基于遍布节理模型的断层破碎带隧道稳定性研究

何万平， 张志强

(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)

地下工程中，是否选用TBM以及TBM效率能否发挥与工程地质条件、岩石强度、岩石耐磨性及岩体结构面发育程度等关系十分密切。隧道施工中常常遇到不良地层，给TBM施工带来了极大的困难和挑战，且影响掘进速度和效率[1-2]。

TBM穿越不良地层，尤其是穿越断层破碎带时，由于围岩变形大、易塌方，会面临一系列的风险，甚至是卡机，会影响工程进度和对人员安全造成威胁。因不良地层性质有所差异，导致其围岩稳定性的加固措施有所不同。比如在软弱围岩中多采用管棚、锚杆等超前支护；在节理发育良好和有孔洞的硬岩地层，有巨大碎块的卵石-砾石地层中多采用灌浆法，根据节理、孔洞大小和地下水流动的速度灌注水泥浆、水泥-水玻璃浆或黏土浆等；在可灌性差、地下水丰富且地层渗透性好的冲积地层中采用人工冻结法；对围岩强度极低、埋深小需控制地表下沉的土沙等地层常使用预衬砌[3-5]。研究TBM如何安全快速的通过不良地层段，对整个隧道工程的建设具有重要的实际意义。

1 节理遍布模型理论分析

岩体在地层长期的胶结、沉积、褶皱等地质运动中，产生大量的层理、节理、裂隙、断层和破碎带等软弱结构面，其存在极大地影响了岩体力学性态。就岩体的本质来说，它应该是各向异性、非匀质和非线性的不连续体[6-7]。

对不连续面纵横交错岩体的分析方法大致可分为如下几种：(1)用等效连续体来替代岩体中的不连续断层、弱面等;(2)用特定的节理来模拟岩体中的不连续体;(3)研究微裂纹的连续发展而导致的剪切带的形成及其积累过程[8]。

2 计算方案设计

实际地层中，围岩中的节理面错综复杂，倾角和间距等都是大小不一的，只能是某一个范围的节理倾角或者间距占据绝大多数。所以本章计算中假定某一工况时，围岩中的节理倾角和间距都是一定的。

实际地层中节理与节理直接存在一定的距离，但远远小于模型中的计算范围和隧道直径，对最终结果影响不大，因此予以忽略不计。

综上考虑，本章计算设计6个工况，模拟两种不同倾角节理的三个节理间距下的不同工况，具体如表1所示。其中两种节理分为垂直节理和斜脚节理，垂直节理的节理面与水平方向正交，斜交节理的节理面与水平方向呈45 °，节理特征见图1。

表1 计算工况

(a)0°与 90°节理分布特征

(b)45°与 135°节理分布特征图1 节理分布特征

具体计算参数见表2。

表2 围岩及支护的物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 不同工况的模拟结果

在TBM隧道掘进的过程中，因为洞周围岩荷载释放和应力重分布，使围岩产生变形，从而使支护结构也承受一定的荷载。不同工况(即不同节理间距和不同节理面倾角)的TBM隧道围岩变形规律、地表变形规律特征都有所差异。因此，本节通过对不同工况的模拟结果进行对比分析，分析断层破碎带TBM隧道在掘进过程中工程地质灾害发生类型和规律(图2～图5)。

(a)间距2m正交节理水平位移

(b)间距2m斜交节理水平位移图2 计算结果位移云图(单位：m)

图3 不同工况下隧道断面拱顶下沉量随开挖步的变化曲线(单位：cm)

图4 不同工况下隧道断面仰拱隆起量随开挖步的变化曲线(单位：cm)

图5 隧道水平收敛位移随开挖步的变化曲线(单位：cm)

3.2 围岩变形特征分析

在TBM隧道施工完成后，一般围岩会产生一定的变形，但在穿越断层破碎带时，由于节理的存在，导致围岩变形会比一般的隧道更大，且需要更长的时间才能达到稳定状态。所以本节主要分析不同工况下的节理对隧道围岩变形产生的影响，选取的研究对象为位于模型中部，距离隧道口5m处的断面。

通过对比分析可知：

(1)在断层破碎带中节理倾角相同的情况下，不论是正交节理还是斜交节理，当节理间距为0.5m时，围岩竖向位移都最大，节理间距为1m时次之，节理间距为2m时最小。因此可得，随着围岩中节理间距的减小(即节理密度增大)，TBM隧道穿越断层破碎带时产生的围岩竖向位移增大。

(2)在节理倾角相同时，0.5m间距工况的拱顶下沉变化曲线和仰拱隆起变化曲线呈现出稳定趋势所需要的时间最长，约为9个时间步，1m间距工况次之，约为7个时间步，2m间距工况稳定最快，约为7个时间步。因此，当断层破碎带节理间距越小，洞周围岩变形稳定所需要的时间越长。

(3)当只考虑节理倾角的影响时，同节理密度的正交节理工况的竖向位移都明显大于斜交节理工况的竖向位移，且比较拱顶下沉和仰拱隆起的变化曲线，正交节理工况需要更长的时间才能呈现稳定的趋势。因此，围岩中节理的倾角越大，隧道开挖产生的围岩竖向位移越大，且达到稳定所需时间越长。

4 结论

本文采用ABAQUS有限元软件建立三维节理遍布模型，分析了不同工况时，TBM隧道穿越断层破碎带时的受力机理。通过对断层破碎带中不同节理间距(2m、1m、0.5m)和不同节理倾角(0 °与 90 °、45 °与 135 °)的工况下隧道的围岩变形进行比较分析，分析TBM隧道在断层破碎带中掘进时围岩变形受力特征，可得出以下结论：

(1)在TBM隧道施工完成后，一般围岩会产生一定的变形，但在穿越断层破碎带时，由于节理的存在，导致围岩变形会比一般的隧道更大，且需要更长的时间才能达到稳定状态。

(2)在节理倾角相同时, 当断层破碎带节理间距越小，洞周围岩变形稳定所需要的时间越长。

(3)当只考虑节理倾角的影响时，同节理密度的正交节理工况的竖向位移都明显大于斜交节理工况的竖向位移。围岩中节理的倾角越大，隧道开挖产生的围岩竖向位移越大，且达到稳定所需时间越长。