地铁隧道穿越断层带围岩变形特征研究

资斌全，晁春波，孟建宇

(中铁隆工程集团有限公司，成都 610000）

1 引言

围岩稳定性是一个相对概念，主要研究围岩应力与变形及围岩强度之间的关系[1]。而围岩不稳定表现为围岩破坏或产生过大变形，如出现不应有的顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂等[2]。由于隧道工程围岩状况的复杂性和特殊性，国内外学者对围岩稳定性问题进行了大量研究。李育枢[3]利用FLAC 有限差分软件对某山岭隧道在地震作用下的动力响应进行了研究。王峥峥[4]对汶川地震后山岭隧道震害资料的收集，结合数值计算分析了穿越断层破碎带的隧道结构非线性损伤，并研究了抗减震措施的作用。崔光耀等[5]根据汶川地震后的资料利用数值计算方法分析了隧道结构的动力响应。Lin 等[6]通过模型试验研究了断层错动对隧道围岩的破坏。李健等[7]基于云模型评价了围岩稳定性的模糊性和随机性并得到可靠结果。

本文以乌鲁木齐地铁1 号线过断层破碎带隧道区间为研究背景，通过分析影响围岩稳定性的因素，结合弹塑性理论，分析隧道围岩破坏特征。在此基础上利用数值模拟工具并设置对照试验，进一步分析过断层带隧道围岩应力应变特征，以及断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响。

2 研究背景

乌鲁木齐市地铁已经开工建设的有1 号线、2 号线1 期工程。乌鲁木齐轨道交通1 号线为主城南北向骨干线、全网的基线，规划线路全长44.4 km。乌鲁木齐市地形起伏较大，地势南高北低，东高西低，平均海拔800 m，其轮廓大致可概括为东、南、西三面环山，北部为倾斜平原及沙漠。同时由于位于博格达弧形隆起带和准噶尔盆地南缘乌鲁木齐山前凹陷的结合部位，在结合部位的边缘凹陷中沉积有巨厚的中、新生代地层，受海西运动以来历次构造运动的影响，形成了一系列轴向北东—南西的褶皱和断裂。与地铁1 号线相交的断裂主要为雅玛里克山断裂带和碗窑断裂。

3 对照实验分析

基于地铁隧道围岩破坏理论基础和地铁隧道围岩稳定性影响因素的分析，对地铁隧道围岩稳定性评价指标进行研究。利用FLAC3D 有限差分软件对地铁隧道穿越断层带进行建模计算作为试验组，并且利用软件内置FISH 语言编程获得相关的塑性区数据。设置对照试验，与穿越断层带并施加支护情况下的地铁隧道围岩稳定性进行对比分析，主要试验条件见对照试验表1。

表1 对照实验表

4 地铁隧道穿越断层破碎带围岩变形特征研究

4.1 地铁隧道穿越断层带无支护数值模拟分析

对地铁隧道穿越断层带进行数值模拟分析，此次考虑开挖后岩土体自身具有一定的承载能力，不施加衬砌支护，即分析在无支护力作用下地铁隧道围岩稳定性，作为对照组试验，除不施加支护外，其他所有条件与施加支护的穿越断层带试验组模型完全一致。对此对照组计算结果进行分析，作为后续研究的对比分析基础。

4.1.1 数值模型建立

根据收集到的乌鲁木齐地铁1 号线的工程地质资料和施工资料，本次模型取隧道开挖断面为圆形，直径为10 m，隧道埋深沿轴线不变，取轴线埋深为18 m。考虑边界效应影响，根据已有研究取模型尺寸为50 m×40 m×180 m（水平×竖直×纵向,分别对应x 轴方向、z 轴方向和y 轴方向）。考虑计算精度和计算效率，对隧洞开挖部分周围单元体网格划分较密，网格尺寸较小，在此之外单元体网格尺寸较大，排列较疏。地铁隧道正交穿过断层带，断层倾角取45°，断层带中破碎带长度为10 m，断层用FLAC3D 中的接触面单元模拟。

4.1.2 无支护断层带地铁隧道围岩变形规律分析

对隧道穿越断层带不加支护情况下围岩变形进行分析。将模型沿yz 面切分，对沿隧道轴线方向上围岩变形规律进行分析。模型切分后可以看到沿隧道轴线方向上围岩发生位移的情况。

对隧道穿越断层不加支护情况下，隧道开挖后围岩发生塑性变形的区域进行分析，隧道轴线方向上塑性区分布如图1 所示。图1 是沿yz 面切分模型后看到的塑性区分布，其中深色部分代表发生塑性变形的区域，可以发现塑性变形由隧洞壁开始发展，在断层破碎带区沿轴向方向上都有分布，塑性带范围内的隧道洞壁上，塑性区分布面积更大，可以认为这一范围内隧道围岩稳定性更差。同时可以发现，在没有衬砌支护的情况下，隧洞壁上直接出现围岩塑性区，这部分围岩处于破坏的边缘或者已经破坏，在实际工程中是不安全的，因此及时施加支护是工程中的必要措施，此次分析出于研究目的未进行施加衬砌支护，计算结果可以收敛也是通过控制开挖卸荷后的地应力释放率实现的，与实际相比是比较理想的情况。

图1 隧道轴线方向上塑性区分布图

4.2 地铁隧道穿越断层带有支护数值模拟分析

4.2.1 数值模型建立

此次数值模型，取隧道开挖断面为圆形，直径为10 m，隧道埋深沿轴线不变取轴线埋深为18 m。考虑边界效应影响，根据已有研究取模型尺寸为50 m×40 m×180 m（水平×竖直×纵向，分别对应x 轴方向、z 轴方向和y 轴方向）。其他条件与前者相同。同时，在隧道开挖后及时施加衬砌支护结构，部分衬砌结构示意图见图2。

图2 部分衬砌结构示意图

4.2.2 有支护断层带地铁隧道围岩变形规律分析

对隧道穿越断层带不加支护情况下围岩变形进行分析。此次主要分析断层带存在的影响，将模型沿yz 面切分，模型切分后可以看到沿隧道轴线方向上围岩发生位移的情况，竖直方向（z 轴方向）围岩位移见图3。

图3 竖向位移云图

对隧道穿越断层并施加支护的情况下，隧道开挖后围岩的竖向位移进行分析。整体而言，隧道变形表现为拱顶下沉和拱底隆起，这与隧道开挖后卸荷效应产生的结果相一致，岩土体开挖部分的缺失导致开挖部分对拱顶的支撑作用消失，开挖部分对拱底的压力消除，最终体现为竖直方向上向隧洞中心收敛。

5 结论

地铁隧道作为大型地下工程项目，具有隐蔽性，存在着大量不确定性风险因素。对各类隧道穿越地质情况分析可以发现，几乎所有的隧道都会穿越地质不良地段，其中穿过断层带所受危害最严重，断层影响区内工程地质情况复杂，问题多种多样，容易导致工程岩体失稳，产生巨大的破坏。本文结合乌市地铁1 号线，通过设置对照实验，得出结论如下：

断层破碎带的存在会导致其影响范围内围岩稳定性评价指标大于其影响范围以外区域围岩的稳定性评价指标，即导致在断层影响带范围内的隧道围岩稳定性降低。

施加支护后，围岩稳定性评价指标在断层带影响范围内变化幅度要远远小于不施加支护的情况，施加支护对于限制开挖后围岩的塑性变形有极其重要的作用。支护作用对围岩稳定性的影响要大于断层带不良地质条件的影响。