隧道开挖时不同宽度断层对围岩扰动的影响

时间：2024-07-28

康海波，万志强，赵刚应，张乾

(1.四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020；2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756;3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室；四川成都 610031)

随着我国公路、铁路建设的高速发展，桥隧比逐年升高，隧道长度与不断增加，尤其在西南山区地质条件复杂，长大隧道在设计、施工过程种不可避免的需要穿过断层破碎带。断层破碎带的出现意味着围岩地质条件差，是造成隧道塌方的重要因素，隧道施工过程中发生塌方事故，会严重威胁现场施工人员的生命安全，同时造成机械设备毁坏、工程费用增加、工期延误等。

针对此，国内外学者开展了如下研究。Jeon等[1]采用模型试验和数值模拟研究了断层以不同形式穿过隧道时围岩的位移场、塑性区以及围岩的破坏模式，结果表明由于断层的存在，隧道围岩的变形量显著增加，并且沿软弱面出现明显的剪切变形。黄生文等[2]利用数值模拟对断层所在区段的围岩应力状态进行数值模拟和分析，总结了断层地段隧道围岩应力的一些分布规律。雷军等[3]根据现场监测结果，提出对隧道穿越F7断层区段的断面采用动态优化设计方案及改进的施工措施，避免隧道出现大变形，从而保证隧道穿越F7断层区段安全、快速的进行。Anastasopoulos等[4]使用有限元方法研究了大构造断层对两个希腊高速公路隧道的影响，结果表明断层破碎带位于隧道的不同位置时，隧道发生变形破坏的部位不同，是由于围岩的应力分布受到断层破碎带的影响。王鲁南[5]对在不同深度、不同隧道开挖进尺条件下隧道穿过断层破碎带的围岩受力及变形规律进行了研究。结合数值模拟分析的结果，从而提出了段家屋隧道在试验段的具体施工方案，即采用两台阶的隧道开挖方法，并与现场监控量测数据进行分析对比，最终验证了该施工方法的合理性及可行性。黎盼[6]通过数值模拟分析了隧道穿过倾角为45 °、60 °、75 °断层破碎带时围岩的Y方向位移、围岩受力状况及支护受力情况。张优利等[7]对比分析采用不同施工工法穿越断层破碎带的情况，得出了断层破碎带对于施工过程的影响。万飞等[8]对关角隧道F2-1断层破碎带的隧道支护结构进行了优化设计研究，通过对原设计方案的支护结构位移、围岩压力、钢架应力、锚杆轴力的现场监测，找出了原设计方案的不足之处，对此提出了改进措施，采用数值模拟验证了可行性，最后通过现场实施及监测结果的反馈，证明改进措施效果明显。李鑫[9]模拟雩山隧道穿过断层破碎带，计算结果显示隧道两侧的拱脚会出现横向应力集中现象，应力方向指向隧道内侧，这使得隧道的拱脚向内侧发生挤压，产生向内的收敛；隧道的底板和拱顶会存在竖向应力集中现象，应力方向指向隧道内侧，这使得隧道拱顶发生向下的变形，底板产生隆起。唐晓杰等[10]通过Flac3D数值模拟，指出大跨地铁隧道穿越断层变形控制的关键部位是围岩与断层相交的拱顶和拱腰处。

本文以公路宝鼎2号隧道为工程背景，通过Flac3D建立3个断层宽度不同的隧道模型，研究隧道穿越不同宽度的断层对隧道围岩变形和二次衬砌的影响，为支护稳定和施工安全提供参考。

1 工程概况

高速公路宝鼎2号隧道位于四川省攀枝花市仁和区境内，全长8 775 m，隧道最大埋深约647 m，设计为双向分离式隧道，是攀枝花到大理高速公路的控制工程，隧址如图1所示。

图1 宝鼎2号隧道位置

宝鼎2号隧道围岩岩体破碎，构造复杂，穿过各种大小断层，图2所示为隧道穿过的4条特大断层。本文以隧道右线K19+700～K19+781段为研究工况，该范围内隧道穿越F9大断层。在研究区段，隧道采用全断面法开挖，并采用复合式衬砌支护。初期支护采用24 cm厚的C20喷射混凝土和间距0.6 m的I18工字钢钢架，二次衬砌采用50 cm厚的C30钢筋混凝土。

图2 宝鼎2号隧道纵断面

2 三维数值模拟

2.1 计算模型

为了研究断层宽度对隧道开挖围岩扰动的影响，本文采用有限差分软件Flac 3D，建立3个数值计算模型，分别对应于隧道穿过3种不同宽度的断层。一般认为，围岩范围超过隧道半径的6～10倍后，边界条件基本不影响数值模拟结果，本文根据宝鼎2号隧道的实际地质情况并且考虑边界条件对计算结果的影响建立三个长81 m，宽80 m，高80 m的三维数值计算模型，共231 568个节点，228 015个单元，三个模型的断层宽度分别为2 m、7 m、12 m，断层倾角都为70 °，如图3所示。

图3 模型示意

2.2 模型参数

围岩选用莫尔库伦模型，岩土体物理力学参数主要依据宝鼎2号隧道地层土工试验结果并通过经验类比确定，初支喷射混凝土用shell单元模拟，工字钢拱架等效到喷射混凝土中，二次衬砌采用实体单元模拟，最终确定的计算参数见表1。

表1 模型计算参数

2.3 模拟方法

计算模型的两侧采用水平位移约束，底部固定，上表面施加应力边界来模拟上覆土层。地应力由输入初始边界应力后由Flac 3D进行初始应力平衡计算获得，为与实际工况相对应，用null命令实现隧道的全断面开挖，隧道开挖进尺为3 m，初支一次施作长度为3 m；二衬落后掌子面12个开挖进尺，二衬一次施作12 m。

2.4 计算结果与分析

2.4.1 洞周围岩位移分析

2.4.1.1 拱顶沉降

随着隧道开挖的进行，不同宽度断层拱顶沉降变化规律对比如图4所示。可知：不同宽度的断层，隧道拱顶沉降的变化规律一致；随着开挖的进行，拱顶沉降在正常围岩处沉降值较小，隧道接近断层，拱顶沉降缓慢增长，隧道与断层接触时，拱顶沉降先快速增长然后又迅速减小，隧道远离断层，拱顶沉降趋于稳定，接近正常围岩处的沉降值。断层宽度的增加，拱顶沉降突变范围逐渐增大，断层宽度为2 m时，拱顶沉降突变范围是34～39 m(5 m)；断层宽度为7 m时，拱顶沉降突变范围是34～50 m(16 m)；断层宽度为12 m时，拱顶沉降突变范围是33～53 m(20 m)。且隧道拱顶最终沉降量随着断层宽度的增大而增大，断层宽度为2 m时，拱顶处得最终沉降量为10.04 mm；断层宽度为7 m时，拱顶处得最终沉降量为13.04 mm；断层宽度为12 m时，拱顶处得最终沉降量为16.32 mm。

图4 拱顶监测点沉降值变化规律

2.4.1.2 拱腰收敛

随着隧道开挖的进行，不同宽度断层拱腰收敛变化规律对比如图5所示。可知：不同宽度的断层，隧道拱腰收敛的变化规律一致；随着开挖的进行，拱腰收敛的变化规律与拱顶沉降的变化规律相同。断层宽度的增加，拱腰收敛突变范围逐渐增大，断层宽度为2 m时，拱腰收敛突变范围是36～42 m(6 m)；断层宽度为7 m时，拱腰收敛突变范围是36～52 m(16 m)；断层宽度为12 m时，拱腰收敛突变范围是35～56 m(21 m)。隧道拱腰最终收敛量随着断层宽度的增大而增大，拱腰水平收敛最终值有大到小排序断层宽度依次为12 m、7 m、2 m。

图5 拱腰监测点沉降值变化规律

2.4.1.3 仰拱隆起

随着隧道开挖的进行，不同宽度断层仰拱隆起变化规律对比如图6所示。可知：不同宽度的断层，隧道仰拱隆起的变化规律一致；随着开挖的进行，仰拱隆起的变化规律与拱顶沉降的变化规律相同。断层宽度的增加，仰拱隆起的突变范围逐渐增大，断层宽度为2 m时，仰拱隆起突变范围是37～43 m(6 m)；断层宽度为7 m时，仰拱隆起突变范围是37～55 m(18 m)；断层宽度为12 m时，仰拱隆起突变范围是35～60 m(25 m)。且隧道仰拱最终隆起量随着断层宽度的增大而增大，断层宽度为2 m时，仰拱处得最终隆起量为10.8 mm；断层宽度为7 m时，仰拱处得最终隆起量为14.45 mm；断层宽度为12 m时，仰拱处得最终隆起量为15.87 mm。

图6 仰拱监测点沉降值变化规律

2.4.2 二次衬砌位移分析

图7为二次衬砌最大位移云图，可知：不同断层宽度，随着隧道的开挖，二次衬砌与断层接触段的位移都大于二次衬砌与正常围岩接触段的位移，且在二次衬砌与断层接触段，位移值发生突变。不同断层宽度，二次衬砌位移值突变范围不同，断层宽度越大，断层对二次衬砌的影响范围越大，二次衬砌位移值突变范围越大，且二次衬砌最大位移值，随着断层宽度的增大而增大，断层宽度为2 m时，二次衬砌最大位移值为10.80 mm；断层宽度为7 m时，二次衬砌最大位移值为14.51 mm；断层宽度为12 m时，二次衬砌最大位移值为16.36 mm。从最大位移云图可以看出，不同宽度的断层，二次衬砌最大位移都出现在与断层接触的拱顶和仰拱部位。

图7 二次衬砌位移云

2.4.3 塑性区分析

隧道穿过不同宽度的断层，围岩塑性区分布见图8。随着隧道的开挖，隧道洞周均出现剪切破坏塑性区，正常围岩隧道剪切破坏塑性区分布范围达到4 m，与正常围岩隧道塑性区相比，断层隧道剪切破坏塑性区面积明显较大，且隧道穿过不同宽度断层，塑性区面积随着断层宽度的增加而增加，原因是由于断层岩体破碎，岩石力学性质差，当断层宽度增加时，隧道与断层的接触面积越大，开挖扰动后易破坏。断层宽度为2 m时，断层隧道围岩剪切破坏塑性区分布范围为10 m，断层宽度为7 m时，断层隧道围岩剪切破坏塑性区达到14 m，当断层宽度为12 m时，断层隧道围岩剪切破坏塑性区范围最大为16 m。

图8 不同宽度断层围岩塑性区