分步开挖对隧道纵向稳定性的影响

袁 鹏，宋宏伟，蒋玉波，熊珍珍

(1．中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116;2．中国矿业大学 深部岩土力学与

地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

分步开挖对隧道纵向稳定性的影响

袁 鹏1，2，宋宏伟1，2，蒋玉波1，2，熊珍珍1，2

(1．中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116;2．中国矿业大学 深部岩土力学与

地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

运用有限元软件ANSYS数值模拟和关键块体理论，研究了两种隧道开挖方法在穿过60°，65°，70°和75°四种断层过程中的围岩稳定性问题，并与理论上存在的90°断层的开挖情况进行对比，分析了塑性区发展和顶板位移。结果表明：断层倾角对隧道围岩的稳定性有显著影响，随着断层倾角趋近于90°，隧道顶板稳定性趋好;施工顺序和方法对断层隧道的稳定性亦有显著影响。

断层 冒顶 纵向稳定性 分步开挖

隧道施工过程中引起的局部冒顶事故是最为典型的隧道纵向稳定问题［1-3］。除此之外，沿隧道走向的大变形使得隧道最后偏离设计走向，导致不满足工程需要，这些问题都是目前最常使用的平面模型所无法解释的。隧道的开挖会穿越许多非连续面，很多学者对这类问题进行了深入的研究并取得了一些成果［4］，认为隧道稳定性与其围岩中的非连续面有密切关系，但这些研究还存在局限性，主要是忽略了纵向稳定和荷载历史的问题，这是本文的研究重点。如广州地铁2号线中山纪念堂—越秀公园区间隧道是由左右线单线单洞隧道组成的，隧道穿越的区域大部分位于广州市越秀山下，南北分别与纪念堂站和越秀公园站相接。隧道经过清泉街断层破碎带，上覆第四系土层广泛发育，地质条件复杂。隧道外轮廓宽度为6.0 m，高度为6.3 m，线路埋深21.8 m，隧道采用矿山法施工。清泉街断裂在纪念堂至越秀公园区间通过，并在纪念堂站所在的连新路与线路斜交，断层走向290°，倾向SW，倾角60°～75°，为正断层。断层由断层角砾岩、硅化角砾岩、断层泥组成，胶结性差，强风化，为 V级围岩［5-6］。本文参考该工程参数，建立模型分析此类问题。

1 数值分析模型

1.1 建模设定

1)断层的上下盘为连续的岩石介质，服从 D-P准则。

2)断层的上下盘之间使用接触单元连接。

3)不考虑断层的厚度。

4)仅考虑自重荷载。

1.2 模型参数

本文以广州地铁2号线中山纪念堂—越秀公园区间隧道为工程背景，选取断层倾角为 60°，65°，70°和75°4种情况，再对比特殊的90°情况，建立了5组模型，70°和90°倾角模型的单元划分见图1和图2。

图1 断层倾角70°模型及单元划分

图2 断层倾角90°模型及单元划分

单元采用六面体划分。采用圆形隧道断面，直径6 m，覆盖层厚度21.8 m;地层模型尺寸100 m×40 m×36 m(纵×横×竖);模型X，Y轴分别沿隧道的横断面的水平向和竖向，原点位于模型最右侧隧道横断面圆心。模型约划分为10 000多个单元，断层的摩擦系数取0.2。岩石的各项参数依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003—99)围岩分级中Ⅴ类围岩的参数进行选取。围岩的相关参数如表1。

表1 围岩相关参数

2 模拟结果分析

2.1 塑性区分析

2.1.1 从断层下盘往上盘开挖

关键块体理论中，关键块是指在节理岩体或块状岩体中对岩体的稳定性起关键作用岩块［7-9］，关键块一旦滑塌则将能引起后续块体的连锁滑塌。一般认为在断层隧道中，关键块体的位置在断层下盘顶板处，与模型中断层下盘最易出现塑性区的位置一致。本文采用关键楔形体这个称呼，推断断层隧道纵向稳定性与断层下盘关键楔形体稳定的关系。

为描述方便，将从断层的下盘向断层的上盘穿过断层开挖称为正穿断层，反之称为反穿断层。断层角度对正穿断层隧道塑性区的影响主要体现在:角度较大的时候穿过断层处帮部塑性区很小，关键楔形体塑性区较发育。除去90°断层的特殊情况，隧道正穿断层上盘处一般没有塑性区。随着断层角度的增大，顶板的塑性区缩小，最大塑性应变也在减小，帮部的塑性区向断层处发展，最终变成90°的情况，详细参数见表2。

综上可以发现断层的角度对断层隧道围岩的稳定性有着显著的影响，而且随着断层倾角趋近于90°，隧道塑性区往帮部集中，顶板的最大塑性应变、塑性区的大小和顶板最大位移都在减小，可以认为顶板发生冒顶事故的可能性在降低。

2.1.2 从断层上盘往下盘开挖(表3)

表2 隧道正穿断层处相关数据

表3 隧道反穿断层处相关数据

由表3可见反穿断层角度对塑性区的影响与正穿断层类似，都是随着倾角的增大，塑性区向断层处发展，主要的差别在于:反穿断层上盘塑性区的发展与正穿断层下盘的影响也类似，所不同的是反穿断层塑性区最先偏向隧道的底板处，然后向帮部中间转移和发展。隧道顶板塑性区最先出现在断层的下盘，然后随着断层角度的增大缩小，最后发展到断层的上盘。

可以看出改变了开挖方式之后，隧道的破坏形式与位置有着显著的区别，同时顶板的塑性区位置和发展情况跟正挖隧道相比变得更为复杂:一方面塑性区的位置发生了转移，塑性区的大小呈现一个先增大随后减小再增大的变化，顶板位移和最大塑性应变变化也很复杂，说明施工方式作为一个变化的因素深刻地影响着隧道的稳定性。

2.2 顶板位移分析

正穿断层隧道顶板的位移情况受非连续结构面的影响变化十分复杂，大体呈一个波折型，沿着路径方向显示较平缓，然后在路径约25 m处开始隆起，在非连续结构面前沿急剧下降，穿过断层之后立刻向上跳跃，经过一个向下弯曲的变形之后，最后趋向于水平，正穿断层和反穿断层典型位移如图3。

图3 正穿和反穿60°断层隧道顶板纵向位移

图3反映出，断层对隧道围岩的位移影响十分剧烈，对围岩稳定性有着十分不利的影响，应该是施工建设过程中重点防护的位置。而且这两者的曲线规律和趋势都有很大的不同，分步开挖如果视作一种外部荷载，那么应力历史对其的影响是十分显著的，说明施工顺序和方法对断层隧道的稳定性有着显著的影响。

这两种开挖方式对顶板位移影响最大的位置在关键楔形体的顶点，原因主要是断层接触面之间的滑动摩擦力和切应力对关键楔形体约束方向的改变。在正挖隧道的过程中，断层的下盘隧道顶板围岩最先失去约束，发生变形。之后上盘隧道顶板在变形的过程中，相对下盘岩石来说向下运动，受到已经发生变形的下盘岩体的约束，摩擦力对下盘顶板位置的岩石向下，对上盘则向上，于是二者之间的摩擦力造成图3所示的位移。反挖的情况刚好相反，摩擦力对下盘顶板位置的岩石向上，对上盘向下。由此可以看出反挖隧道的过程中摩擦力对关键楔形体的约束向上，使得顶板关键楔形体发生冒顶的可能降低。随着断层倾角趋近于90°，围岩更加趋向于稳定，然而在塑性区发生转移之后，有利影响就不易体现出来了。

理论上讲，断层对隧道的影响范围应该随着断层角度的增加而减少，但如图4所示只有在断层倾角趋近于90°时隧道的影响范围才明显减小，在一般情况下，对隧道的影响范围没有明显的变化。

图4 反穿断层隧道顶板纵向位移对比

3 结论

1)断层的倾角对隧道围岩的稳定性有着显著的影响，而且随着断层倾角趋近于90°，塑性区往帮部集中，顶板的最大塑性应变、塑性区的大小和顶板最大位移都在减小，可以认为顶板发生冒顶事故的可能性在降低，隧道顶板的稳定性越好。

2)反挖隧道塑性区的位置会发生转移，塑性区的大小呈现一个先增大随后减小再增大的变化，顶板位移和最大塑性应变变化也很复杂，说明施工方式作为一个变化的因素影响着隧道的稳定性。

3)分步开挖如果视作一种外部荷载，那么应力历史对其的影响是十分显著的，说明施工顺序和方法对断层隧道的稳定性有着显著的影响。

4)反挖隧道的过程中摩擦力对关键楔形体的约束向上，使得顶板关键楔形体发生冒顶的可能性降低，随着断层倾角趋近于90°，围岩更加趋向于稳定。然而在塑性区发生转移之后，有利的影响就不易体现出来了。

5)断层对隧道的影响范围应该随着断层倾角的增大而减小，但只有在断层倾角趋近于90°时隧道的影响范围才明显减小，在一般情况下，对隧道的影响范围没有明显的变化。

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U455．41+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．09．22

1003-1995(2013)09-0071-03

2013-01-02;

2013-05-27

袁鹏(1989— )，男，江苏泰州人，硕士研究生。

(责任审编 赵其文)