高铁隧道断层带围岩变形规律有限元分析*

赵青云， 曹广勇， 翟朝娇

(安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我国地质构造复杂，在山区需要修建大量隧道，在修建隧道时应尽量避开断层，但也会遇到无法避开的情况。断层带岩体松散破碎、稳定性差，这种不良地质会对工程带来风险，断层破碎带的岩体比较松散，现场管理措施不到位等原因可能导致隧道塌方、突泥等灾害。

杨青莹等[1]利用有限元方法，模拟改变断层带的宽度、倾角和水头压力，研究围岩的变形、受力规律，分析了隧道受富水断层带的影响。李文华[2]利用有限元的方法，模拟改变断层倾角和断层与隧道相对位置，研究隧道围岩稳定性影响。汪杰等[3]利用数值模拟结合试验的手段，对节理倾角不同的岩体的破坏特性进行了研究。朱合华[4]利用有限元的方法，以弹塑性损伤本构模型模拟软弱围岩隧道开挖，分析了软弱围岩渐进破坏机理。黄生文[5]依托实际工程，运用有限元的方法，模拟断层区段围岩应力状态，总结了大跨度断层破碎带隧道围岩应力分布规律。针对高铁穿越断层带隧道的围岩变形规律进行数值模拟与分析，对比分析现场监测数据，以期对类似工程提供参考和借鉴。

1 隧道概况

1.1 地质概况

皇后岭隧道位于山西省长治市境内，起始里程为起始里程为DK241+765终点里程为DK246+305全场4540m，隧道位于沁水盆地南缘，晋获褶断带的西侧。隧道地属长治盆地南缘，属底中山区。研究区段为断层破碎带段，隧道埋深范围约166.7m-210.3m，围岩等级为V级，断层倾角为70°。隧道地质剖面如图1所示。

图1 隧道地质剖面图

1.2 开挖及支护概况

断层破碎段隧道采用三台阶临时仰拱法开挖隧道，依次开挖上、中、下台阶，每天进尺1.2m。断层破碎段隧道围岩为V级，隧道拱架采用I22型钢，锚杆按梅花布置，环距1.2m×1.0m，锚杆布置示意图如图2-3所示。

图2 锚杆横断面示意图

图3 锚杆布置纵断面图

2 现场监控测量分析

2.1 洞内监控测量

该段不良地质段为下穿采空区及穿越煤层段，施工过程中根据隧道围岩发育情况确定监控量测频率，为隧道施工提供可靠的信息、数据。

洞内采用正方形反光贴作为观测标志，反光标志贴在定制的钢板上，另外在采用胶带绑住，钢板和钢筋采用焊接连接，这样构成观测桩。初喷混凝土后，用手钻打孔，钻孔不小于0.1m，打入检测桩，为了让检测桩更加稳定，需等待混凝土喷完后覆盖粉粒并清理干净，然后采集初始数据。如果测点损坏，需要及时补上，监控测量采用全站仪进项量测。

监控测量点布置：拱顶设置一个沉降观测点，两边拱腰位置各设置一个监测点，两边拱腰各设置一个监测点，沿着隧道轴线方向每5m布设一个监测面测量频率为1次/d，周期为60d。衬砌完成后，依照原来的每5m在衬砌上布设监测点继续监测。测点布置如图4所示。

2.2 监测结果分析

分析可知：

(1)拱顶沉降相对于拱肩位置和拱腰位置的收敛要大很多，拱顶属于重点监测部位。由图5可以看出断层对围岩扰动影响比较大。越靠近断层，拱顶沉降、拱腰和拱肩的收敛越大。

图4 测点布置图

图5 围岩沉降收敛累计变化图

(2)在DK243+50到DK243+100这段的沉降和收敛变化比较平缓，从DK243+100到DK243+150，沉降和收敛值由缓慢到快速增大，拱顶最大沉降为12.4mm，拱肩最大收敛为4.9mm，拱腰最大收敛为3.5mm。DK243+100到DK243+205这段，沉降和收敛值由快速下降到缓慢下降。且最大沉降和收敛均发生在断层偏向的一侧。各监测断面的沉降和收敛值均远小于预留量。

3 数值模拟

3.1 FLACD 3D计算基本原理

FLAC 3D利用有限差分法，此方法利用差分公式求解偏微分方程。FLAC 3D在基坑、隧道、边坡等应用广泛，相较于其他软件在大变形方面比较突出。软件里面自带很多本构模型，也有很多结构单元，可以更好的建立数值模型。FLAC 3D中一般求解步骤：先建立网格，选取本构并输入模型中的各种材料参数，确定好边界条件和初始条件，得到施工前的初始平衡状态，然后再开始挖控或者改变一些条件分析工程的响应。

3.2 模型建立

基本假定：不同岩体的岩体性质各向同性、均质、各向同性；对于构造应力予以忽略，也不考虑地下水的影响；模拟隧道时，断层岩体采用弱化的方法实现，隧道中的结构构件采用软件中的结构构件单元实现。

根据圣维南原理，隧道开挖的影响范围一般为洞径的3～5倍。隧道最大宽度为14.4m，最大高度为12.2m。隧道断面形式为五心圆，模型尺寸为Y×X×Z=140m×140m×120m。由于破碎段隧道埋深较大，计算模型取的深度较深，模拟的隧道模型整体高度取120m，通过附加应力实现未建立的岩体的荷载,模型如图6、7所示。

图6 计算模型

图7 衬砌及支护构件

3.3 材料参数

数值计算采用摩尔—库伦本构模型，材料的体积模量K和剪切模量G用下列公式计算得出：

(1)

(2)

其中，E代表岩体的弹性模量，μ代表泊松比。

3.4 开挖过程

定好边界条件，让模型在只有重力的条件下进行初始应力计算，达到平衡后，把位移、加速度和塑性变形清除。然后利用FLAC 3D中的空壳模型模拟隧道的开挖并打上支护构件。模型两次平衡的位移云图及监测点位移图如图8-10所示。

图8 自重应力平衡位移云图

图9 开挖后应力平衡位移云图

图10 监测点位移图

(1)在DK243+85到DK243+105段，断层破碎带在拱顶上方，断层破碎带与隧道的竖向垂距较大，在距离断层比较远时，断层破碎带对拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛没有影响。在DK243+105到DK243+135段，随着隧道拱顶到断层破碎带的竖向垂距变小，破碎带对拱顶沉降和拱腰、拱肩收敛影响变大。DK243+135到DK243+175段，断层破碎带已经接触隧道或与隧道竖向垂距非常小，拱顶沉降和拱肩收敛值发生了突变，由左向右先迅速增长，达到峰值后迅速减小。DK243+175到dk243+205段，随着隧道和断层破碎带竖向垂距的逐渐变大，拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛值逐渐变小，过了DK243+205后隧道的沉降收敛几乎不受断层破碎带的影响，拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛趋于一个稳定值不再变化。沉降和收敛的最大值发生处在断层偏向的一侧。

(2) 拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛的突变范围比断层和拱顶的接触范围要大。隧道和断层破碎带的接触范围为33.4m，拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛的突变范围为40m。

(3)拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛最大值均发生在DK243+150处，分别为13.4mm，5.8mm，2.42mm，与现场监测结果差别不大，说明利用软件模拟的结果可供隧道施工参考。

表1 材料参数

4 结 论

(1)模拟结果显示，隧道下穿断层带时，拱顶沉降和拱肩、拱腰收敛的变化趋势均为先增大后减小。沉降和收敛的最大值发生处在断层偏向的一侧。

(2)采用FLAC 3D模拟断层隧道，隧道的沉降收敛突变范围比断层带与隧道接触范围大。在支护措施下各监测断面的沉降和收敛值均远小于预留量。

(3)现场监测对比模拟结果，说明模拟结果可供类似工程参考。