矿山法隧道穿越断层及破碎带支护结构研究

梅志远 胡哲钏 李建军 张志强

（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.中铁十二局集团有限公司 山西太原 030024）

1 引言

随着经济社会的发展和科学技术的进步，隧道作为一种利用地下空间的形式，在越来越多的地方被广泛采用［1－3］。大量隧道的建设带来了很多挑战，隧道穿越断层破碎带施工是隧道施工的一个难点，如何安全快速穿越断层及破碎带成为研究热点。因此有必要研究隧道穿越断层及破碎带隧道支护结构体系，对于保障施工安全具有重要意义［4－7］。

目前许多学者对于隧道穿越断层及破碎带进行了研究。王涵等［8］以玉渡山隧道为工程背景，采用FLAC3D程序研究了CD法施工方案，分析拱顶沉降、水平收敛与塑性区范围，依据分析结果并结合现场监测数据，提出锚－网－喷－钢拱架联合支护方案；郝晓燕［9］对断层破碎围岩台阶法施工进行数值研究，得出采用两台阶法穿越断层破碎带时，隧道拱顶沉降和周边收敛均可得到有效控制的结论；张晓勇［10］采用数值模拟方法对比分析台阶法、预留核心土法和三台阶法施工时围岩变形及地表沉降情况；郭海［11］针对不同的施工工法建立不同的计算模型，分析了隧道沉降及围岩屈服情况；张尤利等［12］根据地质特征，运用FLAC3D软件进行数值模拟，对比分析采用不同施工工法穿越断层破碎带时，断层破碎带对施工的影响。

本文以湖杭铁路鹿山隧道为工程依托，采用大型通用有限元软件ABAQUS对穿越断层破碎带不同工法进行模拟和分析，以期为穿越断层破碎带隧道的设计和施工提供有益参考。

2 工程概况及特点

鹿山隧道DK107＋471～DK111＋081.472位于R＝11 000 m的右偏圆曲线上，其余均为直线。进口至DK110＋100为上坡，坡度为3‰，DK110＋100至出口为上坡，坡度为18.5‰。

（1）地形地貌

隧址区主要为丘陵区，地形起伏大，进口地面标高为45～55 m，自然坡度20°～25°；出口地面标高110～120 m，自然坡度20°～30°。植被发育，灌木丛生。

（2）工程地质

洞口地表为第四系残坡积粉质黏土，下伏为全～强风化粉砂岩、泥质粉砂岩、石英砂岩，岩石风化强烈，为Ⅴ级围岩。洞身岩石为弱风化砂岩及石英砂岩。

（3）水文地质

鹿山隧道位于丘陵区，区内地表水稍发育，多处可见冲沟、水库及水塘，水量较丰富，径流条件良好，以山脊为分水岭，向两侧洼地冲沟排泄，汇入富春江，流量主要受大气降雨影响，季节性变化显著。

隧址区断层带、褶皱等构造带在地貌上大都沿两侧的冲沟洼地展布，其影响带内裂隙发育，岩体破碎，导水性较好，构造裂隙水较发育，富水性较好。其中与线路相交断层7处，多顺沟谷走向或在线路附近穿越沟谷或地表水体，构造带与地表沟谷或附近的中小型水库水可能存在一定的水力联系，易导水，为可能的涌水通道。

3 计算模型及参数选取

隧道模型如图1所示。三维模型的边界范围为：水平方向上隧道中心线距离左右边界均为35 m，隧道底部距离模型下边界为30 m，隧道纵向长度为18 m，开挖进尺取为1.2 m，隧道埋深为30 m。在边界约束方面，模型顶部为自由面，不施加约束，其余各面都施加法向约束。

图1 模型网格

按照湖杭铁路鹿山隧道施工设计，初期支护采用喷锚结构，采用C25喷射混凝土，拱墙喷射混凝土厚度为23 cm，仰拱喷射混凝土厚度为15 cm；拱墙部位设置锚杆，锚杆长度为3 m，锚杆环向间距为1.2 m，锚杆纵向间距为1.2 m。本文采用不同超前支护方式和开挖方式进行数值模拟，不同模型支护结构如图2所示。

图2 不同支护结构形式模型

采用牛头山隧道中断层及破碎带的Ⅴ级围岩参数，使用摩尔－库伦本构模型，喷混凝土、锚杆及临时横撑均使用弹性本构模型。围岩、喷混凝土、锚杆和临时横撑物理力学参数见表1。

表1 计算参数

本次计算采用不同超前支护方式和不同开挖方式模拟隧道的施工过程，结合上述分析，共分为4种工况，计算工况见表2。

表2 计算工况

4 计算结果分析

本节主要从变形、受力以及安全性等方面，分析隧道开挖支护完成后，不同工况下土体和支护结构变化情况。

4.1 土体变形分析

为研究隧道开挖支护完成后不同工况下的土体变形，提取模型开挖完成后其竖向位移、水平位移和塑性区分布，图3～图4为不同工况的土体位移云图，图5为不同工况下土体塑性区分布云图，图6～图9为不同位置各工况下的变形曲线。

图3 不同工况下土体竖向位移云图（单位：m）

图4 不同工况下土体水平位移云图（单位：m）

图5 不同工况下土体塑性区分布云图（单位：m）

图6 不同工况下拱顶沉降曲线

图7 不同工况下仰拱隆起位移曲线

图8 不同工况下边墙水平位移曲线

图9 不同工况下洞顶上方30 m土体沉降曲线（mm）

根据图3～图9分析可知：

（1）采用管棚作为超前支护措施，台阶法比全断面法能更好地控制拱顶下沉和仰拱隆起。采用台阶法拱顶下沉在7.5 mm左右，全断面法拱顶下沉在20.0 mm左右。台阶法施工仰拱隆起在16.1 mm左右，全断面法仰拱隆起在18.7 mm左右。

（2）采用注浆小导管作为超前支护措施，台阶法比全断面法能更好地控制拱顶下沉和仰拱隆起。台阶法开挖拱顶下沉在8.8 mm左右，全断面法开挖拱顶下沉在27.5 mm左右。台阶法开挖仰拱隆起在18.7 mm左右，全断面法仰拱隆起在24.6 mm左右。

（3）围岩塑性区具有明显的方向性，与断层及破碎带方向密切相关。台阶法比全断面法围岩塑性区数值小，管棚台阶法的塑性区数值最小，为0.009 67，注浆小导管全断面法的塑性区数值最大，为0.10。

4.2 支护结构应力分析

为研究不同工况下支护结构的受力规律，提取各工况计算完成后的锚杆轴力分布图，如图10所示，图11为各工况计算完成后轴力最大值统计曲线。

图10 不同工况下锚杆轴力分布（单位：N）

图11 不同工况锚杆轴力最大值统计

根据图10～图11分析可知：

（1）四种开挖支护方法的轴力最大值，管棚台阶法最小，数值为83.2 kN；注浆小导管全断面法最大，为757.6 kN。

（2）四种工法下的轴力大小关系与四种工法下的拱顶下沉大小关系基本符合。有效控制土体变形，能减小锚杆轴力。

5 结论

采用大型通用有限元软件ABAQUS对管棚超前支护台阶法开挖、管棚超前支护全断面法开挖、注浆小导管超前支护台阶法开挖、注浆小导管全断面法开挖隧道进行模拟和分析，主要结论如下：

（1）台阶法开挖比全断面法开挖能更好地控制围岩的变形，能够降低拱顶沉降和仰拱隆起。

（2）管棚超前支护方式比注浆小导管超前支护方式能更好地控制拱顶沉降。

（3）土体的竖向变形和水平变形对锚杆轴力影响很大，土体变形越大，锚杆轴力越大。

（4）采用台阶法与全断面法开挖围岩塑性区大小明显不同，台阶法的塑性区更小。