引水隧洞穿越斷層破碎帶的變形規律與支護優化分析

中圖分類號：U456. 3⁺ 1文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.042

文章編號：1673-4874（2025）04-0151-04

0 引言

隨著全球水資源分布不均問題日益凸顯，跨區域引水工程成為緩解水資源短缺矛盾的重要手段。某引水隧洞工程肩負著將水資源引入南方干旱地區的重任，對促進當地工農業生產發展、保障居民生活用水意義重大1。然而，該工程線路所經區域地質條件復雜，尤其是長達1.8km的洞段需穿越斷層破碎帶，給工程建設帶來了諸多挑戰，成為整個項目的控制性難點。

斷層破碎帶內巖石破碎、節理裂隙縱橫交錯，加之頻繁的地下水活動，嚴重削弱了圍巖的穩定性。在隧洞開挖過程中，圍巖的變形控制和支護設計成為確保工程安全、高效推進的關鍵環節。本文對此展開研究，以期準確掌握引水隧洞穿越斷層破碎帶時的變形規律，進而優化支護方案，對于保障工程順利實施、降低建設風險以及實現長期穩定運行具有不可忽視的重要意義。

1 工程概況

某引水隧洞工程將水資源引入南方干旱地區，以滿足當地工農業生產及居民生活用水需求。工程線路全長5.2km ，其中穿越斷層破碎帶的洞段長度達 1.8km 。該洞段施工難度大、風險高，是整個工程的控制性節點。工程區域內存在多條斷層，其中F2斷層（F2為斷層編號，位于隧洞最西側）對隧洞施工影響最為顯著。該斷層走向為NE30^° ，傾角約為 65^° ，斷層破碎帶寬度在 5～20 m不等。斷層帶內節理裂隙極為發育，巖石破碎程度高，地下水活動頻繁，進一步降低了圍巖的穩定性。隧洞平均埋深為280m ，地下水類型主要為基巖裂隙水。在斷層破碎帶附近，由于巖體破碎，裂隙連通性好，地下水富集且水力聯系復雜。在隧洞開挖初期，采用鋼拱架 + 錨桿支護隧洞，鋼拱架為I18工字鋼，間距為1m，錨桿采用直徑22mm的螺紋鋼，長度為3m，間距為 1.2m×1.2m ，噴射混凝土C25，厚度為15cm。

2數值模型的建立

引水隧洞工程在穿越復雜地質區域時，其穩定性至關重要。斷層破碎帶及周邊不同地質條件對隧洞變形影響顯著。通過FLAC3D數值模擬軟件設定引水隧洞（圖1），整個模型為邊長140m的正方形區域。在模型中心位置，是直徑為13.5m的隧洞扇區，代表引水隧洞的位置。隧洞扇區周圍是直徑為60m的網格加密扇區，該區域網格相對密集，以更準確地模擬隧洞周邊的應力和變形情況。最外層是遠場扇區，占據了模型除隧洞扇區和網格加密扇區之外的其余部分，網格尺寸為10m。設定穿越完整巖石（工況1）、穿越斷層破碎帶（工況2）及穿越斷層核心區（工況3）三種工況，探究引水隧洞的變形規律，為實際工程提供理論依據。隧洞邊界和模型邊界的網格尺寸分別為0.15m和 10m 在二維平面應變條件下，隧洞開挖過程可分為兩個階段：地應力加載階段和隧洞開挖階段。模型邊界在地應力階段為自由邊界，在隧洞開挖階段為固定邊界。在數值模擬過程中，地應力加載階段采用初始地應力場，垂直應力為10 MPa ，水平應力為8 MPa 。

圖1隧洞數值模型圖

3引水隧洞穿越斷層破碎帶的變形規律研究

3.1隧洞變形規律分析

本研究利用FLAC3D數值模型，進一步分析不同工況的隧洞變形規律，數值模擬結果如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，在工況1引水隧洞穿越完整巖石條件下，拱頂下沉量僅為 5mm 。完整巖石結構致密，具備良好的承載能力，能夠有效分散上部巖體壓力，從而極大程度限制了拱頂的下沉。而在工況2引水隧洞穿越斷層破碎帶條件下，拱頂下沉量增加至 15mm ，這主要由于斷層破碎帶內巖石破碎，節理裂隙大量發育，巖體完整性遭到嚴重破壞，其承載能力大幅降低，難以有效支撐上部巖體，導致拱頂下沉量急劇增加。相比之下，工況3引水隧洞穿越斷層核心區條件下，拱頂下沉量為 30mm ，數值最高。工況2在該變形量上的劣勢在前期階段（從完整巖石到破碎帶過渡）體現得更為突出，其快速增長的下沉量對隧洞初期穩定性構成嚴重威脅[3-4]。

工況1引水隧洞穿越完整巖石時，拱底隆起量維持在3mm的較低水平，工況2引水隧洞穿越斷層破碎帶后，拱底隆起量猛增至8mm。與工況3引水隧洞穿越斷層核心區的15mm相比，工況2的隆起量在從完整巖石工況轉變過程中增長幅度更大，說明在穿越斷層破碎帶初期，隧洞底部變形的加劇更為明顯，會進一步影響隧洞整體結構穩定性。工況1完整巖石條件下，水平收斂量為4mm，反映出完整巖石對隧洞側向具有良好的約束能力。工況2水平收斂量迅速增長至 10mm 。相較于工況3斷層核心區的18mm，工況2在水平收斂量上同樣在前期增長更為迅猛，使得隧洞襯砌結構承受更大的側向壓力，極大增加了襯砌結構出現裂縫、變形甚至破壞的風險[5]。

綜合以上各變形量數據對比，工況2引水隧洞穿越斷層破碎帶時，在拱頂下沉量、拱底隆起量和水平收斂量上，相較于工況1完整巖石都有極為顯著的增長，且與工況3斷層核心區相比，在從完整巖石工況轉變過程中的變形增長幅度更大，對隧洞穩定性的威脅在前期就已突顯。因此，針對工況2穿越斷層破碎帶的情況，必須采取有效的加固支護措施[]。

圖2不同工況的隧洞變形規律分析柱狀圖

圖3不同工況的隧洞變形數值模擬云圖

3.2隧洞主應力與塑性區深度變化

隧洞主應力與塑性區深度變化情況如表1所示。由表1可知，工況2的最大主應力為55 MPa ，而工況1僅為18 MPa ，在穿越斷層破碎帶時，隧洞周邊巖體所承受的最大壓應力是穿越完整巖石時的3.06倍，表明斷層破碎帶內巖石結構破碎，無法像完整巖石那樣均勻分散應力，導致應力在局部區域高度集中，而高應力狀態極易使巖石產生破裂、變形，進而威脅隧洞的穩定性。雖然工況3處于斷層核心區，地質條件復雜，但工況2的最大主應力仍高于工況3。且工況2的塑性區深度達到10m，與工況1的1.5m相比，增加了8.5m。塑性區深度的大幅增加，說明在斷層破碎帶內，有大量的巖石由于開挖擾動，從彈性狀態進入塑性狀態。塑性狀態下的巖石，其力學性質發生會顯著變化，承載能力大幅降低，且變形具有不可逆性。大量巖石進入塑性區，會使隧洞周邊圍巖的自穩能力急劇下降，如不及時采取支護措施，圍巖可能持續變形直至坍塌。基于上述對最大主應力和塑性區深度數據變化的分析，工況2在穿越斷層破碎帶時劣勢明顯。

過高的最大主應力和過深的塑性區深度，使得隧洞面臨極大的坍塌風險。為確保施工安全與隧洞長期穩定運行，必須采取有效的加固支護措施。

表1隧洞主應力與塑性區深度變化表

4 引水隧洞加固支護優化設計

4.1 隧洞加固支護方案

由前文可知，在引水隧洞工程中，穿越斷層破碎帶時，由于巖體破碎、節理裂隙發育，圍巖穩定性差，容易出現較大變形甚至坍塌。傳統的單一支護方式在應對斷層破碎帶復雜地質條件時往往效果不佳。本研究提出的超前管棚一錨桿聯合支護方案，創新性地將超前管棚的預支護作用與錨桿的主動加固作用相結合。超前管棚能夠在隧洞開挖前，在掌子面前方形成一個具有一定剛度和承載能力的棚架結構，提前支撐上部破碎巖體，減少開挖過程中的圍巖變形。錨桿則通過深入圍巖內部，與圍巖形成一個整體，提高圍巖的自身穩定性和抗變形能力。兩者聯合作用，能夠更有效地應對斷層破碎帶的復雜地質情況，保障隧洞施工安全與長期穩定[7-8]。

超前管棚選用直徑為108mm的無縫鋼管，管棚長度分別設定為18m、20m及22m，環向間距設定為 ，外插角設定為 1^° 。管棚注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40Bé，模數為3.0。水泥-水玻璃雙液漿具有凝固時間短、早期強度高的特點，能快速填充圍巖裂隙，提高圍巖的整體性和穩定性，適應斷層破碎帶對支護快速起效的要求。本研究設定水泥漿與水玻璃體積比為 1：1 ，水泥漿水灰比為1：1，初始注漿壓力為 0.5MPa ，終壓為 2.5MPa_c。

錨桿選用直徑為22mm的高強度螺紋鋼筋。錨桿長度設定為 4m ，該長度能夠保證錨桿深入到穩定的圍巖中，充分發揮其錨固作用，有效提高圍巖的穩定性；采用梅花形布置，環向間距為 1.0m ，縱向間距為 1.2m.。

錨固采用全長黏結式錨固，錨固劑選用優質的高強度水泥基錨固劑。水泥基錨固劑具有凝固速度快、強度高、黏結性能優良等特點[9，能夠確保錨桿與圍巖之間形成牢固可靠的黏結，充分發揮錨桿的錨固效能。為進一步提升錨桿的主動支護效果，對錨桿施加一定的預應力，預應力設定分別為100KN、150KN及200KN。

4.2支護效果分析

4.2.1隧洞拱頂下沉量及收斂量變化

本節試驗選取斷層破碎帶特征的隧洞段落。在試驗過程中，設置不同管棚的長度（18m、20m及22m）及不同錨桿預應力（100KN、150KN及200KN），對每個變量組合下的隧洞變形情況進行數值模擬分析，試驗結果如表2所示。

由表2可知，隨著管棚長度增加，隧洞變形量總體呈下降趨勢。當錨桿預應力固定，管棚長度從18m增至20m時，拱頂下沉量與周邊收斂量明顯降低，這主要因為更長的管棚能在開挖掌子面前方形成更穩固的支撐結構，更好地承載上部破碎巖體，抑制變形。但管棚長度從20m增至22m時，變形量下降幅度變緩，甚至在個別情況出現微小反彈，這主要由于過長的管棚施工難度增大，對圍巖擾動加劇，削弱了其對變形的控制效果。在管棚長度固定時，錨桿預應力增大，隧洞變形量持續減小。錨桿施加預應力后，對圍巖產生主動約束，增強了圍巖自穩能力，使圍巖處于受壓狀態，從而有效減少變形。在管棚長度為20m及錨桿預應力為150KN的參數組合下，拱頂下沉量為 18mm ，周邊收斂量為 16mm ，均處于所有數據中的較低水平。相比18m管棚的參數組合，大幅降低了變形量，表明20m管棚的支撐效果更優。與22m管棚相比，雖然部分數據相近，但考慮到施工難度與成本，20m管棚在此處性價比更高。

表2隧洞支護效果數據表

4.2.2 隧洞圍巖應力變化

隧洞圍巖應力變化如表3所示。由表3可知，隨著管棚長度增加，圍巖最大主應力呈下降趨勢。當錨桿預應力固定，管棚長度從18m增至20m，最大主應力顯著降低，錨桿預應力為100KN時，最大主應力從13 MPa 降至11.2MPa ，這主要因為更長的管棚增強了對圍巖的支撐，分散了應力，減少了應力集中現象。而管棚長度從20m增至22m時，最大主應力下降幅度變緩，是由于過長管棚使施工擾動增加，在一定程度上影響了應力優化效果。對于圍巖最小主應力，管棚長度增加時，其絕對值總體增大，即壓應力增強，表明管棚支撐改善了圍巖的受力狀態，使圍巖處于更穩定的受壓狀態。在管棚長度為20m及錨桿預應力為150kN的參數組合下，圍巖最大主應力為 9.2MPa ，最小主應力為 -4.9MPa ，相比18m管棚的參數組合，最大主應力大幅降低，表明20m管棚在分散應力方面更有效，能更好地改善圍巖受力。與22m管棚相比，雖然最大主應力數值相近，但20m管棚施工難度和成本相對較低。在最小主應力方面，其絕對值更大，說明該組合下圍巖受壓穩定性更好。

表3隧洞圍巖應力變化表

4.2.3支護優化前后對比分析

為進一步突出超前管棚－錨桿聯合支護方案的可行性，本研究采用傳統錨桿支護與超前管棚－錨桿聯合支護進行對比。錨桿支護采用直徑為22mm的螺紋鋼錨桿，長度為 3m ，間距為 1.2m×1.2m ，搭配I18工字鋼鋼拱架，間距為 1m ，噴射C25混凝土，厚度為15cm。超前管棚一錨桿聯合支護方案中，設定管棚長度為 20m ，錨桿預應力為150KN。在現場監測中，為獲取準確數據，在隧洞拱頂、拱底及洞身兩側等關鍵部位布置多個監測點。沉降速率監測使用高精度水準儀，定期測量監測點高程變化，通過時間間隔計算沉降速率。穩定性系數則通過收集現場巖體的抗壓強度、彈性模量、內摩擦角等力學參數，結合斷層破碎帶的地質構造特征計算得出。支護優化前后對比分析如表4所示。

傳統錨桿支護在開挖初期沉降速率快，平均為4.2mm/d ，相較于超前管棚-錨桿聯合支護方案開挖初期的1. 1mm/d ，差距明顯，表明傳統錨桿對斷層破碎帶圍巖的初期變形控制能力較弱。而超前管棚一錨桿聯合支護方案能有效降低開挖初期沉降速率，得益于超前管棚在掌子面前方形成的剛性支撐結構。超前管棚選用直徑108mm的無縫鋼管，環向間距為 0.4m ，外插角為1，這種結構能提前承載上部破碎巖體，使開挖初期的沉降速率降低 74% ，極大減少開挖擾動帶來的變形。傳統錨桿支護方案穩定性系數為1.12，接近1.0的臨界值，存在較大安全隱患。而超前管棚－錨桿聯合支護方案使穩定性系數大幅提升至1.58，增長幅度達 41% 。超前管棚與錨桿聯合支護，二者共同提高了圍巖的整體穩定性和自承能力，改善了圍巖的受力狀態，有效分散應力，減少應力集中現象，從而顯著提升了隧洞的穩定性。

表4支護優化前后對比分析表

5結語

（1）本研究借助FLAC3D數值模型，剖析引水隧洞在不同地質工況下的變形特征。當穿越完整巖石時，隧洞變形量極小，拱頂下沉、拱底隆起及水平收斂量分別僅為5min.3min 和4mm。而一旦進入斷層破碎帶，拱頂下沉量飆升至 15mm ，拱底隆起達 8mm ，水平收斂量增至10mm ，與完整巖石工況相比，增長幅度極為顯著。

（2）為應對斷層破碎帶的復雜狀況，本研究創新采用超前管棚一錨桿聯合支護方案。本研究對不同管棚長度及錨桿預應力組合進行系統分析，明確管棚長度為 20m 及錨桿預應力為150KN的組合效果最佳。在此參數下，隧洞拱頂下沉量為 18mm ，周邊收斂量為 16mm ，圍巖應力狀態良好，最大主應力為 9.2MPa ，最小主應力為 -4.9MPa。

（3）超前管棚-錨桿聯合支護方案相較于傳統錨桿支護優勢顯著，能大幅降低開挖初期沉降速率，從4.2mm/d 降至 1.1mm/d ，穩定性系數從1.12提升至1.58，有效控制圍巖變形，增強隧洞穩定性，可行性高，值得推廣應用。

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