斷層帶綜合地質勘察方法及隧洞圍巖變形模擬研究

呂超，張鵬，何俊瀾，黃俊閣，王盛鑫

(廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530023)

0 引言

隨著我國社會經濟發展，為了滿足不同地域人民對用水的需求，國家大量投資引調水工程。引調水工程中隧洞是常見的形式，但隧洞開挖過程中遇到斷層破碎帶時，常會引起圍巖較大變形，甚至會造成隧洞圍巖失穩、塌方、冒頂等現象。

日本的惠那山隧道(國兆林，1983)、中國的國道317 線鷓鴣山公路隧道(王睿，2003)、烏鞘嶺隧道(卿三惠和黃潤秋，2005；蒲有林，2007)、關角隧道(張旭珍，2011)、蘭渝鐵路兩水隧道(趙福善，2014)、谷竹高速青峰隧道(劉秀芝，2018)、木寨嶺隧道(劉高等，2005；張波，2014；祁賢，2018；韋云等，2018)和深埋軟巖輸水隧洞(王忠昊，2019)等，均遇到了不同程度的圍巖變形失穩、塌方等問題，在穿越斷層破碎帶過程中，復雜不利的地質條件不僅嚴重影響施工工期，提高工程費用，更重要的是若處置不當，很可能會存在嚴重的安全隱患。在隧道掘進過程中，采取及時持續的監測手段，不斷優化隧道結構，并根據斷層帶中的巖體性能進行專門性地支撐和開挖順序設計，能有效預防和減少圍巖變形引發的工程地質問題(Schubert et al.，2006)。因此，準確查明斷層破碎帶的位置及其工程地質特征，并在開挖過程中選擇合理的支護措施和時機以保證隧洞的安全穩定，是隧洞施工中尤為重視的問題。基于實際工程中地質條件的復雜性，多手段結合的勘探方法在地質工作中逐漸廣泛應用，張紹棟等(2020)結合電法勘探中兩種不同的勘察方法，有效地解決了受構造控制的多金屬礦勘查問題，李英賓等(2020)將高密度電阻率法和探地雷達方法應用于泥石流災害的勘察，并取得較好的成果，為相關工程采用綜合手段開展勘察工作提供了技術支撐。同時，保障隧洞工程安全進行需對圍巖力學機制有較深的了解，而現場試驗和室內試驗的局限性，使得模擬手段在此類問題的研究中得到廣泛使用和認可，鐘正強等(2009)、段金成(2017)、唐銳等(2018)等眾多學者采用數值模擬法分析了不同條件下的隧道變形問題，為采用合理的支護結構和控制方法提供了依據。

筆者以廣西桂中治旱工程為背景，詳細介紹了該工程引水隧洞線路上斷層帶的勘察方法與成果，利用有限元模擬軟件分析了隧洞的圍巖穩定性，在此基礎上進一步對圍巖的支護方案及設計方案支護下的施工效果等進行研究。對引調水工程中隧洞開挖遇到斷層破碎帶時，如何解決該復雜工程地質問題有實際的借鑒意義。

1 工程地質環境條件

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區工程位于紅水河流域中下游、著名的桂中旱片區內。灌區主要位于桂中盆地內，部分位于桂中盆地與桂西山地過渡帶，總體地勢西北高東南低，西北部、東南部山峰一般高程分別為600～740 m 和400～550 m。灌區碳酸鹽巖分布廣泛，地貌以峰叢洼地、峰林平原、谷地、殘峰、殘丘平原、巖溶壟崗等巖溶地貌為主。

灌區屬紅水河流域，河谷深切成“V”字型，兩岸巖壁陡峭，河床基巖出露，沿河斷續分布有兩級階地及河漫灘。主要有石炭系、二疊系、三疊系、白堊系等地層，基巖以灰巖、含燧石灰巖、白云巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖為主，局部為硅質巖、砂巖、泥巖等。

灌區總干渠沿紅水河左岸布置，總干渠末端分為北、南干渠。總干渠全長30.3 km，北干渠長56.6 km，南干渠長28.7 km，干渠沿線為其他分干渠。北干渠陳村—六浪段以隧洞為主，全長20.12 km，其中鉆爆法施工段長約3.7 km，城門形斷面，隧洞寬×高為6.37 m×5.94 m；全斷面隧道掘進機(TBM)施工段長16.4 km，圓形斷面，洞徑5.94 m。

本文主要以TBM 施工段發育的F5斷層組為研究對象。F5-1斷層產狀90°∠70°～80°，具有壓扭性，沿著斷層走向斷續出露斷層角礫巖，鈣質膠結，膠結程度較好，破碎帶寬度3～5 m。F5-2斷層產狀90°∠60°，長度大于3 km，具有壓性，洞軸線和斷層相交位置破碎帶寬3～8 m，破碎帶內以角礫巖為主，鈣質膠結，局部呈泥夾石，巖溶發育程度為中等。F5-3斷層產狀為90°∠60°，延伸長度大于3 km。斷層和洞線相交一帶覆蓋層深厚，未見出露，斷層破碎帶寬度15～20 m 左右，破碎帶內以角礫巖為主，鈣質膠結，局部呈泥夾石，巖溶發育程度為中等。

斷層帶與洞軸線相交處隧洞埋深約200 m，圍巖破碎，以鈣質膠結的斷層角礫巖為主，巖體強度較低，且地下水位較高，隧洞開挖勢必會帶來圍巖穩定性問題。本文針對隧洞穿越斷層破碎帶這一工程地質問題，利用多手段詳細開展了工程地質勘察，在準確了解圍巖地質條件的基礎上對隧洞開挖后圍巖的穩定性及支護措施進行研究。

2 斷層帶的綜合勘察與地質評價

研究段落地處合山盆地內，地形平緩，地面高程約117～125 m，圍巖以中厚—薄層狀灰巖為主，部分洞段為鈣質泥巖及含硅質灰巖，局部洞段巖溶比較發育。隧洞沿線地下水比較豐富，地下水位線一般位于洞頂以上60～100 m 之間。為了查明F5斷層帶的發育情況，評價其對隧洞開挖的影響，針對斷層帶進行了綜合勘察，通過地質測繪、物探、鉆探等多種方法查明了該斷層附近隧洞沿線的地質條件，其中勘探鉆孔4 個，物探剖面6 條，具體勘察工作布置可見圖1。

圖1 勘察區地質概況及勘探線布置

2.1 地質測繪工作

首先結合前期勘察資料，對F5斷層帶進行了工程地質測繪工作。調查發現斷層與隧洞軸線相交處北側山上懸崖底連續出露角礫巖，寬度1～3 m，呈淺肉紅色，角礫成分為灰巖，粒徑5～10 cm，鈣質膠結，強風化—弱風化狀態(圖2)。南側山體覆蓋層較厚，零星出露角礫巖，膠結較好。

圖2 地表斷層角礫巖膠結情況

2.2 物探工作

為查明斷層發育情況及隧洞軸線斷層附近巖溶發育情況，在斷層帶附近共布置6 條大地電磁法剖面。其中WT2-WT2′和WT3-WT3′剖面異常帶與F5-2斷層破碎帶位置吻合(圖3)。

圖3 物探成果解釋圖

WT4-WT4′在剖面上高程150～180 m，局部呈低阻閉合狀，縱橫向變化非常明顯，與周圍存在電性差異，存在異常；WT5-WT5′剖面高程20～80 m，等值線深切，局部呈低阻閉合狀，橫向變化非常明顯，與周圍存在電性差異，存在異常。這兩條剖面的異常帶與F5-3斷層破碎帶較為吻合(圖4)。

2.3 鉆探工作

為進一步勘察及驗證物探成果，在斷層附近布置有4 個勘探鉆孔。其中ZK3004、ZK3005 在預測深度范圍內并未打到斷層破碎帶，所以停止鉆探，并未打到隧洞底板以下。ZK3003 鉆孔在預測深度范圍內打到斷層破碎帶，因此鉆孔繼續鉆進到隧洞底板下約10 m，最終孔深180.8 m。ZK3003 鉆孔取芯結果顯示，孔深49.8～68.4 m 段巖體較破碎，采取率低，呈灰—灰黑色。巖芯呈碎塊狀，塊徑一般3～6 cm，局部呈角礫狀。節理裂隙發育，裂隙面微張—張開，充填灰黑色泥碳質，裂隙面起伏粗糙，局部有肉紅色渲染。該段巖芯與野外露頭的斷層帶巖性較為一致，鉆孔內斷層帶段巖芯見圖5。

圖5 鉆孔(ZK3003)中斷層帶巖芯情況

2.4 地質評價

經現場地質測繪、物探及鉆孔取芯等成果綜合分析，斷層F5-1、F5-2及F5-3破碎帶寬度分別為3～5 m、3～8 m 和15～20 m，受褶皺和斷層影響，巖層扭曲巖層產狀變化大，斷層帶內圍巖節理裂隙發育，巖體破碎，裂隙面微張—張開，充填灰黑色泥碳質及巖屑，裂隙面起伏粗糙，有肉紅色渲染，局部為角礫巖，呈鈣質膠結，斷層破碎帶為Ⅴ類圍巖，極不穩定，可能出現塑性變形，需要對圍巖進行加固處理，具體地質條件可見圖6。

圖6 斷層帶地質剖面圖

依據現場地質勘察成果和室內試驗成果，對F5斷層破碎帶處隧洞圍巖的物理力學參數綜合取值見表1。

表1 斷層帶隧洞圍巖物理力學參數建議值

3 圍巖穩定性及支護措施研究

基于以上對斷層破碎帶的勘察結果及巖體質量評價，斷層帶處巖體質量等級劃分為Ⅴ類圍巖，隧洞施工過程中，受開挖卸荷和應力集中的影響，圍巖極不穩定，為保證隧洞施工安全進行，TBM 掘進施工前必須對圍巖進行加固處理，并及時采取合理的支護措施。

本工程提前對斷層破碎帶處的圍巖進行高壓固結灌漿(水泥凈漿)預膠結處理，然后TBM 緩慢掘進，開挖完成后立即對掌子面及洞壁圍巖采取錨噴+型鋼支護等措施，并對5～10 m 范圍內的洞壁圍巖進行高壓固結灌漿處理。支護方案具體設計參數如下:全斷面注漿鋼花管直徑(φ)89 mm，間距(@)500 mm × 8000 mm(環 向× 縱 向)，總 長度(L) ＝15000 mm，外傾角6°；全斷面鋼筋網直徑(φ)8，間距(@)200 mm ×200 mm(兩層)；濕噴纖維砼C25(混凝土強度等級)，厚200 mm；頂拱120°范圍鋼筋排；型號(HW)150 mm ×150 mm，間距(@)450 mm；頂拱270°范圍直徑(φ)18 mm 錨固劑錨桿，環向間距為0.9 m，縱向間距0.45 m，長度1.8 m，相間布置；全斷面固結灌漿直徑(φ)90 mm，間距(@)2000 mm×2000 mm，總長度(L) ＝5000 mm；頂拱中心角120°范圍設排水孔直徑(φ)50 mm，間距(@)3000 mm×3000 mm。

3.1 圍巖穩定性分析

采用有限元分析程序，選取斷層帶附近里程16+215 m 處為典型斷面，對隧洞開挖后在無支護和按設計方案支護兩種工況下圍巖的穩定性進行分析。初始地應力主要為自重應力，最大主應力基本豎向，最小主應力大致沿水平向分布，應力大小與埋深直接相關，且隨埋深增大而增大。在里程16 +215 m 斷面處，隧洞埋深為177.04 m，在巖體自重應力作用下，初始地應力相對較大。在隧洞中心處第一主應力σ1＝4.5165 MPa；第二主應力σ2＝3.1369 MPa；最大剪應力σxy＝0.0114 MPa。

根據前期勘察結果所繪制的地質剖面，建立二維有限元網格模型(圖7)，對隧洞開挖后支護和未支護條件下圍巖的應力狀態、變形特征以及塑性區分布特征進行模擬分析。巖體采用二維4 節點等參實體元及其退化單元模擬，錨桿采用桿單元。此外，還在拱頂和左右兩側拱腰位置設置監測點以獲取圍巖的應力及變形數據。

圖7 里程16 +215 m 剖面處有限元網格劃分圖

由隧洞開挖后支護和未支護條件下圍巖最大主應力分布狀態(圖8)可得，隧洞開挖后，受斷層影響，未支護條件下，由于底板上抬和頂拱下沉，致使圍巖最大主應力在左右兩側洞壁位置明顯集中，左右兩側洞壁處最大主應力顯著高于拱頂和底板。

圖8 圍巖最大主應力等值線圖

拱頂處圍巖最大主應力為6.46 MPa，左右兩側洞壁處圍巖最大主應力分別為11.40 MPa 和11.20 MPa。按原設計方案進行支護加固后，最大主應力集中范圍顯著減小，拱頂處最大主應力為4.06 MPa，左右兩側洞壁處圍巖最大主應力均為4.84 MPa，較未支護條件下，最大主應力值顯著降低。

由圖9 和圖10 可得，隧洞開挖后，在未支護條件下，受斷層破碎帶影響，圍巖水平和豎直方向位移均較大(UX-Z0(cm)、UY-Z0(cm)分別表示圍巖水平和豎直方向的位移)，頂拱沉降為62.15 mm，左右邊墻中部水平位移分別為 45.62 mm 和44.38 mm。采用灌漿等支護措施后，圍巖拱頂沉降以及左右邊墻的侵入變形均得到了有效的控制，頂拱沉降量減小至2.60 mm，而左右邊墻中部水平侵入位移分別減小至1.90 mm 和1.79 mm。

圖9 未支護條件下圍巖位移等值線圖

圖10 支護后圍巖位移等值線圖

圖11 為斷層破碎帶處隧洞開挖后圍巖塑性區分布圖。由圖可得，由于該段埋深較大，地應力相對較高，加之受斷層影響，圍巖破碎，強度較低，隧洞開挖后，未支護條件下，圍巖將產生塑性破壞，拱頂塑性區深度達1.23 m，左右邊墻塑性區深度分別為0.99 m 和1.31 m。經注漿加固等支護后，未見明顯的塑性區。表明按原設計方案進行支護后，圍巖的侵入變形得到了有效的控制。

圖11 圍巖塑性區分布

3.2 支護效果分析

基于數值模擬分析結果可知，受斷層破碎帶的影響，隧洞開挖后在洞頂及左右兩側洞壁產生明顯的應力集中，無支護條件下，拱頂左右兩側洞壁不斷向臨空面產生侵入變形，塑性區不斷向深部擴展，洞周約1 m 范圍內圍巖均產生明顯的塑性變形。

按設計方案對圍巖進行注漿加固后，圍巖整體強度得到了顯著的提高，抗變形能力顯著增強，拱頂沉降以及兩側洞壁的侵入變形均得到了有效的控制。注漿加固后，圍巖整體性提高，未見明顯的塑性區，表明支護后圍巖未產生塑性破壞現象，原支護方案加固效果良好。

目前該斷層帶隧洞段已經開挖和支護完畢，從施工現場來看，提前對斷層帶的圍巖進行高壓固結灌漿預膠結處理，得以保證TBM 正常掘進；后對隧洞圍巖進行錨噴+型鋼支護，與圍巖形成整體共同受力，保證斷層帶隧洞圍巖的穩定性；最后進行全斷面固結灌漿處理，增加了斷層帶隧洞圍巖的安全儲備。施工完畢至今，該段隧洞內壁無開裂或破損情況，設計方案可行，支護效果良好。

4 結論

(1)隧洞施工前，對于斷層破碎帶發育段落，利用現場踏勘、地質測繪結合物探和鉆探等綜合勘察手段，重點查明了不良地質現象發育段落洞身處圍巖的地質條件。并結合室內試驗確定了洞身段圍巖的物理力學參數，為設計支護方案提供基礎資料。

(2)經有限元模擬計算，隧洞開挖后，受斷層破碎帶影響，在洞頂和兩側洞壁應力不斷集中，圍巖塑性區不斷向深部擴展。按設計方案對圍巖進行支護后，圍巖主應力、變形量以及塑性破壞區深度都大幅降低，表明設計方案對隧洞圍巖加固效果明顯。

(3)采用“提前對斷層帶的圍巖進行固結灌漿預膠結處理→對隧洞圍巖進行錨噴+型鋼支護→圍巖全斷面固結灌漿處理”的方案對斷層破碎帶處圍巖進行加固，支護效果良好，方案可行合理。