基于穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩定性探討

黃 濤

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

0 前言

近年來，我國不斷擴大高等級公路基礎設施的建設規模，在這個過程中，人們對隧道項目提出了更高的要求，施工項目的難度系數越來越高，例如在建設隧道時經常會穿越斷層破碎帶。在正常情況下，斷層破碎帶之中大多都擁有非常松散的巖體，而且這些巖體的穩定性較低，受到外部因素干擾的概率較高，在施工中經常出現塌方等安全事故。所以，深入研究斷層破碎帶的問題及其對隧道施工的影響是非常有必要的。基于此，本文將探討穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩定性的問題，希望能夠借助相關措施幫助相關人員更好更安全的隧道施工環境。

1 掌子面穩定性研究成果概述

在開展隧道項目過程中圍巖穩定程度是重要基礎，在復雜地質、地貌、地理基礎地區建設距離較長的隧道項目時，必然會存在各種不利地質環境和惡劣情形，有較大概率出現突涌水、山體塌方等自然災害，在所有地質災害源中斷層破碎帶較為常見。

王軍杰等研究學者在開展求解分析的過程中合理利用了計算程序，借助算例計算出了在邊界條件不同的情況下，相關人員支護淺埋隧道掌子面的反力系數，不但明確了隧道掌子面的失穩機理，還探討了隧道掌子面的施工技術[1]。索超峰等通過對3DEC計算進行利用，完成了各種斷層參照系數的模擬，例如斷層的寬度、傾斜方向、傾斜角度及它們影響圍巖的基本效用[2]。另外，還有部分學者借助ABAAQUS分析了在埋深不同情況下，掌子面所表現的各種穩定情況。在借鑒相關學者成功經驗的前提下，本文將對離散元軟件3DEC進行合理運用，分析在斷層破碎帶穿越時隧道掌子面位移變化情況。

2 影響隧道掌子面穩定性的因素

修建隧道過程中有很多因素可能對掌子面穩定性產生影響，為了深入分析隧道掌子面穩定性問題，相關人員需要對掌子面穩定性的作用機理和性質特點進行準確判斷[3]。通過分析相關文獻資料可知，主要有以下兩方面因素會對隧道掌子面穩定性產生影響。

2.1 內部因素

2.1.1 掌子面的結構狀態

分析掌子面結構狀態也就是研究掌子面的完整程度或者破碎程度，它還包括巖體巖塊之間的組成狀態和巖塊大小。巖體受到地質構造運動的影響將表現在巖體破碎程度上，巖體破碎程度會在較大程度上影響隧道掌子面的穩定性，巖體擁有越破碎的結構，掌子面發生變形破壞的概率就越大。巖石自身性質能夠直接影響構造面的形式，在變質、風化、地震等作用的影響下會出現各式各樣的結構面，所以相關人員應該深入研究在各種力學狀態下的巖體結構面。在正常情況下，若是軟弱結構面是以單一形式存在，并不會對掌子面穩定性產生嚴重影響，只有在存在多種不良結構面時才會對掌子面的穩定性產生嚴重影響。

2.1.2 初始應力狀態

初始應力就是巖石在天然條件下擁有的內在應力，是構造運動在巖體中的應力殘留，也被叫做殘余應力、天然應力，同時其作為基本作用力在隧道初始應力狀態中存在，繼而為研究隧道掌子面穩定性提供支持[4]。地質構造狀態不但會釋放大部分應力擾亂初始應力，還會對巖體變形模量和強度產生影響，導致巖體力學機制受到破壞。在增加地應力過程中，會提升巖體的變形模量和強度，在破碎巖體中同樣如此。所以，初始應力狀態會在一定程度上影響隧道掌子面穩定性。

2.1.3 地下水狀態

地下水活動不但會對巖體的強度和應力狀態產生影響，也會在嚴重影響隧道掌子面的穩定性，結合相關工程實踐可知，當存在地下水時會降低隧道掌子面巖石的級別，并且會在很多方面影響隧道穩定性，需要施工人員在相關地段采取有針對性的支護措施。在掌子面的地下水擁有潮濕、滲水、干燥3種狀態，在隧道施工過程中，巖體就算存在于軟弱破碎的不良地質，只要掌子面圍巖的狀態為干燥，這種不良地質也不能在很大程度上影響圍巖穩定性，并且處理相關問題的難度也較低。相反，若是掌子面巖石的狀態為滲水或者潮濕，地下水的動水壓力和靜水壓力也會對掌子面的穩定性產生影響[5]。當存在靜水壓力后軟弱結構也會在更大程度上影響掌子面的穩定性，會使掌子面出現滑落和坍塌的概率提升，同時當襯砌受到靜水壓力作用時，將會提升襯砌的額外荷載。所以，相關人員在開展襯砌和支護工作的過程中必須充分考慮靜水壓力的不利影響，這種情況會導致設計成本和設計難度提升。動水壓力又被叫做滲透力，在水處于流動狀態時會受到土體的阻力作用，同時也會帶走一部分土體，在這個過程中會有一個拖曳力施加在土體骨架上，從而使土體有變形的情況發生。動水壓力不但會導致巖體裂隙間的膠結物質受到沖刷，還會推動巖體移動，能夠在一定程度上增加掌子面的破壞程度。

除動水壓力和靜水壓力外，地下水的溶蝕、軟化等作用也會在一定程度上影響巖石，在斷層破碎帶中會降低掌子面巖體強度。在開挖隧道時，地下水可能出現土體浸水泥化、巖塊下滑等情況，這些問題會降低開挖后掌子面的穩定性，從而影響正常施工和隧道整體安全。相關學者的研究成果證實，在隧道掌子面穩定性受到地下水的影響方面幾乎都是不利影響，如在以無水石膏、膨脹巖為主的圍巖中，地下水會與這些巖石產生反應，將會提升地層壓力；在以千枚巖、泥頁巖為主的軟弱圍巖中，地下水流動會降低巖層硬度，從而使隧道洞身形狀發生改變。

2.2 外部因素

2.2.1 工程因素

相關人員開展施工時，應該與隧道掌子面穩定性的實際情況相結合使用合理的施工工藝，若是隧道掌子面擁有較差穩定性，利用臺階法施工，必要時也可以按照正確的施工順序開展分步開挖，特別是在斷層破碎帶開展隧道工程時也應該合理利用分布臺階法的施工方法。在支護形式方面，噴錨支護是較為常見的隧道工程支護方法，能夠使掌子面卸荷的變形減緩，使掌子面的穩定性提升[6]。在設計工作中選擇隧道斷面尺寸和形狀是非常重要的工作，通過分析實際工程情況可知，在擁有相同隧道掌子面的情況下，在不斷提升跨度的過程中隧道橫截面也會切割出越來越多的結構面，在這個過程中穩定性較差的巖塊會增多，會在一定程度上提升巖體破碎程度，從而降低隧道掌子面的穩定性，使隧道施工安全受到影響。

2.2.2 時間因素

隧道掌子面的破壞和失穩需要經過一定的時間才能夠得到展現，其中主要體現在以下兩個方面：一是巖體的流變性質，在不改變巖體應力狀態時掌子面的變形，或者是在時間越來越長的過程中，在變形約束的作用下不斷降低巖體的應力和強度。在巖體中泥巖和黏土質巖石等存在明顯的流變性質，并且在節理裂隙的影響下堅硬的火成巖也會有流變的現象出現。二是掌子面弱化，隨著時間不斷流逝，受到隧道開挖后地下水、濕度、溫度等因素的影響，再加上施工時因為爆破沖擊產生的振動都會導致掌子面的強度和剛度降低，會在一定程度上擴大破碎區的范圍，提升巖體變形程度，對隧道掌子面的穩定性不利。

總之，有很多因素能夠對隧道掌子面的穩定性產生影響，其中最主要的因素就是掌子面的地下水狀態、初始應力狀態及結構狀態，特別是在斷層破碎帶區域。有時上述各種因素可能并不是以單一的形式出現，而是共同存在，在這種情況下將加劇影響程度[7]。所以，研究影響隧道掌子面穩定性的因素是非常有必要的，在滿足相關條件的基礎上應該盡量使各種因素形成相互影響和制約的局面，增加有利影響，限制不利影響，以此有效改善隧道掌子面穩定性。

3 隧道掌子面失穩的表現和支護注意事項

3.1 隧道掌子面失穩表現

對國內外地下巷道、隧道掌子面失穩的實際案例進行分析，可以得出以下結論，失穩隧道掌子面的巖性條件大多存在較低抗壓強度，其中軟弱圍巖非常常見，它們大多屬于公路隧道評價標準中的Ⅴ級及以下等級的圍巖[8]。并且當掌子面穩定性喪失后，在較短時間內還會出現大變形現象，致使嚴重的塌陷和裂縫在地表產生、拱頂下沉速度提升等。

3.2 支護注意事項

在破碎帶和土砂圍巖中，提升掌子面穩定性具有非常重要的作用。在斷層破碎帶開展預加固工作時應該合理使用超前小導管的支護措施，借助此種措施能夠使隧道前方巖體和超前注漿小導管形成一個成體，能夠使掌子面松弛變形的情況得到抑制，從而提升施工作業安全性和掌子面穩定性。在實際開展施工時應該注意以下問題：一是確定超前小導管參數。在此過程中應該充分考慮隧道掌子面地質情況，然后與施工要求和設計要求相結合，確定超前小導管參數。在正常情況下，施工人員在布置超前小導管時應該將其布置在隧道輪廓線120°范圍內，確定高于上臺階高度2 m的小導管長度；選擇25～50 mm的小導管直徑；保持10°以下的外插角；0．5～1．5 MPa的注漿壓力；0．3～0．5 m的漿液擴散半徑；300～100 L/min的注漿速度；小導管應該保持1～2 m的搭接長度。二是超前錨桿。在使用過程中主要用于擁有較少地下水、較差穩定性及較小應力的掌子面，在開展這種隧道工程施工時，除了盡量減少圍巖擾動，還應該借助超前錨桿完成臨時支護掌子面的工作。在使用這種支護方式時，相關人員需要沿著開挖隧道的輪廓線完成超前錨桿布設，在布設時保持6°～12°的外插腳，將錨桿安裝在開挖面，至此支護施工順利完成。三是超前大管棚。在斷層破碎帶擁有較長的長度時，開展超前小導管施工的施工工序也會增加，會導致施工進度延緩，當開展支護施工時可以使用超前大管棚的方法。由于在隧道施工中管棚需要保持3 m以上縱向搭接長度，所以在管棚加固長度和隧道開挖掌子面之間應該保持安全距離[9]。四是帷幕注漿。小導管注漿和超前管棚由于圍巖和設備會影響帷幕注漿加固范圍，雖然能夠使圍巖的承載力得到增強，但是這種支護方式會存在較長的施工時間。在擁有較高含水量的軟巖破碎帶，難以充分發揮帷幕注漿法的作用，所以在這種區域，應該在不改變施工方案的基礎上，注重圍巖自承能力的提升，可以對深孔預注漿措施進行合理利用。五是徑向注漿施工。在開展隧道施工時，若是發現有呈破碎狀態或者滲水滴水的情況在掌子面出現時，應該采取注漿的方式加固洞身徑向小導管，使掌子面和圍巖的穩定性得到提升，從而有效避免掌子面有失穩現象出現[10]。在這個過程中施工人員需要與施工圖紙和圍巖特性相結合對注漿施工的參數進行合理調整。

4 分析穿越斷層破碎帶時隧道掌子面穩定性

4.1 3DEC計算原理

3DEC是基于二維離散元軟件UDEC優化而來的。離散單元法的計算原理是以牛頓第二定律為基礎，假設巖石在經過節理裂隙切割后為剛體，與整個巖體的節理裂隙相結合巖石塊體為互相鑲嵌排列，每個巖塊在空間中都為平衡狀態且擁有獨特的位置。在改變位移約束條件或外力時，在外力和自重的影響下塊體將有轉動和移動的情況產生，則會改變塊體的空間位置，在這個過程中也會改變相鄰塊體的位置和受力，嚴重時還會致使塊體重疊。隨著時間延續或約束條件變化或外力變化，位置發生變化的塊體將越來越多，完成各個塊體轉動和移動的模擬，甚至能夠完成巖體損壞情景的模擬。

4.2 數值模擬分析

4.2.1 計算模型構建

數值模型確定以下的規模參數范圍：Z=70 m，Y=62 m、X=72 m。同時，數值模型的寬度使用X表示，數值模型的縱向用Y表示，數值模型的高度用Z表示。斷層大約擁有10 m的寬度、0°的傾向、60°的傾角。使用C30等級的混凝土完成襯砌施工，整體擁有0．4 m的厚度。另外，整個隧道擁有34．5 m的平均深程。

4.2.2 材料的參照系數選擇

在開展計算數值模型的工作時，相關工作人員選擇為Ⅴ級等級的圍巖，同時選擇1/4的Ⅴ級圍巖作為斷層材料參照系數，利用摩爾-庫倫模型作為巖塊塊體的模型。在這個過程中，通過如下兩個公式表示材料的剪切模量G和材料的體積模量K：

在以上公式中，圍巖的彈性模量用E表示，泊松比用v表示。

最終在本次研究中使用表1所示的材料參照系數。

表1 材料的參照系數

4.3 分析數值模型計算結果

4.3.1 分析初始地應力狀態

在獲取隧道挖掘數值的過程中分析初始地應力狀態非常重要，在對地應力狀態進行判斷時，首先應該保證最初的位移和最初地應力應該擁有為0的取值，而當擁有34．5 m左右的埋深時，在不斷提升地層深度數值的過程中，也會不斷提升地應力，這能夠使實際的發展規律得到滿足。而在正式挖掘前擁有取值為0的豎向位移，同樣能夠使計算的標準要求得到滿足。

4.3.2 分析掌子面開挖時的位移情況

分析相關的斷面位移云圖可知，在斷層區，在接近隧道中心位置的地點會出現最大的掌子面突出位移，并且出現位置大部分為與斷層交接的位置。

4.3.3 對比斷面開挖處掌子面位移情況

監測點設置在斷面10 m、24 m、30 m、34 m、40 m、50 m處，然后記錄數據與分析監測點位移變化情況，最終結果如下：①在真正進入斷層前，也就是y取值為0～24時，掌子面擁有較為相似的變化規律，其中在隧道斷面中心的位置會出現最為明顯的位移。所以在作業過程中，應該盡量對預留核心土開挖施工手段進行合理利用，可以大幅度縮減掌子面位移程度，從而使工程變得更加穩定。②在斷層位置，也就是y取值為24～34時，隧道掌子面會出現非常明顯的位移，在斷面為24 m時為最大值。同時，分析研究結果還發現，在相關人員不斷推進隧道開挖進程時，會逐漸減少破碎地帶開挖土量，在這個過程中也會漸漸降低斷面監測點變形程度。所以，在不斷推進隧道縱向開挖進程的過程中，會不斷縮小各斷面掌子面相對應監測點位移情況。但是，由于可能出現傾斜斷面，導致各個掌子面和斷層交接的位置大多為掌子面的脆弱位置，將會不斷降低位移程度。由此可知，在施工的過程中，當工作人員需要處理斷層破碎帶問題時，首先應該對掌子面的穩定性開展綜合考量，特別是需要充分重視掌子面和斷層交接位置的穩定性。③在穿越斷層后，也就是y取值為34～60時，與斷層前的掌子面監測點位移相比，斷層后位移擁有相似性，在隧道斷面的中心位置存在最突出的位移情況。

5 結語

綜上所述，在本次研究中借助數值模擬研究了穿越斷層破碎帶時掌子面穩定性的問題，最終得出了以下結論：①在沒有處于斷層區時，在斷面的中心位置會發生最明顯的位移情況，并且在不斷推進開挖工作的過程中，與先開挖的掌子面相比，后開挖的掌子面明顯擁有更大的位移。當擁有較弱的圍巖強度時，在開展施工前應該利用合理的施工方法開展加固工作，如打錨桿、超前小導管等。②在處于斷層區時，在斷層與掌子面的交接位置會出現最明顯的掌子面位移，并且相對來說擁有較大的位移值，正常情況下與斷層區外相比會擁有高出1．5～4倍的位移值，需要相關人員充分重視，合理利用錨桿、超前支護等措施，能夠為施工安全提供有效保障。