基于遍布節理模型的斷層破碎帶隧道穩定性研究

何萬平， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

地下工程中，是否選用TBM以及TBM效率能否發揮與工程地質條件、巖石強度、巖石耐磨性及巖體結構面發育程度等關系十分密切。隧道施工中常常遇到不良地層，給TBM施工帶來了極大的困難和挑戰，且影響掘進速度和效率[1-2]。

TBM穿越不良地層，尤其是穿越斷層破碎帶時，由于圍巖變形大、易塌方，會面臨一系列的風險，甚至是卡機，會影響工程進度和對人員安全造成威脅。因不良地層性質有所差異，導致其圍巖穩定性的加固措施有所不同。比如在軟弱圍巖中多采用管棚、錨桿等超前支護；在節理發育良好和有孔洞的硬巖地層，有巨大碎塊的卵石-礫石地層中多采用灌漿法，根據節理、孔洞大小和地下水流動的速度灌注水泥漿、水泥-水玻璃漿或黏土漿等；在可灌性差、地下水豐富且地層滲透性好的沖積地層中采用人工凍結法；對圍巖強度極低、埋深小需控制地表下沉的土沙等地層常使用預襯砌[3-5]。研究TBM如何安全快速的通過不良地層段，對整個隧道工程的建設具有重要的實際意義。

1 節理遍布模型理論分析

巖體在地層長期的膠結、沉積、褶皺等地質運動中，產生大量的層理、節理、裂隙、斷層和破碎帶等軟弱結構面，其存在極大地影響了巖體力學性態。就巖體的本質來說，它應該是各向異性、非勻質和非線性的不連續體[6-7]。

對不連續面縱橫交錯巖體的分析方法大致可分為如下幾種：(1)用等效連續體來替代巖體中的不連續斷層、弱面等;(2)用特定的節理來模擬巖體中的不連續體;(3)研究微裂紋的連續發展而導致的剪切帶的形成及其積累過程[8]。

2 計算方案設計

實際地層中，圍巖中的節理面錯綜復雜，傾角和間距等都是大小不一的，只能是某一個范圍的節理傾角或者間距占據絕大多數。所以本章計算中假定某一工況時，圍巖中的節理傾角和間距都是一定的。

實際地層中節理與節理直接存在一定的距離，但遠遠小于模型中的計算范圍和隧道直徑，對最終結果影響不大，因此予以忽略不計。

綜上考慮，本章計算設計6個工況，模擬兩種不同傾角節理的三個節理間距下的不同工況，具體如表1所示。其中兩種節理分為垂直節理和斜腳節理，垂直節理的節理面與水平方向正交，斜交節理的節理面與水平方向呈45 °，節理特征見圖1。

表1 計算工況

(a)0°與 90°節理分布特征

(b)45°與 135°節理分布特征圖1 節理分布特征

具體計算參數見表2。

表2 圍巖及支護的物理力學參數

3 計算結果分析

3.1 不同工況的模擬結果

在TBM隧道掘進的過程中，因為洞周圍巖荷載釋放和應力重分布，使圍巖產生變形，從而使支護結構也承受一定的荷載。不同工況(即不同節理間距和不同節理面傾角)的TBM隧道圍巖變形規律、地表變形規律特征都有所差異。因此，本節通過對不同工況的模擬結果進行對比分析，分析斷層破碎帶TBM隧道在掘進過程中工程地質災害發生類型和規律(圖2～圖5)。

(a)間距2m正交節理水平位移

(b)間距2m斜交節理水平位移圖2 計算結果位移云圖(單位：m)

圖3 不同工況下隧道斷面拱頂下沉量隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

圖4 不同工況下隧道斷面仰拱隆起量隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

圖5 隧道水平收斂位移隨開挖步的變化曲線(單位：cm)

3.2 圍巖變形特征分析

在TBM隧道施工完成后，一般圍巖會產生一定的變形，但在穿越斷層破碎帶時，由于節理的存在，導致圍巖變形會比一般的隧道更大，且需要更長的時間才能達到穩定狀態。所以本節主要分析不同工況下的節理對隧道圍巖變形產生的影響，選取的研究對象為位于模型中部，距離隧道口5m處的斷面。

通過對比分析可知：

(1)在斷層破碎帶中節理傾角相同的情況下，不論是正交節理還是斜交節理，當節理間距為0.5m時，圍巖豎向位移都最大，節理間距為1m時次之，節理間距為2m時最小。因此可得，隨著圍巖中節理間距的減小(即節理密度增大)，TBM隧道穿越斷層破碎帶時產生的圍巖豎向位移增大。

(2)在節理傾角相同時，0.5m間距工況的拱頂下沉變化曲線和仰拱隆起變化曲線呈現出穩定趨勢所需要的時間最長，約為9個時間步，1m間距工況次之，約為7個時間步，2m間距工況穩定最快，約為7個時間步。因此，當斷層破碎帶節理間距越小，洞周圍巖變形穩定所需要的時間越長。

(3)當只考慮節理傾角的影響時，同節理密度的正交節理工況的豎向位移都明顯大于斜交節理工況的豎向位移，且比較拱頂下沉和仰拱隆起的變化曲線，正交節理工況需要更長的時間才能呈現穩定的趨勢。因此，圍巖中節理的傾角越大，隧道開挖產生的圍巖豎向位移越大，且達到穩定所需時間越長。

4 結論

本文采用ABAQUS有限元軟件建立三維節理遍布模型，分析了不同工況時，TBM隧道穿越斷層破碎帶時的受力機理。通過對斷層破碎帶中不同節理間距(2m、1m、0.5m)和不同節理傾角(0 °與 90 °、45 °與 135 °)的工況下隧道的圍巖變形進行比較分析，分析TBM隧道在斷層破碎帶中掘進時圍巖變形受力特征，可得出以下結論：

(1)在TBM隧道施工完成后，一般圍巖會產生一定的變形，但在穿越斷層破碎帶時，由于節理的存在，導致圍巖變形會比一般的隧道更大，且需要更長的時間才能達到穩定狀態。

(2)在節理傾角相同時, 當斷層破碎帶節理間距越小，洞周圍巖變形穩定所需要的時間越長。

(3)當只考慮節理傾角的影響時，同節理密度的正交節理工況的豎向位移都明顯大于斜交節理工況的豎向位移。圍巖中節理的傾角越大，隧道開挖產生的圍巖豎向位移越大，且達到穩定所需時間越長。