不同施工工法對斷層隧道的力學響應分析

商貝貝，梁國棟，王琳琦

（1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司，河南 鄭州 450007；2.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450007）

1 研究背景

隨著經濟的快速發展，越來越多的長大隧道在國內建成并投入使用，在隧道快速建設過程中，隧道圍巖穩定性分析也逐漸引起重視，長大隧道從山體內部經過時，會不可避免地經過一些不良地質構造，如巖溶、斷層、破碎帶等，這些常見的不利構造，不僅會增加隧道施工的復雜性，也會帶來較大的安全隱患。因此，隧道施工如何安全順暢地穿越斷層破碎帶成為目前亟待解決的問題。

為研究斷層破碎帶對隧道穩定性的影響，學者們對此做了大量的研究，并取得了一定的研究成果。在數值模擬方面，黃鋒等[1]依托港珠澳大橋南灣隧道，采用離散元方法模擬了斷層破碎帶對隧道周圍圍巖穩定性的影響。張少強等[2]以云南某穿越斷層的隧道工程為背景，采用FLAC3D 建立了數值模型，研究了不同斷層傾角、斷層傾向和襯砌厚度對隧道變形的影響。楊青瑩[3]通過建立數值模型，研究了斷層寬度和傾角對隧道周圍圍巖的力學擾動影響。楊緒祥等[4]采用數值計算方法，研究了隧道穿越斷層時，不同襯砌材料情況下斷層錯動量、斷層傾角和斷層厚度等參數對隧道襯砌力學響應的影響規律。祁文睿等[5]對某穿越斷層隧道采取探地雷達、超前地質鉆孔等方法進行地質預報，并構建了一套基于全站儀、反光片和三維激光掃描于一體的隧道破碎圍巖綜合實時監控量測系統，可用于精準監測隧道實時變形。龔林金等[6]以水陽高速勝利隧道穿越破碎帶工程為例，采用現場監測和數值模擬相結合的方法，對不同傾角情況下隧道穿越斷層時的力學變形規律進行了研究。王飛等[7]以西南地區某深埋穿越破碎帶隧道工程為例，通過對現場數據進行分析并結合數值模擬試驗，對隧道初襯變形規律和周邊收斂規律進行了研究。此外，模型試驗更具有直觀性，也是分析隧道工程的重要手段。李玉生等[8]通過室內試驗研究了隧道穿越破碎帶時的隧道變形機理。汪杰等[9]通過試驗研究了不同傾角的節理巖體發生破壞時的規律。王天強等[10]以滇中引水輸水隧道為背景，通過開展室內試驗，研究了隧洞在走滑斷層錯動作用下的力學變化規律。杜修力等[11]采用自主研發的用于模擬走滑斷層運動的試驗裝置，分析了走滑斷層運動下巖體的破裂特性。李翰源等[12]開展了隱伏斷層錯動對隧道影響的模型試驗，并研究了隧道縱向受力特征和斷層錯動的關系。頡永斌等[13]基于筒倉理論并考慮斷層破碎帶的圍巖特性，建立了斷層破碎帶內隧道縱向荷載的計算模型，并開展了數值模擬和室內模型試驗，結合模擬結果和試驗結果對理論分析結果進行了驗證。

綜上所述，現階段研究主要集中于隧道穿越斷層過程中的圍巖變形破壞機理研究，對于同一斷層下如何選取合適的施工工法研究較少。為進一步研究不同施工工法情況下，隧道經過斷層破碎帶時隧道圍巖的變形特征，通過建立數值分析模型，研究了隧道在經過斷層破碎帶時不同施工工法情況下圍巖的變形特征和支護結構的力學位移響應，得出的結論可以用于指導施工，提高隧道在斷層破碎帶時的安全性。

2 隧道工程概況

本研究所依托的隧道項目為某高速公路的控制性工程，其開挖直徑為11.9 m，平均埋深約300 m，斷層面向北傾斜，其寬度約45 m，與隧道的夾角為30°。隧址區域東高西低，褶皺及斷裂構造發育良好，地表植被茂密，沿隧道走向斷層兩側巖體以Ⅳ級圍巖為主，斷層破碎帶巖體主要為Ⅴ級圍巖。根據現場地質勘察資料及相關力學試驗，可得各級圍巖力學參數取值，如表1所示。

表1 圍巖力學參數表Table 1 Mechanical parameters of surrounding rocks

3 計算模型與工況介紹

3.1 計算模型

結合現場實際情況，首先在Midas GTS NX 中建立網格模型，然后導入FLAC3D 中進行計算分析，隧道計算模型如圖1所示。圖中紅色部分為正常圍巖段，藍色部分為斷層破碎帶。考慮邊界影響并結合圣維南原理，設定模型在水平方向長度為80 m（x方向），開挖方向長度為100 m（y方向），重力方向長度為80 m（z方向），在模型頂部施加均布荷載模擬上覆巖體自重。邊界條件為約束模型左右兩側水平位移、前后兩側水平位移和約束模型底部豎向位移。

彩圖

圖1 隧道計算模型示意圖Fig.1 Tunnel calculation model diagram

該隧道初期支護所采用的噴射混凝土的型號為C20，厚度為25 cm，支護錨桿直徑為25 mm，長度為3.5 m，間距均為1.2 m，鋼拱架采用I22 工字鋼，間距為50 cm。模擬過程中對工字鋼進行簡化處理，根據等效軸向剛度原理，將工字鋼和噴射混凝土的強度綜合考慮，其等效彈性模量為

對于巖體單元，其本構采用摩爾庫倫本構，錨桿采用cable 單元模擬，初襯采用shell 單元模擬。

3.2 計算工況

為研究隧道施工過程中穿越斷層破碎帶時各工法的優劣性，分別采用臺階法、CRD 法（交叉中隔壁法）和環形開挖預留核心土法3 種不同的施工工法進行研究，3 種計算模型如圖2所示，各工法的施工步驟如下：

圖2 不同施工工法的計算模型Fig.2 Calculation model of different construction methods

1）臺階法。上臺階與下臺階的間隔為5 m，先開挖上臺階，施作對應的初襯和錨桿結構，然后開挖下臺階，并施作下臺階對應的支護結構。上臺階開挖20 m 后施作二襯，不斷循環上述過程直到開挖結束。

2）CRD 法。該法將隧道斷面分為4 個區域，每個區域沿開挖方向的間隔距離均為5 m，施工順序依次為左上區域、左下區域、右上區域、右下區域，每次開挖一定區域后均及時施作相應的支護結構。

3）環形開挖預留核心土法。該法將隧道斷面分為5 個區域，每個區域沿開挖方向的間隔同樣為5 m，施工順序依次為左側區域、右側區域、頂部區域、中部區域、底部區域，同樣在每次開挖完一定區域后施作相應的支護結構。

選取的研究斷面為x=0 m 所在的平面，如圖3所示，該平面正好處于模型拱頂與拱底連線位置處，藍色部分仍為斷層破碎帶區域，前后兩側區域為非斷層位置，即正常圍巖段。

彩圖

圖3 模型x=0 m 處的平面視圖Fig.3 Model plane view at x = 0 m

4 計算結果與分析

4.1 圍巖豎向位移分析

圖4 為3 種工法下x=0 平面位置處的豎向位移剖面圖，從圖中可以看出3 種工法在斷層位置處的豎向位移值均明顯大于非斷層位置處的對應值。

彩圖

圖4 不同施工工法下x=0 位置處豎向沉降剖面圖Fig.4 Vertical settlement profile at x = 0 under different construction methods

圖4a 為采用臺階法施工后最終的豎向位移圖，可看出斷層處的拱頂最大豎向沉降為108.07 mm，拱底隆起值最大為239.15 mm。

圖4b 為采用CRD 工法施工后最終的豎向沉降云圖，其拱頂沉降值最大為69.56 mm，拱底隆起最大值為136.56 mm，可以看到采用CRD 工法對斷層造成的擾動要明顯小于臺階法施工對斷層產生的擾動，采用CRD 工法得到的拱頂沉降值比臺階法得到的拱頂沉降值約降低了35.6%，CRD 工法下的拱底隆起值比臺階法下的拱底隆起值約降低了42.9%。

圖4c 為采用環形開挖預留核心土工法得到的最終豎向沉降云圖，其拱頂沉降最大值為51.45 mm，拱底隆起最大值為121.25 mm。對比臺階法和CRD法，該工法拱頂沉降值分別降低了52.39%和26.04%，拱底隆值起分別降低了49.30%和11.2%。通過數據對比，可以明顯看出，采用環形開挖預留核心土工法對斷層附近的圍巖擾動影響是最小的，安全性最佳，這主要是因為環形開挖預留核心土每次開挖的土體范圍最小，對圍巖的擾動最小，符合“短開挖，早支護”的施工原則，故建議在斷層位置采用環形開挖預留核心土工法進行施工。

表2 給出了各施工工法下拱頂沉降和拱底隆起的位移最大值。

表2 不同施工工法下拱頂及拱底最大豎向位移Table 2 Maximum vertical displacement of arch top and bottom under different construction methods

為研究拱頂位置處豎向沉降在隧道推進過程中的變化情況，在斷層中部隧道拱頂以上2 m 位置處設置一處監測點。計算結果表明，3 種施工工法所反映的規律基本一致，如圖5所示。隧道開挖初始階段，監測點均處于穩定狀態，可視為無位移變化，當開挖位置接近監測點時，沉降曲線迅速發展，沉降值迅速增大，當周圍圍巖應力釋放完畢后，監測點位移變化趨于平緩并達到穩定值。

圖5 不同施工工法下斷層中部拱頂豎向沉降趨勢圖Fig.5 Vertical settlement trend of the central arch of the vault under different construction methods

4.2 初襯結構應力分析

為研究不同施工工法下初襯結構的應力分布規律，對3 種施工工法下初襯結構的最大主應力云圖進行了分析。圖6 為各工法初襯結構對應的最大主應力云圖。

彩圖

圖6 不同施工工法下初襯最大主應力云圖Fig.6 Maximum principal stress nephogram of the primary lining under different construction methods

5 現場監測結果與分析

圖7 分別為ZK2+658 和ZK2+ 681 兩處斷面拱頂位置的實測沉降曲線，其中，ZK2+658 斷面位于斷層破碎帶前方，圍巖等級為Ⅳ級圍巖，ZK2+681斷面處于斷層破碎帶中部位置，其圍巖等級為Ⅴ級圍巖。從圖中可以看出，ZK2+658 斷面的最終沉降值約為52 mm，ZK2+681 斷面的最終沉降值約為82 mm，斷層破碎帶的存在致使斷層附近的隧道拱頂沉降大于非斷層位置。從圖中還可以看出，在20～60 d范圍內，拱頂的沉降速較快，60 d 之后的沉降速度逐漸減小，表明隧道應力大部分已釋放完畢，隧道變形趨于穩定。

圖7 不同斷面拱頂沉降監測曲線Fig.7 Settlement monitoring curves at the arch roof of different sections

6 結論

采用FLAC3D 對隧道穿越斷層破碎帶進行了數值模擬，主要得到以下結論：

1）通過分析3 種工法下的斷層剖面沉降云圖，發現采用環形開挖預留核心土工法施工造成的拱頂沉降值和拱底隆起值最小，對隧道周圍的圍巖擾動最小。

2）隧道中部位置拱頂沉降的迅速發展主要發生在施工經過該監測點位置時，在施工未到達監測點位置時和圍巖應力釋放完畢后豎向沉降均為平緩變化，采用環形開挖預留核心土施工得到的初襯結構應力集中程度最小，安全性更高。

3）現場監測數據表明，由于斷層破碎帶的存在會使得拱頂位置處的沉降增大，隧道變形增大，增加了隧道施工的風險性，因此在斷層破碎帶附近施工時，要增加監測頻率，及時施作支護結構。