斷層破碎帶傾角對隧道圍巖位移的影響研究

田伯科，余 平，王寶東，李金永，王凱樂

(1.中鐵七局集團第三工程有限公司 西安市 710032； 2.中鐵七局集團有限公司 鄭州市 450016；3. 東北大學 資源與土木工程學院 沈陽市 110819)

0 引言

斷層破碎帶是工程中常見的一種不良地質條件，由于破碎帶內巖體一般松散破碎、自穩能力差，容易發生塌方事故[1]。邵勇等[2]通過FLAC3D有限元軟件分析了斷層破碎帶的存在對隧道開挖的影響情況，結果表明：斷層破碎帶處，圍巖位移和應力分布在斷層破碎帶的影響下，都發生了明顯的改變。其中，圍巖變形相比附近區域有明顯增大，豎向應力增大而水平位移減小。劉愷[3]模擬隧道穿越斷層破碎帶不同傾角時在斷層處發生破壞的內部機制，通過對比隧道圍巖和支護結構的位移、應變、塑性區變形和主應力大小來判斷隧道圍巖穩定性，結果表明，隧道圍巖的應力應變最大值和位移最大值均在傾角30°時取得最大，傾角90°時最小。蔣建平等[4]模擬研究改變斷層傾角對圍巖穩定的影響，結果發現，當傾角為53°時，圍巖應力與位移等安全系數開始發生轉折，這個轉折對圍巖穩定、位移、應力有非常大的影響。劉學增等[5-7]通過物理模型試驗，研究隧道在穿越不同斷層傾角的應力應變機理，通過在隧道內部布置儀器監測各點的應變值和壓力值，分析隧道圍巖的縱向應變、環向應變、圍巖壓力和破壞形態，得出了隧道圍巖變形主要發生在斷層錯動區域是由于地層結構和永久變形的共同作用結果。隧道監測的圍巖壓力值、圍巖的變形情況和破壞形態都會受到巖層破碎帶傾角的影響。李文華等[8]通過三維有限元分析研究不同斷層傾角對隧道圍巖穩定性的影響，結果表明斷層破碎帶對隧道圍巖穩定性影響較大，處于斷層破碎帶兩側位置的隧道圍巖位移出現下盤影響很大，上盤影響較小。因此隧道在開挖選線不可避免遇到斷層破碎帶時，應盡量從斷層上盤穿過。

基于控制變量法，對隧道穿越不同斷層破碎帶傾角對隧道圍巖穩定性的影響進行研究。此時，控制斷層傾向始終與隧道開挖方向垂直，斷層厚度保持在15m，斷層傾角則由60°以10°為增量逐漸增加至90°。

1 工程概況

五道嶺隧道位于本溪至集安髙速公路桓仁至集安段，隧道凈寬10.75m，凈高5.0m。隧道走向41°，略具弧形，位于集安市榆林鎮樣子溝村東五道嶺，為分離式長隧道，左幅最大埋深184m，右幅最大埋深180m。

根據地質勘察資料，五道嶺隧道圍巖主要由混合花崗巖組成。巖體的風化具有明顯的地域特征，隧道進口側巖體節理裂隙極發育，結合一般，風化作用劇烈，全風化層一般小于3m，強風化層厚度5～30m，巖體碎裂狀結構，自穩能力差，鉆探擾動后巖芯多呈碎石狀；中風化層巖體，呈塊體結構，巖體較完整，局部節理裂隙較發育，呈碎塊狀鑲嵌結構，巖體中地下水富水性貧乏。據物探和地調成果，五道嶺隧道共有八條不同厚度斷層破碎帶，圍巖處于巖體極破碎、透水性強狀態。

2 數值計算模型的建立

2.1 模型參數選取

根據五道嶺隧道現場勘察結果，并結合現場施工情況，得到的模擬土層和支護結構的物理力學參數如表1所示。

表1 模型物理力學參數

2.2 計算模型建立

通過選取依托工程隧道右洞F7斷層建立三維計算模型，隧道模型長80m、寬50m以及高100m，均為3～5倍洞徑，隧道埋深為70m。建立的三維數值分析模型如圖1所示，該模型共有71236個單元，41671個節點。

圖1 三維計算模型

通過選取四個斷層傾角(斷層厚度統一為15m)：60°、70°、80°、90°進行計算分析。通過分析各種工況下圍巖位移研究不同斷層傾角對圍巖變形影響規律，以此判斷對隧道圍巖穩定性的影響。

3 結果分析

3.1 圍巖豎向(Z方向)位移分析

圖2為隧道每次開挖進尺為1.0m時，不同斷層傾角對應的隧道斷層破碎帶附近區域豎向位移云圖。

圖2 隧道縱剖面豎向位移云圖

由圖2隧道縱剖面豎向位移云圖可以看出，隧道圍巖上部由于自身重力作用而產生向下的變形，圍巖下部由于上覆土體移除而發生了卸荷作用，以至于仰拱四周的巖體向上發生突起。隧道圍巖豎向位移值在斷層破碎帶前后發生了很大的變化，之所以會發生突然增大，主要是由于斷層破碎帶處的巖體相對松散和破碎，隧道在開挖掘進過程中很容易受其影響，導致隧道圍巖在此處豎向位移值較大。當斷層傾角分別為60°、70°、80°和90°時，隧道圍巖拱頂處豎向位移最大值分別為-15.603mm、-12.942mm、-11.555mm、-11.104mm，仰拱處豎向位移最大值分別為20.955mm、16.530mm、14.127mm、13.021mm，由此可知，隨著斷層傾角的不斷增大，隧道圍巖的最大豎向位移絕對值卻逐漸減小。通過分析可知，當斷層傾角由60°增加到70°以及由70°增加至80°時，拱頂沉降分別減小了17.05%和10.72%(仰拱隆起減小了21.12%和14.54%)，當斷層傾角由80°增加至90°時，拱頂沉降最大值卻僅僅減小了3.9%(仰拱隆起僅減小了7.83%)?？梢姡谒淼篱_挖掘進選線時，應盡量以大角度穿越斷層破碎帶。

3.2 圍巖水平(X方向)位移分析

圖3為隧道每次開挖進尺為1.0m時，不同斷層傾角對應的隧道斷層破碎帶附近區域水平位移云圖。

圖3 隧道橫向水平位移云圖

由圖3隧道橫向水平位移云圖可以看出，隧道開挖順利穿過斷層破碎帶后，雖然斷層的傾角不斷增大，但是在斷層破碎帶兩側隧道圍巖周邊收斂值卻大致相同，因此僅對隧道一側水平位移最大值進行對比分析。周邊收斂最大值在斷層破碎帶核心位置處，距離斷層破碎帶越近，圍巖變形越大。可見，在隧道開挖掘進時，斷層破碎帶段是變形控制的重點關注區域。當傾角分別60°、70°、80°和90°時，隧道左側圍巖水平位移依次為8.990mm、6.739mm、5.587mm、4.858mm(隧道右側水平位移依次為-9.144mm、-6.853mm、-5.519mm、-4.609mm)?？梢姡S著斷層傾角的不斷增大，隧道左右兩側圍巖的水平位移值越來越小。因此，在隧道開挖掘進過程中，斷層破碎帶的傾角越大能更好地降低隧道圍巖水平位移值。

4 結論

利用有限元軟件Midas對五道嶺隧道不同斷層傾角引起的隧道圍巖位移進行分析，得到以下結論：

(1)隧道在開挖掘進過程中，隧道圍巖位移受斷層破碎帶影響很大，斷層破碎帶段是圍巖位移控制的關鍵區域，隧道圍巖最大拱頂沉降值和周邊收斂值都在斷層破碎帶處。

(2)通過對斷層破碎帶傾角為60°～90°的數值模擬分析發現，隧道圍巖豎向位移值、水平位移值均隨著斷層破碎帶傾角的增大而減小，在斷層傾角為90°時取得最小值。