康海波， 萬志強， 趙剛應(yīng), 張 乾

(1. 四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司公路隧道分公司，四川成都 610020; 2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031；3. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

隨著我國交通建設(shè)的高速發(fā)展，橋隧比逐年升高。為了滿足運營需求，隧道長度也不斷增加，尤其在地質(zhì)條件復(fù)雜的西南山區(qū)，長大隧道在設(shè)計、施工過程中不可避免地需要穿過斷層破碎帶。斷層破碎帶的出現(xiàn)意味著圍巖地質(zhì)條件變差，是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生塌方的重要因素，一旦塌方產(chǎn)生，會嚴重威脅現(xiàn)場施工人員的生命安全，同時造成機械設(shè)備毀壞、工程費用增加、工期延誤等。在施工過程中，如何安全地穿越斷層破碎帶地段并且保證支護結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定是當前研究的熱點問題。

針對斷層破碎帶地段洞室施工支護結(jié)構(gòu)受力以及圍巖變形問題，海內(nèi)外學(xué)者為此進行大量研究。Jeon等[1]通過數(shù)值模擬和模型試驗的方法，研究斷層存在對隧道圍巖變形的影響，從數(shù)值模擬結(jié)果上論證了斷層的存在導(dǎo)致圍巖變形量增加；Anastasopoulos等[2]結(jié)合實際公路隧道，采用數(shù)值模擬的方法，研究斷層位于隧道不同位置時，隧道圍巖變形以及圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律，得出圍巖應(yīng)力分布受斷層的影響，隧道圍巖變形破壞部位隨著斷層位置的改變而改變；萬飛等[3]依托關(guān)角隧道工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試的方法，在對原支護設(shè)計方案結(jié)構(gòu)位移以及結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測，提出F2-1斷層破碎帶地段隧道施工優(yōu)化方案，利用數(shù)值模擬驗證該方案的可行性，并且通過現(xiàn)場實施與現(xiàn)場監(jiān)測得以反饋，改進方案效果顯著；劉愷[4]采用數(shù)值模擬，研究斷層傾角、斷層寬度以及不同圍巖情況對隧道結(jié)構(gòu)變形以及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響；李文華等[5]結(jié)合實際隧道，通過數(shù)值模擬，研究斷層傾角以及斷層到隧道距離的改變對隧道圍巖變形的影響，可得：圍巖變形量隨著隧道于斷層距離的減小而增加；斷層上盤圍巖監(jiān)測點豎向收斂變形量隨著斷層傾角的增加，先減小然后增加，斷層下盤圍巖監(jiān)測點的圍巖變形量，隨著斷層傾角的增加，先增大后減??；蔣建平等[6]研究當隧道在斷層下盤開挖時，斷層傾角β對隧道圍巖變形和圍巖應(yīng)力的影響。黎盼[7]通過數(shù)值模擬分析斷層傾角為45 °、60 °、75 °時，圍巖拱頂及仰拱豎向位移、圍巖受力及支護受力情況；李達[8]通過Flac3D，建立不同斷層傾角的計算模型，研究隧道隨著斷層傾角的改變，二次襯砌的受力情況；唐曉杰等[9]通過Flac3D數(shù)值模擬，指出大跨地鐵隧道穿越斷層變形控制的關(guān)鍵部位是圍巖與斷層相交的拱頂和拱腰處。

以上研究主要集中在實際工程中斷層隧道隨著開挖的影響，圍巖變形以及支護結(jié)構(gòu)受力特征，對于系統(tǒng)對比研究斷層傾角對隧道施工過程圍巖變形以及初期支護結(jié)構(gòu)受力特征相對較少。本文結(jié)合寶鼎2號隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法，對比研究隨著斷層傾角的改變，對圍巖變形以及初期支護結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程概況

寶鼎2號隧道進口端與出口端分別位于前進鎮(zhèn)田堡村坪子灣組和太平鄉(xiāng)大壩村大壩組。隧道設(shè)計為雙向分離式越嶺隧道，左洞進、出口樁號：ZK14+535～ZK23+310，全長8 775m，設(shè)計路面標高1 386.80～1 492.32m，右洞進、出口樁號：K14+560～K23+322，全長8 762m，設(shè)計路面標高1 386.57～1 492.32m，隧道最大埋深約647m。隧址如圖1所示。

圖1 寶鼎2號隧道位置

隧址區(qū)總體屬低中山—中山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌，本文以隧道右線K19+700～K19+781段為研究工況，研究區(qū)段位于三疊系上統(tǒng)大蕎地組地層，隧址區(qū)在該地層受構(gòu)造作用強烈，該層內(nèi)斷裂及背、向斜皆較為發(fā)育。隧道右線K19+700～K19+781段隧道穿越F9大斷層(圖2)。在該區(qū)段內(nèi)，采用一次全斷面法開挖，支護型式復(fù)合式襯砌。初期支護為噴射24cm厚的C20混凝土和縱向間距每0.6m一榀的I18工字鋼鋼架，二次襯砌為模注50cm的C30鋼筋混凝土。

圖2 F9斷層現(xiàn)場出露

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

依據(jù)現(xiàn)場工程實際建立Flac3D數(shù)值計算模型(圖3)，為弱化邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，模型在水平向取80m(x方向)，縱向取81m(y方向)，垂直向取80m(z方向)，為簡化計算模型，在模型頂部施加應(yīng)力模擬隧道模型上部土體自重。

圖3 計算模型

2.2 計算參數(shù)

數(shù)值計算過程中，圍巖按彈塑性模型考慮，采用摩爾-庫倫屈服準則，巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場土工試驗和經(jīng)驗類比確定。初支噴射混凝土通過shell單元模擬，鋼拱架通過等效剛度法折算到噴射混凝土中[10]，二襯采用實體單元模擬，為彈性本構(gòu)。最終確定的巖土體及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

2.3 計算工況

為研究在隧道施工過程中，穿過不同斷層傾角初支受力特征，建立三種不同的計算模型，分別對應(yīng)三種不同的工況，如圖4所示。三種計算模型，斷層寬度均為4m，斷層走向與隧道軸線的夾角均為90 °，斷層傾角依次為50 °、70 °以及90 °。

圖4 不同工況計算模型

2.4 模擬方法

模型初始地應(yīng)力狀態(tài)在設(shè)置模型邊界條件之后，通過Solve命令進行初始應(yīng)力平衡計算獲得，模型生成初始地應(yīng)力之后，依據(jù)寶鼎2號隧道實際開挖工法，通過Null命令實現(xiàn)計算模型的全斷面開挖；一次掘進進尺為3m；初支一次施作長度為3m；二襯滯后掌子面36m，二襯一次模注長度為12m。

2.5 計算結(jié)果與分析

為分析隧道開挖過程中，穿越不同傾角斷層段圍巖的位移以及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，分別在三個不同模型，縱向長度為40.5m斷層段圍巖以及初支的拱頂，兩側(cè)拱肩、兩側(cè)邊墻、兩側(cè)拱腳和仰拱處布置8個測點，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布置示意

2.5.1 圍巖位移

表2為三種不同工況的圍巖各測點變形位移值，提取三種工況的z方向的位移云圖見圖6(a)～圖6(c)以及x方向的位移云圖見圖6(d)～圖6(f)，對比分析三種工況圍巖位移規(guī)律。

表2 監(jiān)測點位移值 mm

圖6 不同斷層傾角圍巖z方向及x方向位移云圖

由表2及圖6可知：

(1)隨著隧道的掘進，不同工況下圍巖的拱頂位移隨著斷層傾角的增加而略微減小，斷層傾角為50 °時，圍巖拱頂位移最大，為11mm；斷層傾角為90 °時，圍巖拱頂位移最小，為9.5mm。

(2)與拱頂沉降相比，斷層傾角對邊墻收斂位移的影響較大，隨著隧道的掘進，兩側(cè)邊墻處圍巖水平收斂位移值相等。斷層傾角為50 °時，邊墻處圍巖水平收斂位移值為13.1mm；傾角為70 °時，邊墻處圍巖水平收斂位移值為9.6mm；斷層直立時，邊墻處圍巖水平收斂位移值為8.6mm。

(3)隧道穿過不同傾角的斷層，仰拱隆起位移均大于拱頂沉降位移，且隨著斷層傾角的增加，仰拱隆起位移有小幅度的降低。

2.5.2 初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.5.2.1 軸力

三個不同工況下，初期支護結(jié)構(gòu)軸力分布圖見圖7。圖中：正值為受拉，負值為受壓，由圖7可知：隧道穿過不同傾角斷層段圍巖，初期支護軸力分布較為均勻，其中三種不同工況，初期支護邊墻處軸力均大于其他部位，是施工過程中的薄弱部位，在施工過程中需要重點關(guān)注，拱肩與拱腳軸力較小，拱頂軸力最小。不同傾角斷層段圍巖初期支護所受得軸力均為壓力；隨著斷層傾角的增加，初期支護各個部位監(jiān)測點的軸力相應(yīng)減小，以拱頂監(jiān)測點為例，斷層傾角為50 °時，拱頂處初支軸力為1 500kN，傾角為70 °時，拱頂處初支軸力為1 180kN，傾角為90 °時，拱頂處初支軸力為916kN，斷層傾角對初期支護拱頂以及仰拱處軸力影響較大，邊墻處軸力受傾角影響最小。

圖7 不同工況下初支軸力分布(單位:kN)

2.5.2.2 彎矩

不同工況下初期支護的彎矩分布見圖8，可知：隨著開挖的進行，不同傾角斷層段圍巖，初期支護彎矩分布較為均勻。當斷層傾角為50 °和70 °時，最大彎矩位于初期支護結(jié)構(gòu)的相同位置，斷層傾角為50 °時，最大彎矩位于仰拱處為16.42kN·m；斷層傾角為70 °時，最大彎矩也位于初支仰拱處，其值為13.3kN·m；而斷層傾角為90 °時，最大彎矩出現(xiàn)在初支拱腳位置，其值為12.04kN·m。且隨著斷層傾角的增加，初期支護結(jié)構(gòu)各個監(jiān)測點的彎矩相應(yīng)減小。

圖8 不同工況下初支彎矩分布(單位:kN·m)

2.5.3 塑性區(qū)分析

隧道穿過不同傾角的斷層，圍巖塑性區(qū)分布見圖9。隨著隧道的開挖，隧道洞周均出現(xiàn)剪切破壞塑性區(qū)，正常圍巖隧道剪切破壞塑性區(qū)分布范圍達到4m，與正常圍巖隧道塑性區(qū)相比，斷層隧道剪切破壞塑性區(qū)面積明顯較大，原因是斷層巖體破碎，物理力學(xué)性質(zhì)較差，隧道開挖至斷層圍巖時，容易發(fā)生剪切破壞。且隧道穿過不同傾角斷層，塑性區(qū)形態(tài)隨著斷層傾角的增加發(fā)生明顯變化，隨著斷層傾角的增加拱頂處塑性區(qū)面積明顯減小，而仰拱處塑性區(qū)面積變化較??；與之相反的是，隨著斷層傾角的增加拱腰處塑性區(qū)面積增大。

圖9 隧道穿過不同斷層傾角圍巖塑性區(qū)

3 結(jié)論

本文結(jié)合寶鼎2號公路隧道工程，采用數(shù)值模擬，研究隧道穿越不同傾角斷層，圍巖的變形以及初期支護結(jié)構(gòu)受力特征，得出如下結(jié)論：

(1)圍巖位移方面，隧道圍巖收斂位移隨著斷層傾角的增加而減小，且邊墻處圍巖水平收斂位移受斷層傾角的影響較大，隧道穿過不同傾角的斷層，仰拱處隆起值均大于拱頂處沉降值。

(2)初期支護軸力方面，隧道穿過不同傾角的斷層，初支結(jié)構(gòu)軸力分布均勻，且均受壓；不同斷層傾角下，軸力最大值皆發(fā)生在邊墻處，在施工過程中需要重點關(guān)注。初期支護拱頂以及仰拱處軸力受不同斷層傾角的影響較大，而邊墻處軸力受斷層傾角影響最小，斷層傾角的增加會導(dǎo)致各個監(jiān)測點軸力值減小。

(3)初支結(jié)構(gòu)彎矩方面，三種工況下，初支彎矩分布均勻。90 °斷層傾角下，初支彎矩最大值位于初支結(jié)構(gòu)的位置與其他兩種工況不同，斷層傾角為50 °時，最大彎矩位于初期支護仰拱處；斷層傾角為70 °時，最大彎矩也位于初支仰拱處；而斷層傾角為90 °時，彎矩最大值位于初支拱腳處。隨著斷層傾角的增大初支結(jié)構(gòu)彎矩逐漸減小。