隧道穿越不同傾角斷層破碎帶圍巖變形分析

摘 要：針對隧道穿越斷層破碎帶過程中出現的圍巖變形問題，依托延慶至崇禮高速公路河北段金家莊隧道穿越不同傾角斷層破碎帶工程，通過FLAC3D數值模擬方法，研究該隧道在穿越不同傾角斷層破碎帶過程中的圍巖變形規律。結果表明，在不同傾角斷層破碎帶工況下，拱頂沉降最大值總是位于斷層帶的下側，而仰拱隆起最大值總是在斷層帶上側，且其變化曲線都呈現“穩定變形-緩慢增大-突變變形-緩慢減小-穩定變形”5個變化階段。各傾角對斷層破碎帶前后影響區域不同，主要呈現 “減小-增大”的趨勢，在90 °時最小；30°與150°時最大。

關鍵詞：隧道工程；斷層破碎帶；數值模擬；拱頂沉降；仰拱隆起

中圖分類號：TP391.92；O347""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0169-04

Analysis of surrounding rock deformation characteristics

of tunnel crossing fault fracture zone with different dip angles

LI Wenjun

（Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of Tunnel Structures in Guangdong Province，

Guangzhou 510000，China）

Abstract： In response to the problem of surrounding rock deformation during the tunnel crossing fault fracture zones， based on the jinjiazhuang tunnel crossing fault fracture zones with different dip angles in the hebei section of the yanqing chongli expressway， FLAC3D numerical simulation method was used to study the deformation law of surrounding rock during the tunnel crossing fault fracture zones with different dip angles. The results showed that under the working conditions of fault fracture zones with different dip angles， the maximum settlement of the arch was always located on the lower side of the fault zone， while the maximum uplift of the inverted arch was always on the upper side of the fault zone， and its variation curves showed five stages of “stable deformation?slow increase?sudden change deformation?slow decrease?stable deformation”. The influence areas of each dip angle on the fault fracture zone were different before and after， mainly showing a trend of \"decreasing increasing\"， with the minimum at 90°and the maximum at 30°and 150°.

Key words： tunnel engineering； fault fracture zone； numerical simulation； arch settlement； inverted arch uplift

當隧道穿越斷層時，由于圍巖性質較差，使得隧道自穩能力較差，若在隧道施工過程中支護措施采取不足，施工方法選取不當等，容易導致隧道襯砌變形、塌方等事故發生［1］。目前，針對穿越斷層破碎帶引起的隧道圍巖失穩，已有眾多學者進行了相關性研究。如通過數值模擬，研究隧道在開挖及連續降雨情況下的隧道圍巖變形過程［2］。利用PFC2D分析了斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性的影響規律［3］。

通過對斷層進行監測，分析了圍巖變形規律［4］。通過數值模擬軟件，研究了斷層破碎帶對圍巖穩定性的影響［5?7］。通過室內模型試驗，分析了斷層與隧道間距對圍巖變形的影響［8］。通過對隧道拱頂、拱腰進行實時監測得出圍巖變形的3個階段［9］。分析了隧道在穿越斷層破碎帶時的圍巖變形和受力特征［10?12］。研究隧道穿越斷層破碎帶支護結構受力特征［13］。

基于此，以金家莊隧道為工程依托，采用數值仿真研究隧道穿越不同傾角斷層破碎帶的施工動態全過程，分析圍巖變形規律的變化。為類似工程的施工提供有益的參考價值。

1"" 工程概況

金家莊隧道是延慶至崇禮高速公路的一部分，采用了分離式設計，如圖1所示。該隧道穿越的地層主要是海西期（ησ43e）二長花崗巖，部分地段覆蓋有第四系沉積層。二長花崗巖通常呈現中等至粗粒結構，部分區域含有高比例的石英，如圖2所示。在隧道的隧址區域存在2條斷層破碎帶，分別為F2和F3。F2斷層破碎帶以角礫為主，總體呈東西走向，傾角為104°，寬度約為11 m，與隧道軸線夾角為78°。F3斷層破碎帶整體走向為北東25°，斷面傾向南東，傾角較大并與隧道相交，屬于規模較大的斷裂帶。

2"" 數值模型

2.1"" 模型建立

為分析斷層破碎帶傾角對隧道施工塌方影響。利用FLAC3D建立三維模型，考慮到隧道開挖會引起圍巖應力重分布，模型整體尺寸為：80 m×60 m×80 m（寬度×縱向×高度），如圖3所示。隧道采用公路隧道中常見五心圓截面，襯砌為C30混凝土，厚度為0.25 m，埋深35.2 m。圍巖和斷層使用zone單元，斷層破碎帶兩側滑移采用interface單元。在計算中，圍巖和破碎帶均采用M-C模型，暫不考慮地下水、爆破振動等對隧道開挖影響。

2.2"" 計算參數

依據《公路隧道設計規范》（JTG D70—2004）及隧道工程地質勘察建議值，并結合開挖過程中圍巖狀態確定參數，見表1。

2.3"" 模型計算結果分析

通過FLAC3D軟件，建立隧道穿越斷層破碎帶傾角分別為30°、60°、90°、120°、150°的5種工況，并在隧道周邊設置相應的監測點，如圖4所示。

當隧道斜穿斷層破碎帶后，整體豎向位移云圖如圖5所示。

由圖5可知，隧道穿越斷層破碎帶后，豎直沉降最大值出現在斷層破碎帶中間斷面與隧道相交的拱頂部位，且隨著傾角的不斷增大，拱頂沉降數值先減小在增大，在隧道與斷層破碎帶傾角90°相交時，拱頂沉降數值達到最小，為9.96 mm。仰拱隆起最大值出現在斷層破碎帶中間斷面與隧道相交的拱底部位，且隨著傾角的不斷增大，仰拱隆起數值先減小后增大，在隧道與斷層破碎帶傾角90°相交時，拱頂沉降數值達到最小，為10.11 mm。因此，斷層破碎帶中間部位是隧道穿越斷層破碎帶過程中最危險的一段，應該做好預加固措施。

在傾角小于90°時，拱頂沉降最大值集中在斷層帶左側，仰拱隆起最大值集中在斷層帶右側；在傾角大于90°時，拱頂沉降最大值集中在斷層帶右側，仰拱隆起最大值集中在斷層帶左側，即在各傾角斷層帶工況下，拱頂沉降最大值總是位于斷層帶的下側，而仰拱隆起最大值總是在斷層帶上側。

當隧道穿越不同傾角的斷層破碎帶時，隧道各測點拱頂沉降位移如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，斷層破碎帶不同傾角情況下，拱頂沉降曲線經歷“穩定變形-緩慢增大-突變變形-緩慢減小-穩定變形”5個變化階段。

隨著破碎帶傾角不斷增加，由于破碎帶與拱頂接觸位置不斷延后，拱頂最大沉降值出現的位置也沿著

隧道軸線方向延后。隧道拱頂最大沉降值隨著破碎帶傾角的增加，呈現出“減小-增大”的趨勢，在傾角為90 °時拱頂沉降值最小。

在斷層破碎帶傾角關于90 °對稱下，進行拱頂沉降值的對比，可以看出，傾角越小沉降值越小，傾角越大沉降值越大；且隨著2種傾角的差值越大，則2種傾角下的沉降值也越大。所以，在考慮控制圍巖拱頂沉降變形時，從斷層破碎帶豎向角較小的一側開挖好于豎向角大的一側開挖。

當斷層破碎帶傾角不同時，其對前后圍巖的影響區域不同，其傾角越小，其影響區域越大，且隨著斷層破碎帶傾角的增大，影響區域呈現“減小-增大”的變化趨勢，在30°與150 °時影響區域最大，約2.5倍洞徑；90°時最小，約1.375倍洞徑。

當隧道穿越不同傾角的斷層破碎帶時，隧道各測點仰拱隆起位移如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，斷層破碎帶不同傾角情況下，仰拱隆起曲線經歷“穩定變形-緩慢增大-突變變形-緩慢減小-穩定變形”5個變化階段。

隨著破碎帶傾角不斷增加，由于破碎帶與拱頂接觸位置不斷前移，仰拱最大隆起值出現的位置也沿著隧道軸線方向前移。仰拱最大隆起值隨著破碎帶傾角的增加，呈現出“減小-增大”的趨勢，在傾角為90 °時仰拱隆起值最小。

在斷層破碎帶傾角關于90 °對稱下，進行仰拱隆起值的對比，可以看出：傾角越小隆起值越大，傾角越大隆起值越??；且隨著2種傾角的差值越大，則2種傾角下的沉降值也越大。所以，在考慮控制圍巖仰拱隆起變形時，從斷層破碎帶傾角較大的一側開挖好于傾角小的一側開挖。

當斷層破碎帶傾角關于90°對稱，斷層帶傾角為30°和150°時的仰拱隆起量最大，突變區域最大，約為2.25倍洞徑；90°時最小，約為1.25倍洞徑。

3"" 結語

（1）在傾角小于90°時，拱頂沉降最大值集中在斷層帶左側，仰拱隆起最大值集中在斷層帶右側；在傾角大于90°時，拱頂沉降最大值集中在斷層帶右側，仰拱隆起最大值集中在斷層帶左側，即在各傾角斷層帶工況下，拱頂沉降最大值總是位于斷層帶的下側，而仰拱隆起最大值總是在斷層帶上側。

（2）在不同傾角的斷層破碎帶下，拱頂沉降最大值總是位于斷層帶的下側，而仰拱隆起最大值總是在斷層帶上側，且拱頂沉降與仰拱隆起曲線都經歷“穩定變形-緩慢增大-突變變形-緩慢減小-穩定變形”5個變化階段。

（3）當斷層破碎帶傾角關于90°對稱時，不同傾角下的隧道拱頂沉降和仰拱隆起在30°及150°時取得極大值，90°時最?。磺耶攦A角不同時，對斷層破碎帶前后影響區域不同，主要呈現：“減小-增大”的趨勢，在本數值模擬的不同傾角下表現為30°及150°時影響區域最大，90°時最小。

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