破碎帶空間分布對(duì)隧道變形特性的影響

摘 要：以某長(zhǎng)距離引調(diào)水工程中的檢修隧道為例，通過(guò)二維和三維有限元分析，對(duì)不同破碎帶空間位置影響隧道施工變形的規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為隧道襯砌設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。所研究的影響因素包括破碎帶的走向、傾角、寬度、破碎帶到隧道的間距Ｌ、隧道埋深及側(cè)壓力系數(shù)。通過(guò)影響因素的不同組合來(lái)模擬不同的工況，以此獲得隧道開(kāi)挖過(guò)程中拱頂下沉、隧道收斂、仰拱隆起的變化規(guī)律。結(jié)果表明：傾角較小時(shí)拱頂下沉量較大，收斂量較小，而傾角較大時(shí)相反；隧道變形隨Ｌ 的增大而減小，當(dāng)Ｌ＞０．４Ｄ（ Ｄ 為洞徑）時(shí)變形趨于穩(wěn)定；隧道變形隨著埋深的增大而增大；隧道拱頂下沉量隨側(cè)壓力系數(shù)的增大而減小，且傾角越小下沉量越大，而隧道收斂量呈相反趨勢(shì)；相比之下，破碎帶走向與開(kāi)挖方向斜交時(shí)隧道的拱頂下沉、仰拱隆起和收斂量更大。

關(guān)鍵詞：隧道；破碎帶；空間分布；有限元分析；變形；南水北調(diào)后續(xù)工程

中圖分類號(hào)：Ｕ４５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０７．０２５

引用格式：彭軍，馮紅春，岳克棟．破碎帶空間分布對(duì)隧道變形特性的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（７）：１４８－１５３．

在跨流域長(zhǎng)距離的引調(diào)水工程中，受地形條件限制，隧道輸水是主要的輸水方式之一。南水北調(diào)工程涉及長(zhǎng)江、黃河、淮河和海河四大流域，２０２２ 年開(kāi)工的引江補(bǔ)漢工程是南水北調(diào)后續(xù)工程首個(gè)開(kāi)工的項(xiàng)目，其全程采用隧洞輸水，共布設(shè)１１ 條平洞作為檢修隧道，均為馬蹄形布設(shè)，建筑物級(jí)別為２ 級(jí)。檢修隧道斷面大、洞線長(zhǎng)，局部洞段地質(zhì)條件差，且經(jīng)過(guò)多處破碎帶，故研究不同破碎帶空間位置對(duì)隧道施工變形的影響顯得尤為重要，可為隧道后期襯砌設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

破碎帶是隧道修建中常見(jiàn)的不良地質(zhì)體，在這種條件下施工，極易造成隧道塌方和變形，對(duì)工程建設(shè)和構(gòu)筑物安全帶來(lái)極大的威脅。許多學(xué)者為此開(kāi)展了研究：崔嵐等［１］ 對(duì)在破碎帶圍巖條件下利用臺(tái)階法與單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)隧道的圍巖變形和初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行了分析；基于同樣的思路，李文東［２］ 利用有限元軟件對(duì)不同工法施工時(shí)軟弱破碎帶隧道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析；王飛等［３］ 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬試驗(yàn)分析了隧道穿越破碎帶時(shí)拱頂下沉和隧道收斂變形規(guī)律；宋龍斌等［４］ 通過(guò)在隧道斷面埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件對(duì)隧道穿越破碎帶時(shí)圍巖變形與支護(hù)受力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了隧道穿越富水?dāng)鄬悠扑閹r(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形特征。此外，張結(jié)紅等［５］ 對(duì)地鐵隧道以３０°、６０°和９０°三種不同角度穿越地裂縫時(shí)的變形進(jìn)行了有限元分析。胡志平等［６－７］ 分別研究了隧道以４０°和６０°角度斜穿地裂縫時(shí)的變形破壞機(jī)制。朱啟東［８］ 通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元分析，對(duì)盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)以３０°角度斜穿地裂縫時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的變形破壞特征和作用機(jī)理進(jìn)行了分析?？梢钥闯觯瑢?duì)隧道穿越破碎帶的研究涵蓋了有限元模擬不同施工方法對(duì)隧道變形的影響、變形監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)結(jié)合，以及隧道以不同角度穿越地裂縫時(shí)的變形規(guī)律。但在這些研究中，針對(duì)破碎帶特征（如寬度、間距等）和不同應(yīng)力環(huán)境（埋深和側(cè)壓力系數(shù)等）對(duì)隧道變形的影響并未考慮。同時(shí)，這些研究對(duì)隧道不同位置變形的分析也較為薄弱。因此，本文以南水北調(diào)后續(xù)工程引江補(bǔ)漢工程大深度隧道為研究對(duì)象，分析破碎帶的空間特性及幾何條件對(duì)隧道變形特性的影響，利用二維和三維有限元模型對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變形進(jìn)行模擬，得出了不同破碎帶走向和傾角對(duì)隧道變形特性的影響規(guī)律，進(jìn)而分析了側(cè)向壓力系數(shù)和隧道埋深對(duì)變形的影響。