CRD工法下公路隧道穿越断层破碎带的变形失效分析

雷向军

中铁二十五局集团有限公司西北分公司，陕西 西安 710000

我国是世界上地质灾害频发的国家之一，随着我国公路隧道建设逐步向复杂山区延伸，对施工工艺也提出了极为苛刻的要求，隧道穿越断层破碎带施工即最常见的工程难题。活动断层因其蠕动而产生一定错动位移时，必然引起在建以及运营中隧道衬砌结构破坏，因此亟须开展公路隧道穿越断层破碎带施工稳定性控制相关课题研究。

1 工程概况

某山岭隧道设计为分离式隧道，单条隧道长1685m，埋深为8～14m，区域地质条件极为复杂，特别是在DK36＋230～DK37＋915标段发育有一条约12m宽的F8断层破碎带。该断层破碎带主要是强风化花岗岩，岩体较为破碎且产状紊乱，对施工影响极为显著。

F8断层破碎带的倾角为75°～80°，与线路夹角为77°。该隧道采用交叉中隔墙法（CRD法）施工，开挖施工揭示隧道施工区域地层主要为风化花岗岩，围岩级别可判断为Ⅴ级。隧道断面轮廓具体尺寸为宽7500mm、高7650mm。

CRD工法按左上、左下、右上、右下顺序逐次开挖，具体施工工序如下：（1）超前小导管注浆预支护；（2）在掘进左上部导洞5m的过程中，进行初期支护、上部中隔墙支护，同时在上部中隔墙和左上部边墙设置锚杆；（3）重复第（2）步，同时在掘进左下部导洞5m的过程中进行初期支护、下部中隔墙支护，在下部中隔墙与左下部边墙设置锚杆；（4）重复第（2）步、第（3）步，完成右上和右下导洞开挖与支护。

2 数值模型构建

依照实际工程情况，基于midas GTS NX软件建立3D～FEM数值模拟计算模型，其中断层破碎带长度为12m，隧道轴线与F8断层夹角约为77°，断层倾角取80°。为了有效消除边界效应的作用，地下工程开挖仅对距洞室中心3～5倍洞径范围内的围岩产生相互影响。

三维数值计算模型长度尺寸沿隧道施工方向取135m，模型宽度沿断层错动方向取30m，模型高度取40m，隧道埋深为20m，共划分为51347个节点和60973个单元。围岩采用摩尔-库仑本构模型进行模拟，隧道衬砌结构采用弹性模型进行模拟。通过建立Interface单元，实现对断层活动性的模拟，界面的力学特征通过法向刚度kn、剪切刚度ks、黏聚力c、内摩擦角φ 4个系数进行控制。模型底部采用固定边界约束，前后、左右约束法向位移。围岩以及支护结构的物理力学参数如表1所示。

表1 围岩以及支护结构物理力学参数

在模拟开挖过程中选取3个断面对应位置进行数据分析，沿垂直于隧道中心线方向选取位于下盘的V1断面、位于断层破碎带的V2断面以及位于上盘的V3断面进行监测，其中V1、V2、V3分别距下盘40m、70m、100m。

3 结果分析

3.1 隧道沉降

V1、V2、V33个测点的竖向沉降如图1所示，隧道开挖时位于下盘的测点V1和位于上盘的测点V3变形规律基本一致，表现为隧道在开挖时，初期的4个施工步骤内会有较大的沉降趋势，最大沉降大约为2.5mm。

图1 隧道拱顶沉降曲线图

但沉降变形很快会因为施作了初期支护和二衬而趋于稳定，相比于上盘与下盘，断层破碎带内的测点V3则有不同的变化特征：（1）可以明显看到，相对于上下盘，隧道开挖对断层破碎带的影响更大，破碎带的沉降也更为明显，最大可达9mm；（2）虽然断层破碎带内的沉降更大，但是在采取支护措施后其收敛稳定的速度也更快，这说明一定程度的支护手段对控制断层破碎带的变形是有帮助的。

3.2 隧道收敛变形

在断层破碎带的作用下，隧道整体上呈现向内收缩变形的变化特征，但是相比于上下盘的隧道断面，位于断层破碎带内的隧道的变形收敛更为明显，压缩变形量也更大；同时可以看到，由于隧道和断层呈77°斜交，隧道出现了一定的水平变形，最大的水平收敛约为4.26mm，这表明断层破碎带内的隧道受到了弯曲和扭转变形的作用。

3.3 围岩压力

隧道开挖时，不同断面围岩应力的分布规律基本相同，都表现为拱顶和拱腰位置都受到了较大的压应力，而隧道的拱底则受到了向上的挤压应力，这导致隧道整体上是向内收缩变形的。但是不同断面处围岩压力的分布特征也有差别，可以看到在断层破碎带处围岩压力反而小于上下盘的围岩压力。初步分析认为，在隧道开挖时断层破碎带内的隧道由于向下沉降与围岩出现了脱空，从而导致围岩压力反而减小，这表明在施工过程中应注意对破碎带内的围岩进行注浆处理。

3.4 破碎带剪应力

当隧道开挖时，越靠近破碎带，下盘和上盘地层的剪应力越小，而破碎带内的剪应力则呈现出增大的变化趋势，因而在破碎带的两侧形成了剪应力增大区和剪应力减小区，剪应力在断层破碎带处出现了差异变化，这表明在隧道开挖的扰动作用下，断层破碎带会出现相对错动的运动趋势。这与之前隧道变形的分析是一致的，因而在隧道穿越断层破碎带时有必要采取一定的措施，以确保结构的安全和破碎带的稳定。

4 施工建议

通过上述分析可知，隧道穿越断层施工时对于围岩稳定性以及衬砌结构的安全性极为不利，因此在实际施工过程中应该采取如下技术措施，以确保在隧道穿越断层破碎带的过程中将施工安全风险降到最低。（1）实际施工前应该进行超前地质预报，准确探明断层破碎带的准确位置以及倾向倾角等物理参数。（2）断层破碎带的力学性状和施工稳定性归结于断层的状况，因此隧道开挖时应该加强监控量测频率，准确获得围岩压力以及衬砌结构变形响应规律，依据监测结果实时反馈指导现场施工组织设计。（3）断层破碎带两侧的围岩变形与破坏均差异较大，因此施工至断层破碎带时应该设计合理的变形缝，以保证充分耗散围岩与衬砌结构能量。（4）隧道施工严格遵循短进尺原则，初支施工完毕后，应该及时开展拱顶二衬施工，充分考虑空间效应的因素，在最大程度上限制围岩变形发展。（5）施工至断层破碎带附近位置处，应及时进行超前支护，限制围岩变形发展，并增加初期支护厚度，以满足二衬应力均匀分布于隧洞洞身的要求，确保结构稳定性。

5 结论

（1）上盘与下盘隧道的变形特征基本一致，表现为开挖初期的4个施工步骤内会有较大的沉降趋势，最大沉降大约为2.5mm，而断层破碎带内的隧道则有不同的变化特征，开挖对断层破碎带的影响更大，最大沉降可达9mm，但是在采取支护措施后，其收敛稳定的速度也更快，这说明一定程度的支护手段对控制断层破碎带的变形是有帮助的。（2）隧道结构收敛变形在上下盘位置处相差较小，但因断层错动影响，断层破碎带处收敛变形显著增大，最大水平收敛量为4.26mm，断层破碎带内的隧道受到了弯曲和扭转变形的作用。（3）隧道的拱顶和拱腰位置都受到了较大的压应力，而隧道的拱底则受到了向上的挤压应力，这导致隧道整体上是向内收缩变形的，但在断层破碎带处围岩压力反而小于上下盘的围岩压力。初步分析认为，在隧道开挖时断层破碎带内的隧道由于向下沉降与围岩出现了脱空，从而导致围岩压力减小。（4）当隧道开挖时，下盘和上盘地层的剪应力越靠近破碎带就越小，而破碎带内的剪应力则呈现出增大的变化趋势，因而在破碎带的两层形成了剪应力增大区和剪应力减小区，剪应力在断层破碎带处出现了差异变化，这表明在隧道开挖的扰动作用下，断层破碎带会出现相对错动的运动趋势。