破碎帶空間分布對隧道變形特性的影響

摘 要：以某長距離引調水工程中的檢修隧道為例，通過二維和三維有限元分析，對不同破碎帶空間位置影響隧道施工變形的規(guī)律進行了研究，以期為隧道襯砌設計提供數(shù)據(jù)支撐。所研究的影響因素包括破碎帶的走向、傾角、寬度、破碎帶到隧道的間距Ｌ、隧道埋深及側壓力系數(shù)。通過影響因素的不同組合來模擬不同的工況，以此獲得隧道開挖過程中拱頂下沉、隧道收斂、仰拱隆起的變化規(guī)律。結果表明：傾角較小時拱頂下沉量較大，收斂量較小，而傾角較大時相反；隧道變形隨Ｌ 的增大而減小，當Ｌ＞０．４Ｄ（ Ｄ 為洞徑）時變形趨于穩(wěn)定；隧道變形隨著埋深的增大而增大；隧道拱頂下沉量隨側壓力系數(shù)的增大而減小，且傾角越小下沉量越大，而隧道收斂量呈相反趨勢；相比之下，破碎帶走向與開挖方向斜交時隧道的拱頂下沉、仰拱隆起和收斂量更大。

關鍵詞：隧道；破碎帶；空間分布；有限元分析；變形；南水北調后續(xù)工程

中圖分類號：Ｕ４５ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０７．０２５

引用格式：彭軍，馮紅春，岳克棟．破碎帶空間分布對隧道變形特性的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（７）：１４８－１５３．

在跨流域長距離的引調水工程中，受地形條件限制，隧道輸水是主要的輸水方式之一。南水北調工程涉及長江、黃河、淮河和海河四大流域，２０２２ 年開工的引江補漢工程是南水北調后續(xù)工程首個開工的項目，其全程采用隧洞輸水，共布設１１ 條平洞作為檢修隧道，均為馬蹄形布設，建筑物級別為２ 級。檢修隧道斷面大、洞線長，局部洞段地質條件差，且經(jīng)過多處破碎帶，故研究不同破碎帶空間位置對隧道施工變形的影響顯得尤為重要，可為隧道后期襯砌設計提供數(shù)據(jù)支撐。

破碎帶是隧道修建中常見的不良地質體，在這種條件下施工，極易造成隧道塌方和變形，對工程建設和構筑物安全帶來極大的威脅。許多學者為此開展了研究：崔嵐等［１］ 對在破碎帶圍巖條件下利用臺階法與單側壁導坑法施工時隧道的圍巖變形和初期支護應力進行了分析；基于同樣的思路，李文東［２］ 利用有限元軟件對不同工法施工時軟弱破碎帶隧道圍巖變形規(guī)律進行了分析；王飛等［３］ 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬試驗分析了隧道穿越破碎帶時拱頂下沉和隧道收斂變形規(guī)律；宋龍斌等［４］ 通過在隧道斷面埋設監(jiān)測元件對隧道穿越破碎帶時圍巖變形與支護受力進行現(xiàn)場監(jiān)測，分析了隧道穿越富水斷層破碎帶時支護結構受力及變形特征。此外，張結紅等［５］ 對地鐵隧道以３０°、６０°和９０°三種不同角度穿越地裂縫時的變形進行了有限元分析。胡志平等［６－７］ 分別研究了隧道以４０°和６０°角度斜穿地裂縫時的變形破壞機制。朱啟東［８］ 通過模型試驗和有限元分析，對盾構隧道管片襯砌結構以３０°角度斜穿地裂縫時襯砌結構的變形破壞特征和作用機理進行了分析。可以看出，對隧道穿越破碎帶的研究涵蓋了有限元模擬不同施工方法對隧道變形的影響、變形監(jiān)測、監(jiān)測和模型試驗結合，以及隧道以不同角度穿越地裂縫時的變形規(guī)律。但在這些研究中，針對破碎帶特征（如寬度、間距等）和不同應力環(huán)境（埋深和側壓力系數(shù)等）對隧道變形的影響并未考慮。同時，這些研究對隧道不同位置變形的分析也較為薄弱。因此，本文以南水北調后續(xù)工程引江補漢工程大深度隧道為研究對象，分析破碎帶的空間特性及幾何條件對隧道變形特性的影響，利用二維和三維有限元模型對隧道開挖過程中的變形進行模擬，得出了不同破碎帶走向和傾角對隧道變形特性的影響規(guī)律，進而分析了側向壓力系數(shù)和隧道埋深對變形的影響。