穿越近平行斷層系的公路隧道開挖圍巖變形特性研究

王禹淇,李忠義,王 可,孫慶慈,張 濤

(1. 中鐵北京工程局集團(天津)工程有限公司 天津市 300356; 2.中鐵交通投資集團有限公司 南寧市 530219; 3. 中鐵二局集團有限公司 成都市 610031)

0 引言

我國西部區(qū)域地質條件復雜、斷層破碎帶密集,在這些長距離隧洞選線建設中,不可避免地會面臨隧道穿越斷層破碎帶的問題;斷層破碎帶內(nèi)圍巖軟弱破碎,自穩(wěn)能力差、存在高地應力等不良地質狀況,斷層的物理力學性質與周邊圍巖有很大差別,隧道建設時極易引起開挖面巖體失穩(wěn)、圍巖大變形、塌方等地質災害。

康海波等[1]通過數(shù)值模擬法對穿越煤層和斷層的隧道開挖圍巖變形開展分析,認為隧道穿越斷層及煤層時,拱頂、拱腰、仰拱處的位移都發(fā)生突變,不同空間位置的煤層對圍巖變形的影響不同。頡永斌等[2]建立了斷層破碎帶內(nèi)隧道縱向荷載簡化計算模型,將隧道簡化為破碎帶縱向荷載作用下的彈性地基梁,利用有限差分理論計算了破碎帶縱向荷載作用下的隧道變形和受力特征。張付軍等[3]基于FLAC3D有限差分法及流固耦合分析原理,研究了導水洞排水、注漿堵水和排堵結合等不同治理方式對富水斷層隧道涌水量及圍巖穩(wěn)定性的影響。左清軍等[4]針對滬昆客運專線長昆湖南段油坊坪隧道跨越斷層段遭受的塌方問題,總結隧道宏觀變形演化歷史,分析跨越斷層富水軟巖隧道塌方的影響因素及圍巖失穩(wěn)破壞模式,據(jù)此提出針對性的處治措施。黃鋒[5]采用離散元數(shù)值模擬方法對穿越斷層破碎帶隧道圍巖穩(wěn)定性開展研究,分析了斷層與隧道斷面相對位置的變化對隧道開挖力學響應的影響。龔林金等[6]通過現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬方法,研究了隧道在穿越不同傾角斷層破碎帶過程中的圍巖變形規(guī)律。

綜上分析,目前有關穿越斷層破碎帶的隧道圍巖開挖變形特征分析僅考慮了一條斷層破碎帶的影響,未考慮多條近平行的斷層破碎帶系的作用機制。而實際隧道工程設計與施工時常遇到近距離穿越多條近平行斷層破碎帶系的情況。文章以穿越近平行雙斷層破碎帶的山嶺隧道為對象,采用FLAC3D軟件對其分層開挖過程進行數(shù)值模擬分析,研究了近平行雙斷層破碎帶的間距與傾角對隧道圍巖變形特性的影響規(guī)律。

1 工程概況

青蘭高速黎城至霍州段項目二分部問腰隧道左線起訖里程ZK124+960～ZK126+350(長度1390m),右線起訖里程K124+960～K126+370(1410m),問腰隧道為山嶺巖質隧道,隧道內(nèi)輪廓采用三心圓曲墻斷面,內(nèi)輪廓寬10.86m,高8.6m(帶仰拱高8.65m),隧址區(qū)地層結構復雜,地層由新至老一次有第四系全新統(tǒng)沖洪積物,中更新統(tǒng)沖洪積物,二疊系下統(tǒng)下石河子組沉積巖,石炭系上統(tǒng)山西組沉積巖,石炭系上統(tǒng)太原組沉積巖,石炭系中統(tǒng)本溪組沉積巖,奧陶系上統(tǒng)上馬家溝組上段沉積巖和斷層破碎帶組成?？辈毂砻魉碇穮^(qū)及其附近共發(fā)育有5條斷層破碎帶,其中3條斷層破碎帶與線路相交,斷層的存在明顯控制了不同時代地層及地下水的分布,對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響較大。其中,F11逆斷層于K124+285處與線路相交,傾角為38°,破碎帶寬度15～20m,對隧道圍巖影響較大;F12斷層于K124+376處與線路相交,傾角為40°,破碎帶寬度10～20m,斷裂帶內(nèi)巖體破碎,主要由斷層角礫及碎裂巖組成,對隧道圍巖影響較大。F11、F12斷層破碎帶相距較近,產(chǎn)狀近乎平行,隧道穿越F11、F12近平行雙斷層系時,圍巖開挖穩(wěn)定性問題突出。

2 隧道數(shù)值模型與物理力學參數(shù)

2.1 計算模型

以問腰隧道穿越F11、F12近平行雙斷層破碎帶段為工程背景,采用有限差分數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立如圖1、圖2所示的穿越近平行斷層系的隧道三維開挖數(shù)值分析模型。為了減小模型邊界條件對隧道開挖區(qū)力學響應量計算結果的不利影響,將數(shù)值模型高取為100m、寬取為80m,模型左右兩側邊界到隧道中心距離為40m,大于隧道平均半徑的6倍。模型縱向長為360m,共520000個單元,612300個單元結點。為了分析近平行斷層系的傾角α和斷層間距d對隧道圍巖開挖位移特性的影響規(guī)律,斷層傾角α分別取45°、60°、90°,斷層間距d分別取10m、40m、60m,共9種數(shù)值計算工況,如45du-10m(見圖2),表示斷層傾角α分別取45°,斷層間距d分別取10m。所有計算模型中斷層破碎帶寬取為20m。

圖1 隧道數(shù)值模型橫斷面(單位:m)

圖2 隧道三維數(shù)值模型

2.2 物理力學參數(shù)

圍巖本構模型計算選用mohr-coulomb彈塑性模型,隧道圍巖以及斷層的計算力學參數(shù)通過問腰隧道現(xiàn)場巖土試驗和經(jīng)驗類比獲得。初期支護采用結構單元shell單元模擬,初期支護厚度為0.50m,工字鋼拱架等效到噴射混凝土中,二次襯砌采用實體單元模擬,最終確定的計算參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

2.3 隧道開挖模擬方法

模型兩側單元結點施加水平位移約束,模型底部單元結點施加水平與垂直位移約束。隧道開挖采用三臺階法,采用zone model null 命令實現(xiàn)隧道的上、中、下臺階開挖法,隧道一次開挖進尺為3 m,初支落后掌子面1 個開挖進尺施作,初支一次施作長度為3 m; 二襯滯后掌子面12個開挖進尺, 一次施作12 m。先進行初始自重地應力場計算,一旦自重地應力場建立后,將自重誘發(fā)的位移清零,然后進行隧道掘進開挖模擬。

3 隧道圍巖位移響應規(guī)律

圖3(a)～圖3(c)描述不同平行斷層帶間距下隧道拱頂圍巖位移沿隧道縱軸線的分布規(guī)律。由圖3(a)可看出,在兩條斷層破碎帶位置處,隧道拱頂圍巖位移發(fā)生突變,其量值明顯大于上、下兩盤內(nèi)的圍巖位移量值,反映了斷層破碎帶區(qū)域為隧道施工開挖的薄弱部位。由圖3(a)可看出,當兩條平行斷層帶間距為10m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱頂圍巖位移產(chǎn)生相互干涉影響,其量值大于單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值。由圖3(b)、圖3(c)可看出,當兩條斷層帶間距為40m及60m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱頂圍巖位移之間相互影響不明顯,其量值與單條斷層破碎帶所誘發(fā)的拱頂圍巖位移量值相當。

圖3 不同斷層帶間距下拱頂位移

圖4描述不同斷層帶間距下平行斷層系傾角對隧道拱頂圍巖位移的影響規(guī)律。由圖4可以看出,在同樣的斷層帶間距條件下,隨著斷層帶傾角的增大,隧道拱頂圍巖位移量值逐漸減小,斷層帶傾角越大,隧道拱頂圍巖位移量值越小。另外,由圖4可以看出,同樣斷層帶傾角下,斷層帶間距越小,拱頂圍巖位移量值越大。

圖4 斷層帶傾角對隧道拱頂位移的影響

圖5為隧道圍巖位移云圖,由圖5可以看出,在兩斷層破碎帶位置范圍內(nèi),隧道圍巖位移量明顯大于上、下兩盤處圍巖位移。且斷層帶間距越小,兩破碎帶范圍內(nèi)隧道開挖所引起的圍巖位移相互影響越大,當斷層破碎帶之間間距大于40m時,兩破碎帶范圍內(nèi)隧道開挖所引起的圍巖位移相互影響不明顯。

圖5 隧道圍巖位移云圖

圖6描述不同斷層帶間距下隧道拱底圍巖位移沿隧道縱軸線的分布規(guī)律。由圖6(a)可看出,在兩條斷層破碎帶位置處,隧道拱底圍巖位移發(fā)生突變,其量值明顯大于上、下兩盤內(nèi)的圍巖位移量值,反映了斷層破碎帶區(qū)域為隧道施工開挖的薄弱部位。由圖6(b)可看出,當兩條斷層帶間距為10m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱底圍巖位移產(chǎn)生相互干涉影響,其量值大于單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值。由圖6(a)可看出,當兩條斷層帶間距為40m及60m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱底圍巖位移之間相互影響不明顯,其量值與單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值相當。圖6(b)描述不同斷層帶間距下斷層系傾角對隧道拱底圍巖位移的影響規(guī)律。由圖6(b)可看出,在同樣的斷層帶間距條件下,隨著斷層帶傾角的增大,隧道拱底圍巖位移量值逐漸減小,斷層帶傾角越大,隧道拱底圍巖位移量值越小。另外,由圖6(b)可看出,同樣斷層帶傾角下,斷層帶間距越小,拱底圍巖位移量值越大。

圖6 隧道拱底位移變化規(guī)律

圖7描述不同斷層帶間距下隧道左拱腰處圍巖位移沿隧道縱軸線的分布規(guī)律。由圖7(a)可看出,在兩條斷層破碎帶位置處,隧道左拱腰處圍巖位移發(fā)生突變,其量值明顯大于上、下兩盤內(nèi)的圍巖位移量值,反映了斷層破碎帶區(qū)域為隧道施工開挖的薄弱部位。由圖7(b)可看出,當兩條斷層帶間距為10m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的左拱腰處圍巖位移產(chǎn)生相互干涉影響,其量值大于單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值。由圖7(a)可看出,當兩條斷層帶間距為40m及60m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的左拱腰處圍巖位移之間相互影響不明顯,其量值與單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值相當。圖7(b)描述不同斷層帶間距下斷層系傾角對隧道左拱腰處圍巖位移的影響規(guī)律。由圖7(b)可看出,在同樣的斷層帶間距條件下,隨著斷層帶傾角的增大,隧道左拱腰圍巖位移量值逐漸減小,斷層帶傾角越大,隧道左拱腰圍巖位移量值越小。另外,由圖7(b)可看出,同樣斷層帶傾角下,斷層帶間距越小,左拱腰處圍巖位移量值越大。

圖7 隧道左拱腰位移變化規(guī)律

4 結論

(1)在斷層破碎帶位置處,隧道拱頂、拱底及拱腰處圍巖位移發(fā)生突變,其位移量值明顯大于上、下兩盤內(nèi)的圍巖位移量值,反映了斷層破碎帶區(qū)域為隧道施工開挖的薄弱部位,易于發(fā)生圍巖大變形。

(2)當兩條近平行斷層帶間距為10m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱頂、拱底及拱腰處圍巖位移將產(chǎn)生相互干涉影響,其量值大于單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值。

(3)當兩條近斷層帶間距為40m及60m時,兩條斷層破碎帶內(nèi)隧道開挖所誘發(fā)的拱頂、拱底及拱腰處圍巖位移之間相互影響不明顯,其量值與單條斷層破碎帶所誘發(fā)的圍巖位移量值相當。

(4)在同樣的斷層帶間距條件下,隨著斷層帶傾角的增大,圍巖位移量值逐漸減小;在同樣斷層帶傾角條件下,斷層帶間距越小,圍巖位移量值越大。