隧道开挖不同断层倾角对围岩扰动以及初支结构内力的影响

康海波， 万志强， 赵刚应, 张 乾

(1. 四川公路桥梁建设集团有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020; 2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；3. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

随着我国交通建设的高速发展，桥隧比逐年升高。为了满足运营需求，隧道长度也不断增加，尤其在地质条件复杂的西南山区，长大隧道在设计、施工过程中不可避免地需要穿过断层破碎带。断层破碎带的出现意味着围岩地质条件变差，是导致隧道产生塌方的重要因素，一旦塌方产生，会严重威胁现场施工人员的生命安全，同时造成机械设备毁坏、工程费用增加、工期延误等。在施工过程中，如何安全地穿越断层破碎带地段并且保证支护结构的安全与稳定是当前研究的热点问题。

针对断层破碎带地段洞室施工支护结构受力以及围岩变形问题，海内外学者为此进行大量研究。Jeon等[1]通过数值模拟和模型试验的方法，研究断层存在对隧道围岩变形的影响，从数值模拟结果上论证了断层的存在导致围岩变形量增加；Anastasopoulos等[2]结合实际公路隧道，采用数值模拟的方法，研究断层位于隧道不同位置时，隧道围岩变形以及围岩应力的变化规律，得出围岩应力分布受断层的影响，隧道围岩变形破坏部位随着断层位置的改变而改变；万飞等[3]依托关角隧道工程，采用数值模拟和现场测试的方法，在对原支护设计方案结构位移以及结构受力的监测，提出F2-1断层破碎带地段隧道施工优化方案，利用数值模拟验证该方案的可行性，并且通过现场实施与现场监测得以反馈，改进方案效果显著；刘恺[4]采用数值模拟，研究断层倾角、断层宽度以及不同围岩情况对隧道结构变形以及支护结构内力的影响；李文华等[5]结合实际隧道，通过数值模拟，研究断层倾角以及断层到隧道距离的改变对隧道围岩变形的影响，可得：围岩变形量随着隧道于断层距离的减小而增加；断层上盘围岩监测点竖向收敛变形量随着断层倾角的增加，先减小然后增加，断层下盘围岩监测点的围岩变形量，随着断层倾角的增加，先增大后减小；蒋建平等[6]研究当隧道在断层下盘开挖时，断层倾角β对隧道围岩变形和围岩应力的影响。黎盼[7]通过数值模拟分析断层倾角为45 °、60 °、75 °时，围岩拱顶及仰拱竖向位移、围岩受力及支护受力情况；李达[8]通过Flac3D，建立不同断层倾角的计算模型，研究隧道随着断层倾角的改变，二次衬砌的受力情况；唐晓杰等[9]通过Flac3D数值模拟，指出大跨地铁隧道穿越断层变形控制的关键部位是围岩与断层相交的拱顶和拱腰处。

以上研究主要集中在实际工程中断层隧道随着开挖的影响，围岩变形以及支护结构受力特征，对于系统对比研究断层倾角对隧道施工过程围岩变形以及初期支护结构受力特征相对较少。本文结合宝鼎2号隧道工程，采用数值模拟的方法，对比研究随着断层倾角的改变，对围岩变形以及初期支护结构受力的影响。

1 工程概况

宝鼎2号隧道进口端与出口端分别位于前进镇田堡村坪子湾组和太平乡大坝村大坝组。隧道设计为双向分离式越岭隧道，左洞进、出口桩号：ZK14+535～ZK23+310，全长8 775m，设计路面标高1 386.80～1 492.32m，右洞进、出口桩号：K14+560～K23+322，全长8 762m，设计路面标高1 386.57～1 492.32m，隧道最大埋深约647m。隧址如图1所示。

图1 宝鼎2号隧道位置

隧址区总体属低中山—中山区构造剥蚀地貌，本文以隧道右线K19+700～K19+781段为研究工况，研究区段位于三叠系上统大荞地组地层，隧址区在该地层受构造作用强烈，该层内断裂及背、向斜皆较为发育。隧道右线K19+700～K19+781段隧道穿越F9大断层(图2)。在该区段内，采用一次全断面法开挖，支护型式复合式衬砌。初期支护为喷射24cm厚的C20混凝土和纵向间距每0.6m一榀的I18工字钢钢架，二次衬砌为模注50cm的C30钢筋混凝土。

图2 F9断层现场出露

2 数值模拟

2.1 计算模型

依据现场工程实际建立Flac3D数值计算模型(图3)，为弱化边界效应对计算结果的影响，模型在水平向取80m(x方向)，纵向取81m(y方向)，垂直向取80m(z方向)，为简化计算模型，在模型顶部施加应力模拟隧道模型上部土体自重。

图3 计算模型

2.2 计算参数

数值计算过程中，围岩按弹塑性模型考虑，采用摩尔-库伦屈服准则，岩土体物理力学参数根据现场土工试验和经验类比确定。初支喷射混凝土通过shell单元模拟，钢拱架通过等效刚度法折算到喷射混凝土中[10]，二衬采用实体单元模拟，为弹性本构。最终确定的岩土体及支护结构力学参数见表1。

表1 模型计算参数

2.3 计算工况

为研究在隧道施工过程中，穿过不同断层倾角初支受力特征，建立三种不同的计算模型，分别对应三种不同的工况，如图4所示。三种计算模型，断层宽度均为4m，断层走向与隧道轴线的夹角均为90 °，断层倾角依次为50 °、70 °以及90 °。

图4 不同工况计算模型

2.4 模拟方法

模型初始地应力状态在设置模型边界条件之后，通过Solve命令进行初始应力平衡计算获得，模型生成初始地应力之后，依据宝鼎2号隧道实际开挖工法，通过Null命令实现计算模型的全断面开挖；一次掘进进尺为3m；初支一次施作长度为3m；二衬滞后掌子面36m，二衬一次模注长度为12m。

2.5 计算结果与分析

为分析隧道开挖过程中，穿越不同倾角断层段围岩的位移以及支护结构内力变化规律，分别在三个不同模型，纵向长度为40.5m断层段围岩以及初支的拱顶，两侧拱肩、两侧边墙、两侧拱脚和仰拱处布置8个测点，如图5所示。

图5 监测点布置示意

2.5.1 围岩位移

表2为三种不同工况的围岩各测点变形位移值，提取三种工况的z方向的位移云图见图6(a)～图6(c)以及x方向的位移云图见图6(d)～图6(f)，对比分析三种工况围岩位移规律。

表2 监测点位移值 mm

图6 不同断层倾角围岩z方向及x方向位移云图

由表2及图6可知：

(1)随着隧道的掘进，不同工况下围岩的拱顶位移随着断层倾角的增加而略微减小，断层倾角为50 °时，围岩拱顶位移最大，为11mm；断层倾角为90 °时，围岩拱顶位移最小，为9.5mm。

(2)与拱顶沉降相比，断层倾角对边墙收敛位移的影响较大，随着隧道的掘进，两侧边墙处围岩水平收敛位移值相等。断层倾角为50 °时，边墙处围岩水平收敛位移值为13.1mm；倾角为70 °时，边墙处围岩水平收敛位移值为9.6mm；断层直立时，边墙处围岩水平收敛位移值为8.6mm。

(3)隧道穿过不同倾角的断层，仰拱隆起位移均大于拱顶沉降位移，且随着断层倾角的增加，仰拱隆起位移有小幅度的降低。

2.5.2 初期支护结构内力

2.5.2.1 轴力

三个不同工况下，初期支护结构轴力分布图见图7。图中：正值为受拉，负值为受压，由图7可知：隧道穿过不同倾角断层段围岩，初期支护轴力分布较为均匀，其中三种不同工况，初期支护边墙处轴力均大于其他部位，是施工过程中的薄弱部位，在施工过程中需要重点关注，拱肩与拱脚轴力较小，拱顶轴力最小。不同倾角断层段围岩初期支护所受得轴力均为压力；随着断层倾角的增加，初期支护各个部位监测点的轴力相应减小，以拱顶监测点为例，断层倾角为50 °时，拱顶处初支轴力为1 500kN，倾角为70 °时，拱顶处初支轴力为1 180kN，倾角为90 °时，拱顶处初支轴力为916kN，断层倾角对初期支护拱顶以及仰拱处轴力影响较大，边墙处轴力受倾角影响最小。

图7 不同工况下初支轴力分布(单位:kN)

2.5.2.2 弯矩

不同工况下初期支护的弯矩分布见图8，可知：随着开挖的进行，不同倾角断层段围岩，初期支护弯矩分布较为均匀。当断层倾角为50 °和70 °时，最大弯矩位于初期支护结构的相同位置，断层倾角为50 °时，最大弯矩位于仰拱处为16.42kN·m；断层倾角为70 °时，最大弯矩也位于初支仰拱处，其值为13.3kN·m；而断层倾角为90 °时，最大弯矩出现在初支拱脚位置，其值为12.04kN·m。且随着断层倾角的增加，初期支护结构各个监测点的弯矩相应减小。

图8 不同工况下初支弯矩分布(单位:kN·m)

2.5.3 塑性区分析

隧道穿过不同倾角的断层，围岩塑性区分布见图9。随着隧道的开挖，隧道洞周均出现剪切破坏塑性区，正常围岩隧道剪切破坏塑性区分布范围达到4m，与正常围岩隧道塑性区相比，断层隧道剪切破坏塑性区面积明显较大，原因是断层岩体破碎，物理力学性质较差，隧道开挖至断层围岩时，容易发生剪切破坏。且隧道穿过不同倾角断层，塑性区形态随着断层倾角的增加发生明显变化，随着断层倾角的增加拱顶处塑性区面积明显减小，而仰拱处塑性区面积变化较小；与之相反的是，随着断层倾角的增加拱腰处塑性区面积增大。

图9 隧道穿过不同断层倾角围岩塑性区

3 结论

本文结合宝鼎2号公路隧道工程，采用数值模拟，研究隧道穿越不同倾角断层，围岩的变形以及初期支护结构受力特征，得出如下结论：

(1)围岩位移方面，隧道围岩收敛位移随着断层倾角的增加而减小，且边墙处围岩水平收敛位移受断层倾角的影响较大，隧道穿过不同倾角的断层，仰拱处隆起值均大于拱顶处沉降值。

(2)初期支护轴力方面，隧道穿过不同倾角的断层，初支结构轴力分布均匀，且均受压；不同断层倾角下，轴力最大值皆发生在边墙处，在施工过程中需要重点关注。初期支护拱顶以及仰拱处轴力受不同断层倾角的影响较大，而边墙处轴力受断层倾角影响最小，断层倾角的增加会导致各个监测点轴力值减小。

(3)初支结构弯矩方面，三种工况下，初支弯矩分布均匀。90 °断层倾角下，初支弯矩最大值位于初支结构的位置与其他两种工况不同，断层倾角为50 °时，最大弯矩位于初期支护仰拱处；断层倾角为70 °时，最大弯矩也位于初支仰拱处；而断层倾角为90 °时，弯矩最大值位于初支拱脚处。随着断层倾角的增大初支结构弯矩逐渐减小。