斷層與隧道相對距離對矩形隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

劉華忠

摘? 要：基于吉蓮高速永蓮隧道工程，運(yùn)用有限元的基本原理，對斷層所在區(qū)域隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，并深度討論斷層與隧道的相對距離以及斷層的傾角對矩形隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，分析總結(jié)斷層附近隧道開挖矩形圍巖應(yīng)力的變化趨勢、隧道沉降的大小、圍巖破壞過程的相關(guān)規(guī)律，為以后類似工程提供理論參考。

關(guān)鍵詞：斷層;矩形隧道;圍巖穩(wěn)定;數(shù)值模擬

Abstract： Based on the Jilian Highway Yonglian Tunnel Project， using the basic principle of Finite Element Analysis， this paper makes a numerical simulation and analysis of the stress strain state of the tunnel surrounding rock in the area where the fault is located， the effect of the relative distance of the fault and the tunnel and the inclination of the fault on the stability of the rectangular tunnel， the change trend of the tunnel excavation rectangular surrounding rock stress， the size of the tunnel settlement， the relevant law of the surrounding rock destruction process， and provides theoretical reference for similar projects.

1 工程概況

吉蓮高速公路永蓮隧道位于江西省蓮花縣、永新縣兩縣交界處，其所在地段地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道一側(cè)育有一條與隧道平行的大斷裂帶F，并衍生數(shù)條小斷層F1、F2等，其中隧道穿過斷層F1，以此階段隧道為基礎(chǔ)，研究斷層與隧道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系。

1.1 地質(zhì)條件

隧道穿越斷層F1階段時圍巖性質(zhì)如表1。

1.2 隧道參數(shù)

青蓮高速永蓮隧道穿過斷層F1段，模擬隧道參數(shù)為：高4.00m、寬8.00m，隧道形狀為矩形。

2 模型構(gòu)建

為了減小邊界效應(yīng)，取隧道所在截面模型的尺寸為100m×30m（y×z），隧道開挖模型截面的底部與模型下邊界距離10.50m，隧道截面的頂部與模型上邊界距離15.50m，模型的x方向為隧道的開挖方向，隧道的縱深為50m。

模擬地段隧道的埋深為800m左右，施加豎向均布荷載以模擬實際隧道所在的地質(zhì)條件，施加的豎向均布荷載大小為？滓zz=21.6MPa，側(cè)壓力系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗值取1.5，？滓xx=？滓yy=1.5？滓zz=32.4MPa，本論文研究對象為逆斷層，在x=0、x=50、y=0、y=100、z=0的面設(shè)置位移邊界條件。隧道的尺寸為8m×4m（長×寬，外接圓的直徑d約為8.94m），采用全斷面開挖的方式，模型的網(wǎng)格劃分如圖1。

2.1 力學(xué)模型

FLAC3D采用拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法進(jìn)行有限差分分析，此次計算采用理想彈塑性模型，Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則。

2.2 開挖方式

FLAC3D軟件利用nullmodel模型進(jìn)行隧道的模擬開挖，其原理是將隧道開挖部分巖體移除，其應(yīng)力自動設(shè)置為0。

3 結(jié)果分析

建立斷層傾角為45°、隧道所在巖層內(nèi)摩擦角為25°時的模型，隧道壁與斷層的距離分別為9m、6m、3m、1m，位置見圖2。

實時記錄隧道頂部的最大豎向位移及應(yīng)力、隧道肩角出的橫向位移及應(yīng)力、隧道腰部橫向應(yīng)力及位移。

3.1 隧道拱頂應(yīng)力影響作用分析見圖3

隧道與斷層的距離3m-4m（約0.335d-0.447d）時，隧道頂部中點的巖體受力狀態(tài)發(fā)生變化，由原先負(fù)值的受壓狀態(tài)改變?yōu)檎档氖芾瓲顟B(tài)，并在2m（約0.225d）左右時達(dá)到峰值，其值大小為21.2kPa。

3.2 隧道拱頂位移影響作用分析見圖4

斷層與隧道距離-隧道頂部中點的位移變化趨勢可以分為穩(wěn)定-緩慢變化-急劇變化幾個階段，斷層與隧道的距離大于7m（約0.783d）時，斷層對隧道開挖而產(chǎn)生圍巖擾動影響較小，其值大小介于25mm-27mm之間。

斷層與隧道的距離在3m-7m（約0.335d-0.783d）時，隧道頂部中點的位移數(shù)值大小在27mm-31mm，比之前在距離大于7m時增幅約15%左右。

在隧道與斷層的距離在1m-3m（0.112d-0.335d）時，其數(shù)值最大時達(dá)到43.18mm，較隧道與斷層距離在大于7m時增幅約66%。

3.3 隧道邊墻應(yīng)力影響作用分析見圖5

斷層與隧道的距離在大于4.5m（約0.5d）時，隧道邊墻受到是拉應(yīng)力，并且隨著斷層與隧道距離的不斷增加而增加，并在9m時趨于穩(wěn)定，其數(shù)值大小在233kPa。在斷層與隧道的距離為4.5m（約0.5d）時，拉應(yīng)力狀態(tài)改變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，并隨著斷層與隧道距離的不斷減小而不斷增加，并在距離為1m（約0.112d）處出現(xiàn)最值，其值大小為171kPa。

3.4 隧道邊墻位移影響作用分析見圖6

隧道邊墻中點的位移變化趨勢有趨于穩(wěn)定-緩慢變化-急劇變化幾個階段。在斷層與隧道的距離相距大于7m時，隧道邊墻中點的位移趨于穩(wěn)定，其數(shù)值在27mm左右浮動。

在斷層與隧道的距離相距4m-7m時，隧道邊墻中點的位移逐漸增加，直至增加到在斷層與隧道距離4m時的32.9mm;在斷層與隧道的距離為0m時出現(xiàn)最大值，其數(shù)值大小為47.1mm。但是隧道邊墻中點的位移關(guān)系曲線在4m處出現(xiàn)滑坡式下降，此時的隧道安全系數(shù)較低。

3.5 隧道肩角應(yīng)力影響作用分析見圖7

在斷層與隧道的距離為9m時，隧道四個角的應(yīng)力大小以右上角的應(yīng)力為最，其次依次左下角、左上角，右下角的應(yīng)力最小;在斷層與隧道的距離是6m時左上角的應(yīng)力最大，其數(shù)值是6.90MPa，其次是右上角、左下角，右下角的應(yīng)力最小;在斷層與隧道的距離是3m時，左下角的應(yīng)力最大，其次是左上角、右下角，右上角的應(yīng)力最小;在斷層與隧道的距離為0m時，隧道右上角的應(yīng)力最大，其次是左下角、右下角，左上角的應(yīng)力最小。

3.6 隧道肩角位移影響作用分析見圖8

隨著斷層與隧道相對距離的不斷增加，斷層對隧道四個角的位移都有增幅，且對隧道左上角的位移增幅最明顯，在斷層與隧道的距離為4m左右時出現(xiàn)驟增趨勢，在隧道施工過程中應(yīng)密切關(guān)注，尤其是角部出現(xiàn)過最大位移的左上角。

4 結(jié)束語

隧道的塑性區(qū)面積在隧道與斷層相對距離為1m（0.111d，d為矩形隧道外接圓直徑）時達(dá)到最大;隧道頂板的應(yīng)力在隧道與斷層相對距離為5m（0.555d）時達(dá)到最大值89.7kPa，隧道頂板的位移在隧道與斷層相對距離為3m（0.333d）時突然減小;邊墻的應(yīng)力在隧道與斷層相對距離為1m（0.111d）時達(dá)到最大值171kPa，邊墻的位移在隧道與斷層相對距離為4m（0.444d）時開始突然減小;四角的最大應(yīng)力位移均位于左上角，左上角的應(yīng)力在隧道與斷層的相對距離為6m（0.666d）時達(dá)到最大值6.90MPa，左上角的位移在隧道與斷層的相對距離為3m（0.333d）時開始突然增加。

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