樓山隧道穿越斷層破碎帶施工的安全性分析

摘要：依托穿越斷層破碎帶的樓山隧道，通過高密度電阻率法對掌子面前方圍巖進行超前地質預報，并采用數值軟件建立隧道斷層破碎帶的三維數值模型，模擬隧道施工穿越破碎帶過程，分析了隧道開挖過程中隧道不同部位的變形規律。研究表明，斷層破碎帶的存在會明顯放大隧道開挖引起的圍巖變形的空間效應，在實際開挖過程中，應著重關注該區域內的拱頂、拱腰、拱底的變形。

關鍵詞：隧道；斷層破碎帶；有限元模型；拱底；拱腰；拱頂

0" "引言

為滿足國家快速發展的需求，各地區大力新建交通基礎設施，尤其是隧道工程[1]。隧道穿越斷層破碎帶時，由于斷層破碎帶內的巖體通常連續性差、孔裂隙發育明顯、強度低，無法形成有效的承載，因而隧道變形發展很快，嚴重時會導致隧道坍塌[2-3]。近年來，隧道穿越斷層破碎帶的研究已成為隧道工程的熱點之一。

本文以樓山隧道為研究對象，通過高密度電阻率法探測出斷層破碎帶不良地質，并結合數值手段對隧道開挖過程的安全性進行分析。

1" "工程概況

1.1" "項目基本狀況

樓山隧道起訖里程為DK97+419.26～DK102+328.98，長4909.72m，隧道包含Ⅲ級圍巖2950m、Ⅳ級圍巖1155m、Ⅴ級圍巖804.72m。該隧道位于撫順市撫順縣境內，隧道區交通狀況一般，隧道進口為田間土路，隧道出口為林間土路，中小型車輛均可通過。隧道屬于低山丘陵區，植被茂密，以林木為主。該地區地形起伏較大，最高高程約580.0m，最低高程約278.4m。

1.2" "工程地質和水文地質

根據地質調繪、鉆探、物探成果，結合區域地質資料，隧道苑圍地層從新至老分別為第四系全新統坡殘積粉質黏土、粗圓礫土、粗角礫土、碎石土，下伏地層為太古界鞍山群混合花崗巖、變粒巖、片麻巖。該隧址區域地質作用劇烈，存在斷層、破碎帶及不整合接觸帶，基于此，通過斷層破碎帶及不整合接觸帶時應加強超前地質預報。

1.3" "超前地質預報

采用高密度電阻率法對掌子面前方圍巖進行超前地質預報。圖1為電阻率反演斷面圖。從圖1可以看出，在DK99+325～DK99+400區間，電阻率等值線向下凹陷，推斷該段洞身附近存在斷層破碎帶，將其標識為F1。在DK100+625～DK100+700區間，橫向電阻率劇烈變化，等值線彎曲變形，推斷該段洞身附近存在新層，將其標識為F2。

2" "隧道施工工藝

樓山隧道洞身暗挖段均按新奧法組織施工，全隧采用常規機械化配置施工，無軌運輸。Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖，Ⅴ級圍巖一般地段采用三臺階法開挖、三臺階臨時仰拱法。具體的施工要點如下：

2.1" "洞口施工

首先施作截水天溝和坡面防護，然后施作超前大管棚，最后采用臺階臨時支撐法開挖進洞。

2.2" "開挖施工

全隧采用臺架+風鉆形式進行開挖施工，爆破裝藥采用混裝炸藥臺車。

2.3" "支護施工

混凝土采用濕噴工藝，正洞每個工作面配置1臺單臂機械濕噴機械手。拱架安裝采用鋼架拼裝機安裝，錨桿采用錨桿鉆注一體機施作。

2.4" "仰拱襯砌施工

仰拱填充與仰拱必須分開施作，仰拱施工采用仰拱曲模施工，模板利用自行式仰拱棧橋進行移動與固定。二襯采用12m智能化模板臺車施作，其具備分層逐窗布料、帶模注漿、自動振搗等功能。養護采用混凝土噴淋養護臺車與霧炮。水溝電纜槽采用溝槽臺車施工，在保證前方空間需要的前提下，溝槽施工盡量緊跟二襯平行推進。

3" "建立有限元模型

3.1" "三維模型建立

根據勘察報告，選取DK99+300～DK99+460區間建立隧道斷層破碎帶的三維數值模型，模型長160m、寬60m、高70m。巖層和斷層破碎帶采用實體單元模擬，襯砌采用板單元模擬，錨桿采用桿單元模擬。為提高計算效率，僅在隧道與周邊巖層接觸位置進行局部網格加密，其余區域選擇中等網格，共劃分了87455個節點，67343個單元，圖2為三維網格模型。隧道模型的邊界條件設置如下：將表面設為徑向和法向自由，將側面設為法向固定、徑向自由，將底面設為徑向和法向固定。

3.2" "模型參數設置

模型中斷層破碎帶和巖層本構選擇修正的摩爾-庫倫模型，斷層破碎帶和巖層模型參數見表1。其中，E50ref為三軸排水試驗的參考割線剛度，Eoedref為固結試驗的參考切線剛度，Eurref為卸荷再加荷模量。襯砌和大管棚本選擇彈性模型，襯砌和錨桿模型參數見表2。

3.3" "模型觀測點布置

為更好地分析隧道掘進過程中斷層破碎帶的影響，按照與斷層破碎帶的距離，選取出5個監測斷面，監測斷面示意圖如圖3所示。

4" "數值結果分析

4.1" "斷面3的豎向位移分析

4.1.1" "豎向位移曲線

以斷層破碎帶中心斷面（斷面3）為研究對象。圖4為隧道掘進過程中斷面3處拱底、拱腰和拱頂的豎向位移曲線。從圖4可以看出，隨著隧道的逐步開挖，斷面3不同部位的豎向位移總體都呈增大的趨勢，不同部位的豎向位移方向不一致，拱底位移向上發展，拱腰位移向下發展，拱頂位移向下發展。

4.1.2" "拱底隆起

當隧道掌子面未接近斷層破碎帶區域，斷面3的拱底隆起位移基本無變化。當隧道掌子面開挖至斷層破碎帶內，監測斷面3拱底隆起位移開始發展，并在接近斷層破碎帶中心位置時，拱底隆起位移急劇增大，位移斜率接近1。隨后拱底隆起位移達到峰值，并小幅度減小。當隧道開挖出斷層破碎帶后，拱底隆起位移基本穩定。

4.1.3" "拱腰沉降

當掌子面掘進至斷層破碎帶前約18m位置，拱腰開始發生向下的位移，并在接近斷層破碎帶的過程中，拱腰沉降緩慢變大。當掌子面開挖過斷層破碎帶中間位置時，拱腰沉降小幅度減小，隨后再次緩慢增大。當掌子面穿過斷層破碎帶后，拱腰沉降基本保持不變。

4.1.4" "拱頂沉降

對于拱頂沉降而言，在掌子面從接近斷層破碎帶到穿越斷層破碎帶、再到穿出斷層破碎帶過程中，拱頂沉降首先緩慢增大，隨后急劇增大，最后緩慢變大并逐漸趨于穩定。

綜上分析，拱底、拱腰、拱頂的豎向位移峰值分別為9mm、-1.4mm、-7mm，均小于規范要求限值10mm。

4.2" "監測斷面的拱頂沉降分析

為深入探討隧道豎向變形發展情況，以隧道開挖過程中拱頂沉降為例進行研究。監測斷面的拱頂沉降曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隧道開挖施工引起的不同斷面的拱頂沉降發展趨勢基本相同，拱頂沉降首先緩慢增大，隨后急劇增大，最后逐漸穩定并保持不變。斷面1和斷面5的拱頂沉降遠小于其余斷面，這是因為這2個斷面距斷層破碎帶較遠，受斷層破碎帶的影響較小。斷面2和斷面4的拱頂沉降較大，這是因為這2個斷面處于斷層破碎帶邊緣，受斷層破碎帶的影響較大。斷面3的拱頂沉降最大，這是因為該斷面位于斷層破碎帶內部，受斷層破碎帶的影響最大。

進一步觀察拱頂沉降較大的斷面2～4的情況，當掌子面開挖至對應監測斷面前約15m時（相當于3倍隧道直徑），拱頂沉降開始發生發展。掌子面開挖至對應監測斷面前約5m時（相當于1倍隧道直徑），拱頂沉降迅速增大。基于此，可將隧道開挖的影響大致分為3段：影響顯著段（＜1倍隧道直徑內）、影響較顯著區（1～3倍隧道直徑）、影響不顯著區（＞3倍隧道直徑）。

4.3" "監測斷面的拱腰水平位移分析

監測斷面的拱腰水平位移曲線如圖6所示。從圖6可以看出，不同斷面的拱腰水平位移變化趨勢與對應的拱底沉降變化趨勢一致，隧道開挖引起拱腰水平位移的影響區域也與拱頂沉降的影響區域接近，但不同斷面拱腰水平位移的差異小于拱頂沉降的差異。斷面3的拱腰水平位移比其余4個斷面的大，且斷面3的拱腰水平位移最大值約為4.8mm，小于規范要求限值10mm。

4.4" "監測斷面的拱頂沉降前期變形占比分析

監測斷面的拱頂沉降的前期變形占比如圖7所示。從圖7可以看出，斷層破碎帶范圍外的斷面1和斷面5的拱頂沉降前期占比集中在54%～66%，斷層破碎帶邊緣的斷面2和斷面4的拱頂沉降前期占比集中在81%～89%，斷層破碎帶內部的斷面3的拱頂沉降前期占比達到99%。由此說明，斷層破碎帶對隧道拱頂前期沉降占比具有明顯的影響，即前期位移釋放率更大。

5" "結束語

本文以樓山隧道為例，通過有限元軟件建立隧道斷層破碎帶的三維數值模型，分析了斷層破碎帶對隧道豎向和水平位移的影響，得出的結論如下：

高密度電阻率探測出隧道沿線存在兩處斷層破碎帶，分別在DK99+325～DK99+400區段和DK100+625～DK100+700

區段。隧道開挖的影響大致分為3段：影響顯著段（＜1倍隧道直徑內）、影響較顯著區（1～3倍隧道直徑）、影響不顯著區（＞3倍隧道直徑）。斷層破碎帶的存在會明顯放大隧道開挖引起的圍巖變形的空間效應，在實際開挖過程中，應著重關注該區域內的拱頂、拱腰、拱底的變形。

參考文獻

[1] 楊金虎.慈母山隧道穿越斷層破碎帶開挖支護技術分析[J].地下空間與工程學報，2011，7（2）：361-365+384.

[2] 黃生文，司鐵漢，陳文勝，等.斷層對大跨度隧道圍巖應力影響的有限元分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25（S2）：3788-3793.

[3] 袁云海.隧道穿過斷層破碎帶施工病害處置措施淺析[J].地下空間與工程學報，2013，9（S1）：1713-1716.