斷層破碎帶隧道圍巖穩定性的離散元模擬研究

黃 鋒, 董廣法, 李天勇, 高嘯也, 彭焱森

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；3.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣州 510150)

隧道在穿越含斷層破碎帶地層時，由于地層中軟硬巖石間不連續的特點，圍巖地質條件差，再加上斷層破碎帶的切割作用導致隧道動態施工力學行為非常復雜，因此斷層破碎帶處隧道在施工過程中經常發生塌方、大變形、涌水突泥等工程事故[1-2]。

為了保證破碎帶隧道圍巖的穩定性，相關學者對此做了大量的研究并取得了成果。在理論分析方面，宋瑞剛等[3]認為斷層破碎帶圍巖的失穩是一種突發破壞現象，以總勢能原理為依據，建立了穿越斷層破碎帶隧道圍巖失穩尖點突變模型，推導出失穩的力學判據。模型試驗具有直觀性，是分析圍巖穩定性問題的重要手段。李劍光等[4]通過模型試驗研究了軟弱夾層的傾角對巷道圍巖穩定性的影響，從而得出軟弱夾層的角度越大，整個巷道圍巖的穩定性越差的結論。但模型試驗需要的成本高，操作比較復雜，完全實現工況要求比較困難，并隨著計算機技術的發展，數值模擬為分析圍巖穩定性問題提供了另外一種方法。段會玲等[5]基于塊體理論研究，借助圍巖結構分析和數值模擬相結合的方法，從巖體結構特征入手，深入分析圍巖失穩變形模式，揭示無支護條件下圍巖的變形、受力特征并提出針對性施工建議；楊青瑩[6]通過數值模擬，研究了斷層破碎帶厚度、傾角及水頭壓力對圍巖變形的影響，從而分析出富水斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性的影響；朱合華等[7]引入彈塑性損傷本構模型的有限元方法，模擬了隧道開挖及軟弱破碎圍巖破壞的全過程，分析了軟弱破碎圍巖的漸進性破壞形態及相關力學特征；李文華等[8]運用有限元模型分析了斷層與隧道相對位置及斷層傾角對隧道圍巖穩定性的影響。有限元模型中是把整個模型看為一個整體，是連續的，而離散元模型通過設置顆粒間的連接將模型視為不連續體，可以很直觀地反映大變形及顆粒細觀結構變化及其力學特征；文云波等[9]通過對穿越斷層破碎帶的小凈距大斷面偏壓隧道臺階法施工過程進行了數值模擬，分析了隧道拱頂沉降、圍巖水平收斂變化規律；王根等[10]運用離散元法研究了不同埋深的破碎巖層對隧道穩定性的影響；常喬磊[11]采用三維離散元數值模擬方法，分析了隧道穿越不同形態的斷層破碎帶，得出了隧道穿越不同傾角、不同寬度、走向線與隧道軸線夾角不同的斷層破碎帶時圍巖變形規律。

以港珠澳大橋連接線南灣隧道為依托，考慮到斷層破碎帶隧道圍巖的不連續性，采用離散元方法模擬斷層破碎帶隧道更為合理，故采用離散元軟件PFC2D分別模擬了不同位置斷層破碎帶隧道有無支護結構的開挖過程，并從宏觀和微觀兩方面結合對比分析了支護結構在開挖過程的控制作用，得出了斷層對隧道圍巖穩定性的影響及其影響的主要區域位置及區域的范圍大小。通過這些結論可用于指導施工，加強薄弱部位的支護結構。

1 工程概況

南灣隧道是港珠澳連接線工程的一座山嶺隧道，隧道起訖里程樁號：左線為ZK5+910～ZK9+554，長3 644 m；右線YK5+913～YK9+561，長3 648 m。隧道最大埋深約130 m，洞軸線進口走向方位角約220°，出口走向方位角約230°。進口左、右洞測設線間距約15 m(小凈距隧道)，洞身段間距22～25 m(小凈距隧道)，出口段間距約25 m(分離式隧道)。隧道進口段為曲線隧道，圓曲線半徑R為1 800 m，中段為直線隧道。該路段為將軍山丘陵區，沿線出露巖體皆為燕山三期花崗巖，基本可分為二大巖性，銀坑水庫之前(以東)總體為中粗粒黑云母花崗巖為主的侵入巖；銀坑水庫之后主要為斑狀中粗粒花崗巖，局部為片麻狀花崗巖和二長巖等。圍巖等級以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，針對不同圍巖采取不同的開挖方法，Ⅴ級圍巖采用單側壁導坑法、三臺階七步開挖法，Ⅳ級圍巖采用上下短臺階預留核心土法，采用預裂爆破結合光面爆破開挖，無軌出渣的施工方法。南灣隧道平面位置如圖1所示。

圖1 南灣隧道平面位置Fig.1 Nan-wan tunnel plane location

1.1 斷層節理

在南灣隧道里程ZK7+632～ZK7+856存在一條斷裂破碎帶F5(花地斷裂)，該斷裂發育于竹仙洞水庫南側至銀坑水庫北側一帶，長約2 km，寬約3～5 m，斷裂帶走向北東約60°，傾向北西，傾角約80°，推測為灣仔斷裂的次級構造，破碎帶以石英脈、團狀硅化巖組成，結構面呈舒緩波狀。

由于該斷層與右洞隧道斜交，隨著隧道的開挖，斷層與隧道的相對位置在不斷變化，故在每隔32 km取一個橫斷面用于研究斷層與隧道的相對位置變化對隧道穩定性的影響。隧道斷層平面位置圖如圖2所示。

圖2 隧道斷層平面位置關系Fig.2 Tunnel fault plane positional relationship

1.2 南灣隧道支護方案

南灣隧道主體結構的初期支護由剛拱架、徑向錨桿、鋼筋網及噴射混凝土組成，如圖3所示。拱架與錨桿、鋼筋網焊接為一體。鋼拱架之間用φ22鋼筋連接。噴射混凝土采用C25早強噴射混凝土。鋼拱架之間用φ22鋼筋連接。

圖3 南灣隧道初期支護示意圖Fig.3 Schematic diagram of initial support of Nan-wan tunnel

2 離散元數值模擬方法

2.1 巖體及加固區細觀參數取值

2.1.1 隧道巖體

根據Palmstrom[12]研究可知，巖體的單軸抗壓強度是由節理尺寸、塊體體積、節理蝕變度、節理粗糙度等因素決定的。且通過對現場試驗的回歸分析，得到如式(1)所示的經驗公式：

(1)

根據斷層破碎帶巖體節理發育，密度為3～5條/m，其貫穿性較好，從而得出巖石塊體的平均體積Vb=0.06 m3。隧道圍巖巖體破碎，斷面較平直，均有不同程度上的蝕變，局部見綠泥石化跡象，斷層破碎帶以石英脈、團狀狀硅化巖組成。根據Palmstrom[12]的取值分別取Jr=3、J1=1、Ja=8，則Jc=0.375，最后通過計算得出巖體單軸抗壓強度的折減系數Jρ為0.034。

根據喬春生等[13]的研究結果可知，彈性模量主要取決于風化程度、巖層厚度、節理傾角、節理密度、節理寬度、節理的粗超度、節理的充填情況、充填含泥量、涌水量等12種因素。

根據高嘯也[14]得出的南灣隧道ZK7+600段掌子面巖石參數，巖石的單軸抗壓強度為150.4 MPa，彈性模量為17.57 GPa。所選段斷層破碎帶巖體情況為：斷層的厚度為3～5 m，斷層破碎帶節理裂隙寬一般為1～2 mm，裂面較平直，部分充填泥質、方解石脈和石英脈，隙面大部分見鐵錳質侵染較多，節理的傾角為60°，節理密度3～5 條/m，根據巖體彈性模量影響因素及評分標準(對未知參數取中間值)得出參數評分值為30、90、50、75、45、25、35、20、20。根據樣本[13]查表得出折減系數為 0.62，巖體彈性模量計算公式：

Ecm=EciJ′p

(2)

式(2)中：Ecm為巖體彈性模量，GPa；Eci為巖石彈性模量，GPa；J′p為巖石彈性模量折減系數。

通過樣本計算得出的折減系數，由式(1)、式(2)計算得到，巖體單軸抗壓強度為5.11 MPa；彈性模量為10.89 GPa。這里顆粒的接觸和粘結參數通過折減得到的單軸抗壓強度和彈性模量為衡量依據，并通過系列的數值試驗，對顆粒流模擬中的各項參數進行調試，獲得了合理的顆粒流參數，如表1所示。

表1 圍巖模型顆粒流細觀參數Table 1 Microscopic parameters of particle flow in surrounding rock model

2.1.2 噴射混凝土

根據設計文件可知，初期支護選用了C25混凝土。由《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[15]可知該噴射混凝土的彈性模量28 GPa及單軸抗壓強度11.9 MPa。經過對顆粒流模擬中的各項參數進行調試，得出所對應的細觀參數如表2 所示。

表2 C25噴射混凝土顆粒流模型細觀參數Table 2 Mesoscopic parameters of C25 shotcrete particle flow model

2.1.3 加固區巖體

由于離散元數值模擬中，難以達到真實錨桿的效果，且可靠性難以保證。因此，參考朱浮聲等[16]的研究結果，將錨桿加固模擬改為錨桿影響區的巖體加固，如此模擬與錨桿的真實作用比較類似。將加固區寬度設置為錨桿的長度，初襯厚度與設計資料相同，如圖4所示。

圖4 南灣隧道初期支護模型Fig.4 Initial support model of Nan-wan tunnel

根據全長黏結式的錨桿受力特性，錨桿在施工安設后，將與圍巖共同變形。此時，錨桿表面剪力將阻止巷道表面位移。錨桿的這種加固作用表現為巖體彈性模量E與峰值抗壓強度Rc的提高。

根據朱浮聲等[16]研究得到的錨固區巖體的解析解可知，加固區巖體的等效單軸抗壓強度可表示為

(3)

式(3)中：cf為巖體破壞時的黏聚力，MPa；φf為巖體破壞時的內摩擦角，(°)。

錨桿密度參數β考慮到中性點下錨桿剪應力對巷道表面收斂的控制作用有：

(4)

式(4)中：D為錨桿直徑；λ為摩擦系數，一般取0.5；ro為隧道半徑；Sc為錨桿間距；Sl為錨桿排距。

式(4)中，錨桿的間距和排距都取1，直徑為 22 mm，cf=1，φf=55°。計算得出β=0.55，最后計算得出加固區巖體的單軸抗壓強度σ′c為9.9 MPa。

錨桿與巖體同步變形時，巖體的變形模量E遠小于錨桿的彈性模量Eb，這種變形特征的差異表現為巖體的等效變形模量增加，可以近似表示為

(5)

式(5)中：E為巖體彈性模量，E=10.89 GPa；Eb為錨桿彈性模量，Eb=2 000 GPa，得到加固區巖體的彈性模量E′為11.65 GPa。

根據計算得到巖體單軸抗壓強度及彈性模量，并通過模擬試算最終可得細觀參數如表3所示。

表3 加固區巖體模型細觀參數Table 3 Mesoscopic parameters of rock mass model in reinforced area

2.1.4 斷層細觀參數

圍巖內部斷層面兩側顆粒的接觸模型為平節理模型，這種平節理的幾何形狀由兩個始終平行的平面組成。平面的方向由單位法向量nj定義：

nj=(sinθpsinθd,sinθpcosθd,cosθp)

(6)

式(6)中：θp為傾角；θd為傾斜方向。

平節理上的兩個面的相對位移U及力的大小F分別表示為

(7)

式(7)中：Us為位移向量；Fs為力向量；Un為正時表示重疊；Fn為正時表示壓縮。

夏磊等[17]主要通過設置內聚力和摩擦角的大小來模擬斷層，模擬斷層具體細觀力學參數如表4所示。

表4 斷層面細觀參數Table 4 Mesoscopic parameters of fault plane

2.2 計算模型尺寸

2.2.1 節理隧道計算模型

離散元數值模擬，采用PFC2D軟件進行二維平面應變分析。上邊界為地表，模型設置上邊界為自由面，上邊界取實際隧道埋深值，模型下邊界及左右邊界面均為固定面，下邊界取3倍隧道結構高度，左右邊界均取6.5倍隧道寬度。建立的離散元數值模型，如圖5所示。

圖5 南灣隧道數值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model of Nan-wan tunnel

2.2.2 模擬工況

根據工程情況可知，南灣隧道與斷層F5(花地斷裂)相交。該斷層影響最大區域，即里程ZK7+632～ZK7+856段的隧道開挖進行模擬分析，并每隔32 m取一個斷面，共計8個斷面，取其編號為1～8。用以研究在該斷層的影響下，隧道推進過程中圍巖穩定性的變化。斷層與隧道斷面相對空間位置如圖6所示。在節理巖體模型運行穩定后，對隧道范圍內的顆粒進行刪除操作，用以達到隧道施工開挖過程的模擬。重點關注隧道開挖后圍巖的整體穩定性，因此簡化為全斷面法開挖[18]，之后對噴射混凝土及加固區范圍的顆粒分別進行參數的修改，用以達到模擬初期支護及時施加的過程。當模擬未支護隧道時，圍巖的細觀參數與之前一致，只是不加錨桿支護與初襯。模擬試驗設置每經過12 500步，結果保存一次，共保存4次，直到計算至50 000步。通過每12 500步的數據記錄，可以更加直觀地觀察在隧道開挖加固后，斷層隧道巖體位移及裂隙發育規律。此外，為了探索隧道圍巖松動破壞區范圍，分析無支護條件下不同斷面位置隧道的圍巖漸進性破壞模式及其演化規律。

1～8為斷層編號圖6 斷層與南灣隧道相對空間位置關系Fig.6 Relative spatial positional relationship between fault and Nan-wan tunnel

PFC2D模擬模型各斷面節理與隧道相對位置關系如圖7所示。

圖7 不同里程斷層與隧道相對位置Fig.7 Relative mileage of different mileage faults and tunnels

3 模擬結果分析

3.1 不同里程隧道圍巖位移及裂隙分析

3.1.1 圍巖位移云圖分析

圖8、圖9分別為PFC2D軟件計算至50 000步時，不同里程的節理隧道圍巖水平方向及豎直方向的位移云圖。

圖8 不同里程斷層隧道圍巖水平方向位移Fig.8 Horizontal displacement of surrounding rock of different mileage fault tunnels

圖9 不同里程斷層隧道圍巖豎直方向位移Fig.9 Vertical displacement of surrounding rock of different mileage fault tunnels

由圖8可知，隧道圍巖的水平方向位移主要集中在隧道邊墻位置，隧道左邊墻位置處受拉、右邊墻位置處受壓；當斷層與隧道未相交時，隨著斷層逐漸靠近隧道開挖面，隧道圍巖的水平方向位移逐漸增大；隨著斷層朝著開挖面中線移動，斷層對開挖面的截斷越來越對稱，開挖面穩定性提高，左右邊墻位移又表現為隧道左邊墻位置受拉、右邊墻位置處受壓；對比斷層比鄰和穿越隧道的兩類情況，斷層穿越隧道輪廓面時對水平位移的影響更小；在整個斷層相對位置不斷變化的過程中，斷層在隧道受拉側時對水平方向的位移影響更大，其中當斷層距離隧道0.3倍洞徑范圍內時(對比斷面3和斷面7)影響差異開始明顯。

由圖9可知，隧道圍巖的豎直方向位移主要集中在拱頂和仰拱位置，隧道圍巖在拱頂位置受拉、在仰拱位置受壓；在斷層靠近開挖面的過程中，隧道圍巖豎直方向的位移逐漸增大，但位移增量較小；當斷層與隧道邊墻位置相交時，由于斷層破壞了圍巖的整體性，加上斷層對隧道開挖面左右截斷極不對稱，使得圍巖豎直方向位移劇增；隨著斷層朝著開挖面中線移動時，斷層對隧道開挖面左右截斷逐漸對稱，圍巖豎直方向位移開始逐漸減小。相比水平方向的圍巖位移，當斷層穿越隧道輪廓面時，對隧道圍巖豎直方向位移的影響更大。

3.1.2 斷層隧道圍巖裂隙分析

不同里程位置處，隧道圍巖裂隙的最終分布如圖10所示。由圖10可知，當斷層未與隧道開挖面相交時，其圍巖的裂隙分布相似；當斷層與隧道相交后，裂隙將在斷層面周圍產生，并擴展較快，也較為集中，且該范圍裂隙基本均為剪切裂隙，這是由于該斷層面周圍圍巖產生了滑動破壞；而當斷層位于隧道中線位置時，其斷層面周邊圍巖并未出現裂隙，這是由于該區域的斷層面左右兩部分圍巖并未產生滑動破壞，因此斷層面周圍未產生裂隙。

圖10 不同里程斷層隧道圍巖裂隙分布圖Fig.10 Distribution of cracks in surrounding rock of different mileage fault tunnels

3.2 不同里程隧道監控點數值模擬位移與實測位移對比分析

為了分析方便，在數值模型中，共布置了4個位移監控點，如圖11所示。

圖11 隧道圍巖測點布置Fig.11 Layout of the surrounding rock of the tunnel

根據數值模擬結果所得不同里程隧道圍巖1號測點沉降與施工監控量測的拱頂沉降對比，如圖12所示。由圖12可知，數值模擬結果與監控量測結果比較類似，且不同里程拱頂位移規律基本相同，由此可見PFC2D離散元模擬的結果可靠。

圖12 圍巖監控量測及數值模擬拱頂沉降對比Fig.12 Comparison of surrounding rock monitoring measurement and numerical simulation of vault settlement

隧道橫斷面內，不同測點豎向位移沿隧道軸向的分布，如圖13所示。由圖13可知，由于隧道的上部有錨桿加固的作用，圍巖拱底隆起值均高于拱頂的沉降值，因此其拱頂圍巖的穩定性優于拱底；隨著斷層靠近開挖面，其拱頂沉降略有增加；在斷面6處，圍巖的右側的位移高于其拱頂的沉降，這是由于斷層與隧道開挖面的右側邊墻位置處相交，此時斷層對隧道開挖面的截斷最不對稱，導致受力不均衡，最終使得圍巖的穩定性差，該區域圍巖易隨斷層面發生滑動破壞，而斷面4與其原因相同，左右側的位移在斷面4和斷面6位置的位移幾乎是其他斷面的2.5倍，位移發生突變。斷面5的斷層幾乎處于隧道開挖面的中心，而其沉降最小。

圖13 隧道各測點不同斷面的豎向位移規律Fig.13 Vertical displacement law of different sections of each measuring point in the tunnel

4 無支護隧道圍巖潛在松動破壞區分析

4.1 隧道圍巖松動破壞的漸進過程

圖14為斷層與隧道左邊墻位置相交時(即斷面6處位置)，隧道開挖后圍巖的漸進塌方過程。可以看出，當計算至10 000步時，隧道開始出現坍塌現象，隨著計算步的增加，隧道圍巖的坍塌區域逐漸增大，直到20 000步時，隧道發生大規模坍塌，這表明圍巖變形及破壞具有時效性；隨著計算步的增加，隧道塌方的范圍繼續增大，且坍塌范圍主要在斷層周圍區域，這是由于該區域圍巖受斷層的影響，沿著斷層面發生滑動破壞，導致該區域巖體穩定性較差，易發生坍塌。

圖14 隧道開挖后圍巖塌方過程Fig.14 Process of collapse of surrounding rock after tunnel excavation

4.2 隧道圍巖潛在松動破壞模式

不同斷層位置的隧道圍巖坍塌情況如圖15～圖17所示。由圖15、圖16可知，當斷層未與隧道相交時，隧道的坍塌區域面積均比較接近，且形態均為拱型坍塌，這種情況下的最大坍塌面積比為0.55；當斷層離隧道中心越遠，斷層對開挖面左右影響程度逐漸增大，因此其坍塌區域越大。其中當斷層剛好與隧道相交時，隧道的坍塌區域最大，這種情況下的最大坍塌面積比為1.1。由圖17可知，斷層的相對位置對坍塌區域的影響有一定的規律，坍塌區域面積幾乎是以斷面5為對稱分布的。

圖15 不同斷層位置的隧道圍巖坍塌區域Fig.15 Tunnel surrounding rock collapse area at different fault locations

圖16 不同里程隧道圍巖坍塌區域示意圖Fig.16 Schematic diagram of the surrounding rock collapse area of different mileage tunnels

圖17 不同斷面的隧道圍巖坍塌區域面積與隧道輪廓面積比值Fig.17 Ratio of collapse area of tunnel surrounding rock to tunnel profile area of different sections

5 結論

依托港珠澳大橋連接線南灣隧道工程，采用了離散元數值模擬方法，研究了斷層與隧道斷面相對位置的變化對隧道開挖力學響應的影響。得到如下主要結論。

(1)當斷層距離隧道輪廓面0.3倍洞徑范圍內時，隧道圍巖變形受斷層影響較為顯著；隧道圍巖應力呈非對稱性，當斷層位于受拉區一側時，斷層對隧道水平位移的影響較受壓區一側更為明顯。

(2)當斷層穿越隧道輪廓面時，隧道開挖后圍巖有彎曲內鼓和順層滑移的趨勢，斷層對隧道圍巖豎直方向位移的影響比水平方向位移更加顯著。

(3)對比斷層比鄰和穿越隧道的兩類情況，當斷層與隧道橫斷面相交時對隧道整體性的影響更為顯著，其最大潛在松動破壞區域是未相交時的最大坍塌區域的2倍以上。

(4)現場監測結果表明，當斷層與隧道邊墻位置相交時，該斷面的位移最大且相比其他斷面位移明顯增大，幾乎是其他斷面最大位移的2.5倍，這與采用PFC2D分析得出的斷層與隧道邊墻位置相交時的坍塌區域面積幾乎為其他斷面坍塌區域面積的2倍有相似的結果。