：2 161-2 171.

［4］Thom R.Stabilite Structurelle et Morphogenese［M］.New York： Benjamin，1972.

［5］趙志剛，李德武，張志軍，等.高速公路隧道穿越滑坡段變形機制與處治技術［J］.鐵道科學與工程學報，2013，10（3）：47-52.

［6］薛 魁，黃偉倫.隧道病害數值模擬分析［J］.西部交通科技，2022（3）：83-87.

［7］汪 微，李獻民，孫新海.互層軟質巖隧道系統錨桿支護效用數值模擬研究［J］.現代隧道技術，2022，59（5）：99-107.

［8］皮 亮.大跨隧道臺階法轉換時機及安全性評價研究［J］.地下空間與工程學報，2022，18（S1）：350-357.

［9］婁 健，徐 華，韓富慶，等.隧道淺埋段軟弱圍巖高壓旋噴樁地表加固機理及現場試驗方案設計［J］.公路，2022，67（8）：403-409.

收稿日期：2023-01-15