公路隧道穿越断层破碎带仿真分析

毕旭冰 吴孝清 刘胜春

（1.南阳市公路管理局 南阳 473000； 2.武汉理工大学理学院 武汉 430070；3.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室 北京 100044）

断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象，是因地壳变动使地层岩体沿破裂面发生明显位移或较大错动的断裂构造。它的分布区段是隧道围岩不稳定的区段之一［1］。在多数情况下，断层破碎带是作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带存在的，与其两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异［2］。隧道在穿越破碎带时，经常发生岩体沿软弱结构面滑动、坍塌或涌水现象，这是事故多发的险要地段。它不仅破坏了隧道的稳定性，而且直接影响了开挖速度。因此隧道在穿越该地段时，除遵守一般技术要求外，还应采取针对性较强的辅助方法。

1 断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响

隧道周围的岩体强度由于断层破碎带等结构面的存在而大为降低，其主要原因为软弱结构面的存在破坏了岩体的完整性、降低了岩体的整体强度；而结构弱面的特征决定了其抗滑阻力的大小，并在一定意义上决定着隧道整体的稳定性。隧道穿越断层，尤其是破碎带的断层，开挖难度较大。破碎带规模一般宽度较大，它包括破碎带自身的宽度以及一个比破碎带自身的宽度大得多的影响带。此外，由于破碎带伴有显著的黏土化和涌水，突破它时可能喷出大量涌水和土砂，造成围岩失稳及支护变形破坏。

断层对隧道稳定性的影响与断层规模、断层本身的特点及组合情况有关。断层的性质、产状，断层两侧地层的岩性、岩体质量、断面形态、断层破碎带的宽度、层泥存在与否以及断层的导水性等都不同程度地影响隧道结构，导致其变形破坏。从以上分析可知，断层破碎带对围岩稳定性影响较大，作用机理较复杂，需提前对断层破碎带区域的地质、工程、应力、水环境等对隧道开挖洞周围岩的影响规律进行系统研究以及提早制定相应的隧道失稳防治对策。

2 史家山隧道断层破碎带稳定性分析

2.1 史家山工程概况

史家山2号隧道为分离式右幅，起讫桩号为K4＋007～K5＋002，全长995 m。隧道位于丹城西部，大致沿东西向展布，横穿山丘，山顶最大高程约249.68 m，隧道最大埋深约212 m，设计为单向双车道隧道（起点范围路段为小净距隧道）。受已建史家山隧道地形等控制节点的限制，隧道戴港端为曲线隧道，隧道纵坡较大，已建的史家山隧道全长921 m，隧道净宽10.25 m，为直墙式单向双车道隧道，洞内路面横坡为2%双向横坡，洞门均为城墙式洞门。待本项目建成后，2隧道构成上下行分离式双向行驶隧道。

2.2 工程水文地质概况

隧道区地形高差大，地表径流条件良好，地下水补给条件差，富水性、透水性相对较弱，总体来说，隧道区地下水类型主要为第四纪松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水，水量较贫乏，水文地质条件较简单。线路调查过程中表明地表覆盖层厚度较大，未发现断裂构造带露头。根据工程地质勘察报告资料显示，线路测区范围内（线路左右500 m范围）存在的断裂构造带共有5条，隧道通过F4及F5，2条断裂构造带间隔较近，岩体破碎，呈碎块～镶嵌碎裂结构，自稳能力较差，易掉块、崩塌等，综合判定为V级围岩。

2.3 断层破碎带围岩稳定性数值模拟分析

2.3.1 网格划分与边界条件

根据工程实际围岩情况建立隧道穿越F4及F5断裂构造带模型，并用六面体单元划分网格，见图1。

图1 隧道模型

根据锚固方法的特点并结合该隧道围岩实际条件，采用FLAC3D软件进行数值模拟计算［3］。它采用的是三维显式有限差分法程序，可以模拟岩土及构筑于岩土中的工程结构的三维力学行为。FLAC 3D软件的基本原理是拉格朗日差分法，它是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并利用差格式按时步积分求解。随着构形的不断变化，不断更新坐标，因此它允许介质有较大的变形，适用于分析大变形问题。根据现场参数，为模拟隧道开挖以后有断层破碎带影响和支护以后的围岩变形及应力分布，并与无断层破碎带时进行比较。隧道净宽10.25 m，净高5.0 m，隧道地表为斜坡形，最大埋深为162 m，最小埋深为38 m。模型宽度根据圣维南原理，模型左右宽度各取隧道开挖宽度的3～5倍，综合考虑取宽度117 m，以保证计算的精度。

模型的上表面为地表，设为自由面，不做约束，2个侧面约束水平位移，底面约束垂直位移。

2.3.2 屈服准则与物理力学参数

该隧道岩体以花岗岩为主，属弹塑性材料，计算采用Mohr-Coul o mb屈服准则：

式中：σ1，σ3分别为最大最小主应力；c，φ 分别为材料粘聚力和内摩擦角。当fs≥0时，材料发生剪切破坏。材料在达到屈服极限后，在稳定的应力水平下产生塑性变形，在拉应力状态下，若拉应力超过材料抗拉强度，材料发生受拉破坏。

模型采用摩尔库伦塑性本构模型，计算参数见表1。

表1 计算采用岩体力学参数

2.3.3 计算方案

为了监测拱顶和仰拱的位移收敛情况，分别在拱顶和仰拱中心位置取2个样点进行分析。①无断层破碎带时的数值计算及分析；②有断层破碎带全断面开挖的数值计算及分析；③有断层破碎带台阶法开挖的数值计算及分析。

3 计算结果分析

3.1 无断层破碎带时的数值计算及分析

无断层破碎带时位移云图见图2。

图2 无断层全断面开挖位移图

由图2可见，隧道围岩向洞内发生径向位移，隧道拱顶最大沉降位移为6.1 mm，仰拱最大隆起位移为16.1 mm。隧道开挖前围岩处于平衡状态下，开挖破坏了围岩的原始平衡，应力重新分布引起了隧道径向的变形。然而此时在不考虑断层破碎带时，围岩在支护下可以稳定。

3.2 有断层破碎带全断面开挖的数值计算及分析

有断层破碎带全断面开挖的计算结果见图3。

图3 全断面开挖位移图

由图3可见，隧道发生了径向位移，相应的关键断面的拱顶沉降为21.8 mm，拱底最大隆起位移为11.3 mm。对比不考虑断层破碎带的结果可以看出，拱顶沉降是不考虑断层破碎带的3.57倍，由于断层破碎带的存在，影响了围岩的整体稳定性。在工程上，断层的存在导致岩体破碎，质量差，易失稳，剥落面积及深度大，隧道在此影响下产生较大变形。

3.3 有断层破碎带台阶法开挖的数值计算及分析

有断层破碎带台阶法开挖的计算结果见图4，此处采用上台阶法［4］。

图4 台阶法开挖位移图

由图4可见，隧道发生了径向位移，相应关键断面的拱顶沉降为14.8 mm，拱底最大隆起位移为23.7 mm。对比有断层破碎带全断面的计算结果可以看出，拱顶沉降降低了32%。因此在此工程情况下采用相同支护条件台阶法，可以较好地控制围岩的变形，减少塌方等自然灾害的发生。当然也需注意，此时仰拱隆起达到最大值，因此在开挖施工时，为控制隆起变形、改善结构应力条件，仰拱曲率一定要开挖到位，同时加强监控测量，动态掌握变形情况，确保施工安全。以上各工况竖向位移值见表2。

表2 各工况竖向位移值 mm

通过对比不考虑断层破碎带下全断面开挖、考虑断层破碎带全断面开挖和考虑断层破碎带台阶法开挖，可以看出断层的存在影响了围岩的整体性，造成围岩质量的降低；从拱顶沉降可以看出，断层破碎带的存在使拱顶变形增加了3.57倍。而如果采用台阶法开挖可以减小断层破碎带的影响，相比断层破碎带全断面开挖的情况，拱顶沉降可以减少32%。因此史家山2号隧道在穿越F4和F5断层破碎带时，宜采用台阶法开挖。

4 结语

本文就断层破碎带对隧道稳定性的影响机理进行了探讨。针对史家山2号隧道地质情况，通过数值分析，对比了无断层破碎带和有断层破碎带不同开挖方法工况对围岩稳定性的影响。计算及分析表明，断层破碎带的存在对围岩的稳定性影响较大，在施工中应引起足够的重视。其次，在遇到断层破碎带时采用台阶开挖方法可以减小断层破碎带对围岩的影响。

［1］ 黄成光，于敦荣.公路隧道施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 杨会军，胡春林，堪文武，等.断层及其破碎带隧道信息化施工［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（22）：3917-3922.

［3］ 朱建明，徐秉业，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在矿山工程中应用［J］.中国矿业，2000 （4）：78-81.

［4］ 王鲁南.隧道穿越断层破碎带施工风险分析及围岩变形规律研究［D］.济南：山东大学，2012.