公路隧道穿越斷層帶圍巖變形數值仿真分析

摘要：

為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對隧道圍巖變形的影響，文章以廣西某高速公路隧道為依托，選用FLAC 3D有限差分軟件簡化建模，按三臺階施工方式進行模擬分析，得出結論：在斷層帶傾角從30°變化至90°過程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷減小；在斷層帶寬度從15 m變化至35 m過程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷增大；在斷層帶走向從30°變化至90°過程中，隧道拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值不斷增大。

關鍵詞：斷層帶；公路隧道；圍巖變形；FLAC 3D；數值仿真

中圖分類號：U456.3 A 46 153 3

0 引言

受地形限制，且地質情況復雜、多斷層，公路隧道建設中穿越斷層帶的情況時有發生。故研究斷層帶對隧道圍巖變形的影響至關重要，大量學者對此進行了研究。楊曉芳等［1］研究了復合構造斷層帶在深埋條件下對隧道圍巖變形的影響，分析了各種防護措施的適用性。王東劍［2］以陜西某穿越斷層帶隧道為工程背景，利用FLAC 3D軟件仿真模擬研究了超前小導管在不同加固情況下對隧道圍巖變形的影響并提供了相應的優化方案。馬磊等［3］運用FLAC 3D軟件對云南某隧道斜井裂隙帶的寬度和傾角進行分析，直觀清晰地反映了由于裂隙帶存在造成的圍巖局部失穩和大范圍變形。彭亞雄等［4］通過建立穿越斷層帶隧道力學模型，研究了在斷層帶富水時爆破作用下的圍巖力學性質及失穩特性，其結果與施工現場一致。馮歡歡等［5］基于大瑞高鐵某穿越富水極軟斷層破碎帶隧道工程，研究了TBM掘進機在該工況下施工的關鍵技術。祁文睿等［6］研究了穿越軟弱斷層隧道在施工過程中遇到的塌方突水等問題，依托某實際工程提出了相應的施工方法和圍巖變形監測方案。本文為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對隧道圍巖變形的影響，以廣西某高速公路隧道為原型，選用FLAC 3D有限差分軟件簡化建模，按三臺階方式進行開挖施工模擬。

1 計算模型

利用軟件模擬工程施工的工作方法已得到全面推廣，而FLAC 3D軟件因其嚴密的理論和高精度的計算結果，在隧道工程中大量使用。考慮到FLAC 3D建模比較困難，故選用ANSYS軟件建立網格，然后將其導入FLAC 3D軟件中進行計算。本文以廣西某三臺階法施工的高速公路隧道為原型，研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對隧道圍巖變形的影響，其模型如圖1、圖2所示。該模型為Mohr-Coulomb彈塑性材料，設置模型四周為法向約束，底部為全約束，頂部為自由面。根據實際工程情況設置模型尺寸為120 m×120 m×140 m，隧道埋深為210 m。監測點布置如圖3所示。

因隧道在實際施工過程中，圍巖受力復雜，影響因素眾多，但在仿真分析過程中沒辦法考慮到所有因素，故為簡化計算，作如下設定：（1）設定斷層帶附近巖體為完全彈性體；（2）圍巖材質均勻，為各向同性；（3）初始應力場為巖體的自重作用，邊界應力垂直于隧道邊界；（4）不考慮地下水的作用。體積模量K和剪切模量G可根據式（1）、式（2）換算得到。模型材料參數和支護參數如表1所示。

K=E3（1-2μ）（1）

G=E2（1+μ）（2）

根據斷層帶傾角70°、寬度30 m、走向90°的數據得出該隧道的初始地應力場如圖4所示。

2 工況模擬

2.1 斷層帶傾角的影響

為研究斷層帶傾角對圍巖變形的影響，設置斷層帶傾角分別為30°、45°、60°、70°、90° 5種工況。

仿真計算所得不同斷層帶傾角下隧道拱頂沉降如圖5所示。由圖5可知：不同斷層帶傾角時，隧道拱頂沉降變化規律基本一致。當隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響；隨著拱頂測點逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達到峰值；隨著拱頂測點逐漸遠離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。對比不同傾角斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶傾角從30°變化至90°的過程中，隧道拱頂最大沉降值減速減小，位置逐漸后移，其變化范圍也不斷減小。當傾角為30°時，其拱頂最大沉降值最大，位置最靠前，變化范圍最大；當傾角為90°時，其拱頂最大沉降值最小，位置最靠后，變化范圍最小。

仿真計算所得不同斷層帶傾角下隧道仰拱隆起如圖6所示。由圖6可知：不同斷層帶傾角時，隧道仰拱隆起變化規律基本一致。當隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響，其值保持不變；隨著仰拱測點逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達到峰值；隨著仰拱測點逐漸遠離斷層帶，其隆起值逐漸減小，最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。對比不同傾角斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶傾角從30°變化至90°的過程中，隧道仰拱最大隆起值減速減小，位置逐漸前移，其變化范圍也不斷減小。即當傾角為30°時，其仰拱最大隆起值最大，位置最靠后，變化范圍最大；當傾角為90°時，其仰拱最大隆起值最小，位置最靠前，變化范圍最小。

2.2 斷層帶寬度的影響

為研究斷層帶寬度對圍巖變形的影響，設置斷層帶寬度分別為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m 5種工況。

仿真計算所得不同斷層帶寬度下隧道拱頂沉降如圖7所示。由圖7可知：不同斷層帶寬度時，隧道拱頂沉降變化規律基本一致。隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響；隨著拱頂測點逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達到峰值；隨著拱頂測點逐漸遠離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。對比不同寬度斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，位置逐漸前移。當寬度為15 m時，其拱頂最大沉降值最小，位置最靠后；當寬度為35 m時，其拱頂最大沉降值最大，位置最靠前。所有拱頂測點的沉降值和變化范圍均隨寬度增大而增大。

仿真計算所得不同斷層帶寬度下隧道仰拱隆起如圖8所示。由圖8可知：不同斷層帶寬度時，隧道仰拱隆起變化規律基本一致。隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響；隨著仰拱測點逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達到峰值；隨著仰拱測點逐漸遠離斷層帶，其隆起值逐漸減小，最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。經過斷層帶后的仰拱測點隆起穩定值明顯大于未經過斷層帶的仰拱測點初始隆起穩定值。對比不同寬度斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過程中，隧道仰拱最大隆起值逐漸增大，位置逐漸前移。當寬度為15 m時，其仰拱最大隆起值最小，位置最靠后；當寬度為35 m時，其仰拱最大隆起值最大，位置最靠前。所有仰拱測點的隆起值和變化范圍均隨寬度增大而增大。

2.3 斷層帶走向的影響

為研究斷層帶走向對圍巖變形的影響，設置斷層帶走向分別為30°、45°、60°、75°、90° 5種工況。

仿真計算所得不同斷層帶走向下隧道拱頂沉降如圖9所示。由圖9可知：不同斷層帶走向時，隧道拱頂沉降變化規律基本一致。當隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響；隨著拱頂測點逐漸靠近斷層帶，其沉降值迅速增大直至達到峰值；隨著拱頂測點逐漸遠離斷層帶，其沉降值逐漸減小，最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。對比不同走向斷層帶隧道的拱頂沉降可知，在斷層帶走向從30°變化至90°的過程中，

隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，變化范圍逐漸減小，但斷層帶走向角度越小時，其隧道前后穩定狀態時的沉降值相較于其他越大。當斷層帶走向為30°時，其拱頂最大沉降值最小，變化范圍最大，隧道前后穩定狀態值最大；當斷層帶走向為90°時，其拱頂最大沉降值最大，變化范圍最小，隧道前后穩定狀態值最小。

仿真計算所得不同斷層帶走向下隧道仰拱隆起如圖10所示。由圖10可知：不同的斷層帶走向時，隧道仰拱隆起變化規律基本一致。隧道深度較小時，斷層帶對其幾乎無影響；隨著仰拱測點逐漸靠近斷層帶，其隆起值迅速增大直至達到峰值；隨著仰拱測點逐漸遠離斷層帶，其隆起值逐漸減小；最后逐漸趨于穩定，即不受斷層帶影響。對比不同走向斷層帶隧道的仰拱隆起可知，在斷層帶走向從30°變化至90°的過程中，隧道仰拱最大隆起值逐漸減小，其隧道前后穩定狀態時的沉降值也逐漸減小。當斷層帶走向為30°時，其仰拱最大隆起值最大，變化范圍最大，隧道前后穩定狀態值最大；當斷層帶走向為90°時，其仰拱最大隆起值最小，變化范圍最小，隧道前后穩定狀態值最小。

3 結語

為研究斷層帶傾角、寬度、走向等因素對隧道圍巖變形的影響，本文以廣西某高速公路隧道為原型，對部分影響較小的因素進行簡化后，按三臺階施工方式進行模擬，得到如下結論：

（1）通過對斷層帶不同傾角進行施工模擬可知，不同斷層帶傾角條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規律基本一致。在斷層帶傾角從30°變化至90°的過程中，隧道拱頂最大沉降值減速減小，位置逐漸后移，且變化范圍不斷減小；隧道仰拱最大隆起值減速減小，位置逐漸前移，且變化范圍不斷減小。

（2）通過對斷層帶不同寬度進行施工模擬可知，不同斷層帶寬度條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規律基本一致。在斷層帶寬度從15 m變化至35 m的過程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，位置逐漸前移，且變化范圍不斷增大；隧道仰拱最大隆起值逐漸增大，位置逐漸前移，且變化范圍不斷增大。

（3）通過對斷層帶不同走向進行施工模擬可知，不同斷層帶走向條件下隧道的拱頂最大沉降值和仰拱最大隆起值變化規律基本一致。在斷層帶走向從30°變化至90°的過程中，隧道拱頂最大沉降值逐漸增大，且變化范圍不斷減小；隧道仰拱最大隆起值逐漸減小，且變化范圍不斷減小。斷層帶走向角度越小時，其隧道前后穩定狀態時的拱頂沉降值、仰拱隆起值相較于其他越大。

參考文獻

［1］楊曉芳，李玉倩，吳金剛.某高速深埋隧道斷層構造帶圍巖變形破壞分析與防控［J］.公路交通科技，2022，39（6）：103-110，118.

［2］王東劍.隧道穿越斷層帶圍巖超前小導管預加固措施參數研究［J］.公路，2022，67（6）：395-400.

［3］馬 磊，孫曉冬，吳 金，等.基于FLAC3D的含軟弱裂隙帶隧道圍巖穩定性研究［J］.礦業研究與開發，2022，42（5）：132-138.

［4］彭亞雄，劉廣進，黃智剛，等.穿越富水斷層帶隧道爆破圍巖突變失穩判據研究［J］.中國安全科學學報，2022，32（5）：104-111.

［5］馮歡歡，洪開榮，楊延棟，等.極端復雜地質條件下TBM隧道施工關鍵技術研究及應用［J］.現代隧道技術，2022，59（1）：42-54.

［6］祁文睿，高永濤.公路隧道穿越軟弱破碎圍巖綜合施工及監測技術研究［J］.公路交通科技，2021，38（11）：88-96，105.

收稿日期：2023-01-20