断层与隧道相对距离对矩形隧道围岩稳定性的影响

刘华忠

摘  要：基于吉莲高速永莲隧道工程，运用有限元的基本原理，对断层所在区域隧道围岩的应力应变状态进行数值模拟和分析，并深度讨论断层与隧道的相对距离以及断层的倾角對矩形隧道围岩稳定性的影响，分析总结断层附近隧道开挖矩形围岩应力的变化趋势、隧道沉降的大小、围岩破坏过程的相关规律，为以后类似工程提供理论参考。

关键词：断层;矩形隧道;围岩稳定;数值模拟

Abstract： Based on the Jilian Highway Yonglian Tunnel Project， using the basic principle of Finite Element Analysis， this paper makes a numerical simulation and analysis of the stress strain state of the tunnel surrounding rock in the area where the fault is located， the effect of the relative distance of the fault and the tunnel and the inclination of the fault on the stability of the rectangular tunnel， the change trend of the tunnel excavation rectangular surrounding rock stress， the size of the tunnel settlement， the relevant law of the surrounding rock destruction process， and provides theoretical reference for similar projects.

1 工程概况

吉莲高速公路永莲隧道位于江西省莲花县、永新县两县交界处，其所在地段地质条件复杂，隧道一侧育有一条与隧道平行的大断裂带F，并衍生数条小断层F1、F2等，其中隧道穿过断层F1，以此阶段隧道为基础，研究断层与隧道围岩稳定性的关系。

1.1 地质条件

隧道穿越断层F1阶段时围岩性质如表1。

1.2 隧道参数

青莲高速永莲隧道穿过断层F1段，模拟隧道参数为：高4.00m、宽8.00m，隧道形状为矩形。

2 模型构建

为了减小边界效应，取隧道所在截面模型的尺寸为100m×30m（y×z），隧道开挖模型截面的底部与模型下边界距离10.50m，隧道截面的顶部与模型上边界距离15.50m，模型的x方向为隧道的开挖方向，隧道的纵深为50m。

模拟地段隧道的埋深为800m左右，施加竖向均布荷载以模拟实际隧道所在的地质条件，施加的竖向均布荷载大小为？滓zz=21.6MPa，侧压力系数根据当地经验值取1.5，？滓xx=？滓yy=1.5？滓zz=32.4MPa，本论文研究对象为逆断层，在x=0、x=50、y=0、y=100、z=0的面设置位移边界条件。隧道的尺寸为8m×4m（长×宽，外接圆的直径d约为8.94m），采用全断面开挖的方式，模型的网格划分如图1。

2.1 力学模型

FLAC3D采用拉格朗日连续介质法进行有限差分分析，此次计算采用理想弹塑性模型，Drucker-Prager 屈服准则。

2.2 开挖方式

FLAC3D软件利用nullmodel模型进行隧道的模拟开挖，其原理是将隧道开挖部分岩体移除，其应力自动设置为0。

3 结果分析

建立断层倾角为45°、隧道所在岩层内摩擦角为25°时的模型，隧道壁与断层的距离分别为9m、6m、3m、1m，位置见图2。

实时记录隧道顶部的最大竖向位移及应力、隧道肩角出的横向位移及应力、隧道腰部横向应力及位移。

3.1 隧道拱顶应力影响作用分析见图3

隧道与断层的距离3m-4m（约0.335d-0.447d）时，隧道顶部中点的岩体受力状态发生变化，由原先负值的受压状态改变为正值的受拉状态，并在2m（约0.225d）左右时达到峰值，其值大小为21.2kPa。

3.2 隧道拱顶位移影响作用分析见图4

断层与隧道距离-隧道顶部中点的位移变化趋势可以分为稳定-缓慢变化-急剧变化几个阶段，断层与隧道的距离大于7m（约0.783d）时，断层对隧道开挖而产生围岩扰动影响较小，其值大小介于25mm-27mm之间。

断层与隧道的距离在3m-7m（约0.335d-0.783d）时，隧道顶部中点的位移数值大小在27mm-31mm，比之前在距离大于7m时增幅约15%左右。

在隧道与断层的距离在1m-3m（0.112d-0.335d）时，其数值最大时达到43.18mm，较隧道与断层距离在大于7m时增幅约66%。

3.3 隧道边墙应力影响作用分析见图5

断层与隧道的距离在大于4.5m（约0.5d）时，隧道边墙受到是拉应力，并且随着断层与隧道距离的不断增加而增加，并在9m时趋于稳定，其数值大小在233kPa。在断层与隧道的距离为4.5m（约0.5d）时，拉应力状态改变为压应力状态，并随着断层与隧道距离的不断减小而不断增加，并在距离为1m（约0.112d）处出现最值，其值大小为171kPa。

3.4 隧道边墙位移影响作用分析见图6

隧道边墙中点的位移变化趋势有趋于稳定-缓慢变化-急剧变化几个阶段。在断层与隧道的距离相距大于7m时，隧道边墙中点的位移趋于稳定，其数值在27mm左右浮动。

在断层与隧道的距离相距4m-7m时，隧道边墙中点的位移逐渐增加，直至增加到在斷层与隧道距离4m时的32.9mm;在断层与隧道的距离为0m时出现最大值，其数值大小为47.1mm。但是隧道边墙中点的位移关系曲线在4m处出现滑坡式下降，此时的隧道安全系数较低。

3.5 隧道肩角应力影响作用分析见图7

在断层与隧道的距离为9m时，隧道四个角的应力大小以右上角的应力为最，其次依次左下角、左上角，右下角的应力最小;在断层与隧道的距离是6m时左上角的应力最大，其数值是6.90MPa，其次是右上角、左下角，右下角的应力最小;在断层与隧道的距离是3m时，左下角的应力最大，其次是左上角、右下角，右上角的应力最小;在断层与隧道的距离为0m时，隧道右上角的应力最大，其次是左下角、右下角，左上角的应力最小。

3.6 隧道肩角位移影响作用分析见图8

随着断层与隧道相对距离的不断增加，断层对隧道四个角的位移都有增幅，且对隧道左上角的位移增幅最明显，在断层与隧道的距离为4m左右时出现骤增趋势，在隧道施工过程中应密切关注，尤其是角部出现过最大位移的左上角。

4 结束语

隧道的塑性区面积在隧道与断层相对距离为1m（0.111d，d为矩形隧道外接圆直径）时达到最大;隧道顶板的应力在隧道与断层相对距离为5m（0.555d）时达到最大值89.7kPa，隧道顶板的位移在隧道与断层相对距离为3m（0.333d）时突然减小;边墙的应力在隧道与断层相对距离为1m（0.111d）时达到最大值171kPa，边墙的位移在隧道与断层相对距离为4m（0.444d）时开始突然减小;四角的最大应力位移均位于左上角，左上角的应力在隧道与断层的相对距离为6m（0.666d）时达到最大值6.90MPa，左上角的位移在隧道与断层的相对距离为3m（0.333d）时开始突然增加。

参考文献：

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