穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性分析

2018-04-11苏先锋

四川建筑 2018年5期

关键词：块体节理掌子面

苏先锋，骆阳

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国高等级公路建设的迅猛发展，出于隧道工程线型的要求，越来越多的隧道需穿越断层破碎带。断层破碎带内岩体一般松散破碎、自稳能力差，容易发生塌方事故。因此，研究断层破碎带对隧道施工塌方的影响及工程对策有重要的理论和实际意义。

本文通过3DEC数值模拟方法，对隧道穿越断层破碎带进行了三维离散元分析，得出了隧道穿越断层破碎带过程中的各个位置掌子面位移变化特征。

1 掌子面稳定性研究现状

围岩稳定性问题是隧道施工安全的重要前提，在地形、地貌及地质条件复杂的西部地区修建长大隧道工程将会遇到更多的不良地质条件，施工中极易引发塌方、突涌水等灾害事故。在各种不良地质条件中，断层破碎带是重要的地质灾害源[1]。

周森[2]等人利用Matlab编制计算程序进行优化求解，通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数，解释了浅埋隧道掌子面失稳机理；常乔磊[3]采用3DEC计算模拟了不同断层参数，如断层倾角、倾向、宽度对围岩变形的影响；刘健[4]采用ABAQUS分析了不同埋深情况下掌子面的稳定情况。

研究所用软件为Matlab、ABAQUS和FLAC3D，数值模拟没有考虑岩体的节理、裂隙对围岩变形的影响，而采用3DEC计算的例子中几乎很少有涉及到掌子面和断层同时研究的情况，所以本次采用离散元软件3DEC，进行隧道穿越断层破碎带过程中的各个位置掌子面位移变化特征分析。

2 3DEC计算基本原理

3DEC是在二维离散元软件UDEC的基础上发展而来。离散单元法的基本原理是基于牛顿第二定律，假设被节理裂隙切割的岩块是刚体，岩石块体按照整个岩体的节理裂隙互相镶嵌排列，在空间每个岩块有自己的位置并处于平衡状态。当外力或位移约束条件发生变化时，块体在自重和外力作用下将产生位移(移动和转动)，则块体的空间位置就会发生变化，这又导致相邻块体受力和位置的变化，甚至块体互相重叠。随着外力或约束条件的变化或时间的延续，有更多的块体发生位置变化和互相重叠，从而模拟各个块体的移动和转动，甚至岩体破坏。

3 隧道掌子面失稳因素与支护措施

在列举国内外隧道及地下巷道掌子面失稳实例中的隧道及地下巷道掌子面失稳的基本情况后，发现隧道掌子面发生失稳的岩性条件一般是在隧道所穿越围岩抗压强度低，属于软弱围岩范畴，属于公路或铁路隧道围岩分类中Ⅳ级、Ⅴ级及以下的围岩范围内。且掌子面失稳时，一般伴随有大变形发生，通常表现为地表出现裂缝、塌陷，掌子面向隧道内空挤出隧道周边位移、拱顶下沉速率变快等情况[5]。

在土砂围岩和膨胀性围岩、破碎带中，确保掌子面的稳定是至关重要的。稳定掌子面的方法，根据其功能的不同，可分为以下几种：

(1) 支护围岩(超前支护、短管棚等)。

(2)改良围岩(注浆等)。

(3)发挥锚杆作用(斜锚杆、正面锚杆等)。

(4)喷混凝土加强等[6]。

4 数值模拟

4.1 建立计算模型

模型整体尺寸为：X=70.0 m，Y=60.0 m，Z=65.0 m，X、Y、Z分别为模型宽度、纵向、高度。断层宽度为10 m，倾角dip=60°，倾向dd=0°。整体模型如图1所示。衬砌采用C30混凝土，厚度为0.3 m。隧道埋深33.6 m。隧道主体模型如图2所示。

图1 整体模型

图2 隧道主体模型

4.2 材料参数选取

计算中，采用围岩级别取为Ⅴ级，断层材料参数取Ⅴ级围岩的1/4，块体模型采用摩尔-库伦模型，节理模型采用库伦滑动模型。其中材料的体积模量K和剪切模量G由式(1)和式(2)确定。

(1)

(2)

式中：E为围岩的弹性模量，ν为泊松比。

节理的法向刚度Kn和切向刚度Ks由式(3)和式(4)确定。

(3)

(4)

式中：Em为岩体的弹性模量，Er为岩石的弹性模量，Gm为岩体的剪切模量，Gr为岩石的剪切模量，s为节理间距。

本次计算的材料参数见表1，节理参数见表2。

表1 材料参数

4.3 开挖工法及监测点布置

因施工需要，采用全年断面开挖，每个开挖步为2 m。开挖断面形式及监测点位置如图3所示。

表2 节理参数

图3 开挖断面形式及监测点位置

4.4 计算结果

4.4.1 初始地应力状态

初始地应力状态是隧道开挖数值模拟的关键。地应力状态应当包含正确的初始地应力和初始位移为0。埋深为33.6 m时，模型初始地应力状态和初始位移如图4和图5所示。

图4 初始地应力状态

图5 初始位移

从图4、图5可以看出，随着地层深度的增加，地应力呈现线性增长状态，符合实际规律。竖向位移在开挖前为0，满足计算需要。

4.4.2 开挖状态下掌子面位移

开挖状态下掌子面位移云图见图6、图7。从图6、图7中可以看出：在断层区，掌子面最大突出位移发生在隧道中心位置附近，且与断层位置相交处。

图6 y=24m断面位移云图

图7 y=34m断面位移云图注：因模型较大，开挖长度为60 m，而断层区处于y=24 m至y=34 m，此处仅列举y=24 m、y=34 m断面的位移云图。

4.4.3 各个开挖断面处掌子面的位移情况对比

断面y=10 m、y=20 m、y=24 m、y=30 m、y=34 m、y=40 m、y=50 m处监测点的位移变化情况如图8、图9所示。

图8 断层区域外各断面处监测点的位移变化

从图8和图9中可以看出：

(1)进入断层前，即y=0 m至y=24 m，掌子面变化规律相似，最大突出位移发生在Z=1 m，即隧道断面中心处。所以在施工方法上，如果条件允许，可采用预留核心土开挖工法，减小掌子面位移，确保施工安全。

(2)在断层区，即y=24 m至y=34 m，隧道掌子面突出位移突然变大，最大值发生在y=24 m断面处，达到22.08 mm。

图9 断层区内各断面处监测点的位移变化

从y=24 m、y=30 m、y=34 m处掌子面各监测点纵向位移曲线图中可以发现：由于纵向隧道的进一步开挖，破碎带区域的开挖土体逐渐减小，之后各断面的监测点累计变形逐渐减小，所以随着纵向隧道的开挖，各断面的掌子面对应监测点突出位移整体情况下呈减小趋势。但是，由于倾斜断层的存在，掌子面的薄弱环节发生在断层与各个掌子面交叉位置处，所以上述三条曲线最大位移发生处呈现下移趋势。所以，在施工时，如果遇到断层破碎带，一定要注意掌子面的稳定问题，特别是断层与掌子面交叉处。

(3)出断层后，即y=34 m至y=60 m，从y=40 m、y=50 m处掌子面各监测点纵向位移曲线图可以看出，掌子面监测点位移的变化规律与进入断层前规律一致，最大突出位移发生在Z=1 m，即隧道断面中心处。