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(yīng)力變形的力學機理，同時針對不同斷層帶形態(tài)（斷層帶傾角）對圍巖變形產(chǎn)生的影響進行分析。結(jié)果表明：斷層帶對圍巖豎向位移和水平位移的發(fā)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(yīng)力及最小主應(yīng)力均出現(xiàn)在斷層帶圍巖附近。

關(guān)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(fā)戰(zhàn)略的實施，我國西部城市交通運輸行業(yè)得到快速發(fā)展，我國在交通運輸方面已經(jīng)形成一個較為系統(tǒng)的高速公路網(wǎng)。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(zhì)段，因此必須考慮不良地質(zhì)環(huán)境對公路隧道的影響，以保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

近年來，國內(nèi)外研究學者針對不良地質(zhì)環(huán)境下公路隧道圍巖的穩(wěn)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(wěn)定性的影響，并對圍巖支護系統(tǒng)進行改良。王哲［2］通過室內(nèi)三軸壓縮滲流試驗，得出地下水對圍巖穩(wěn)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(tǒng)，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(jié)排水剪切試驗，發(fā)現(xiàn)圍壓變化與隧道變形模量變化呈正相關(guān)。以上學者主要針對水環(huán)境對公路隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進行研究，而趙志剛等［5］采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)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(wěn)定性的影響因素。薛魁等［6］運用有限元軟件建立相應(yīng)的隧道模型，對隧道開挖過程中邊坡的穩(wěn)定性問題進行研究，并提出相應(yīng)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(wěn)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(fù)雜山區(qū)地質(zhì)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(yīng)機制，結(jié)合Midas GTS軟件，提出不同情況下的圍巖受力和變形規(guī)律，以期為今后公路隧道施工提供相應(yīng)依據(jù)。

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(qū)屬于山地地貌，高速公路隧道穿越區(qū)主要巖性為中風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化石灰?guī)r，其中圍巖破碎、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，傾斜度高。通過查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），該地區(qū)新構(gòu)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(guān)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(xiàn)，因此該模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系，并提出相關(guān)假定：

（1）圍巖均質(zhì)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(tài)。

（3）隧道邊界應(yīng)力方向與邊界面垂直。

2.1 細觀參數(shù)標定

細觀參數(shù)的確定影響著數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，因此如何確定數(shù)值模擬中的細觀參數(shù)極為關(guān)鍵。同時，由于Midas GTS軟件并未給出細觀力學參數(shù)與宏觀力學參數(shù)之間的定量關(guān)系表達式，因此本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范以及地質(zhì)勘察情況，并結(jié)合單軸壓縮試驗，得到相應(yīng)力學參數(shù)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(chǔ)，建立簡化隧道模型，其具體參數(shù)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(dǎo)入Midas GTS軟件，數(shù)值計算模型如圖4所示。

2.3 施工工藝

斷層帶地段采用預(yù)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(jù)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(jù)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(yīng)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(shù)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(shù)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(fā)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(fā)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(jīng)完全經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的分布情況。

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

存在斷層帶時，最大主應(yīng)力會在斷層處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)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(tài)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(shù)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(xiàn)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(yīng)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(yīng)力與最小主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果。

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

5 結(jié)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(yīng)力的影響，并針對斷層帶形態(tài)（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(yīng)力、最小主應(yīng)力變化進行分析，提出不同情況下圍巖受力和變形規(guī)律，為今后公路隧道施工提供相應(yīng)依據(jù)。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1）斷層帶對圍巖豎向位移和水平位移的發(fā)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(yīng)力以及最小主應(yīng)力都出現(xiàn)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(fù)雜地質(zhì)圍巖穩(wěn)定性評價與支護系統(tǒng)優(yōu)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(yè)學院學報，2021，28（4）：33-36.

［3］鄔愛清，范 雷，鐘作武，等.現(xiàn)場裂隙巖體水力耦合真三軸試驗系統(tǒng)研制與應(yīng)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(shù)［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(shù)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(zhì)巖隧道系統(tǒng)錨桿支護效用數(shù)值模擬研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（5）：99-107.

［8］皮 亮.大跨隧道臺階法轉(zhuǎn)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(xiàn)場試驗方案設(shè)計［J］.公路，2022，67（8）：403-409.

收稿日期：2023-01-15