九顶山隧道破碎带开挖与支护数值模拟研究*

马国民，杨华清

(1.云南楚大高速公路投资开发有限公司，云南 大理 671000;2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071)

0 引言

隧道修建过程中会面临各种地质问题，如高地压、富水、大埋深、风化岩层、破碎带等。隧道开挖过程中，这些复杂多变的地质问题会导致隧道发生突水突泥、坍塌等灾害[1-5]。目前，国内外学者已对隧道开挖方法、支护模式、注浆工艺及效果分析进行一系列研究，取得丰硕成果[6-15]。

针对隧道穿越断层破碎带问题，研究工作主要集中在两方面，一方面是通过试验、理论分析或数值模拟研究隧道穿越断层的力学响应及断层对隧道稳定性的影响。Kiani等[16]通过试验研究覆盖层厚度、断层角度等对隧道稳定性的影响。Sabagh等[17]采用室内试验和有限元数值模拟研究隧道穿越断层的力学响应，分析断层角度、断层位移、隧道直径、衬砌厚度、覆土高度等对隧道稳定性的影响。Gao等[18]开展大型三维物理模型试验和数值模拟，研究不同埋深下隧道穿越断层漏水的发生机制和演化规律，分析断层对地下水渗流、隧道漏水的影响。Zaheri等[19]通过三维数值模拟研究断层对隧道中喷射混凝土和管片衬砌性能的影响，分析衬砌厚度、围岩力学特性、隧道深度和断层倾角等对隧道变形的影响。黄生文等[20]以牛湖山高速公路隧道为依托，利用有限元软件对其断层段进行数值分析，得到隧道断层段开挖围岩应力的变化规律。王根等[21]采用离散单元法研究破碎岩层对隧道稳定性的影响，并分析隧道的坍塌演化规律。邵勇等[22]以苏州阳山隧道为依托，对穿越破碎带隧道进行有限差分数值模拟，分析破碎带对隧道围岩变形的影响。穆兰等[23]以罗汉坡公路隧道穿越F5富水断层为依托，对其施工全过程进行三维流固耦合数值模拟，分析围岩的变形规律、力学特性及支护结构位移等。刑军等[24]以拉萨—林芝公路隧道为依托，对连续降雨条件下的隧道开挖进行数值模拟，分析其稳定性及破坏过程。于晨昀等[25]针对山岭隧道富水破碎带的水害问题，建立开挖面破裂角的极限平衡方程，分析得到岩体破裂角、自稳厚度与隧道埋深、自重、黏聚力、内摩擦角、破碎带水头等因素的关系。

另一方面，主要通过数值模拟和现场试验研究隧道穿越断层破碎带的施工工艺和围岩加固技术。钟威等[26]结合大坪山隧道，对隧道穿越断层开挖方法进行优化模拟，发现分步开挖较合适。张优利等[27]、毕旭冰等[28]对隧道穿越断层破碎带进行数值模拟，并提出适宜的施工方案。万飞等[29]对关角隧道断层破碎带段的支护结构进行优化设计，并通过数值模拟和现场监测对其进行验证。Kang等[30]以我国淮南矿区某隧道为例，分析密集断层带隧道稳定性关键因素，提出长管预注浆和新型注浆索的改进支护方法。Abdollahi等[31]对不同加固方式下断裂带隧道掘进过程进行模拟，发现伞形拱和径向注浆相结合是最适合隧道穿越断裂带的加固方式。王涵等[32]对玉渡山隧道穿越F115断层破碎带CD法施工进行数值模拟，分析其拱顶沉降位移、洞内收敛等变形情况，并结合现场监测数据提出新的联合支护方案。

综上所述，目前针对断层破碎带隧道的研究主要集中在隧道变形及稳定性分析，以及在此基础上的施工工艺与支护方式选取方面。断层破碎带岩体破碎、变形量大，若不及时支护，会造成塌方等灾害事故，但完全不允许围岩变形既不现实，也会带来巨大的经济压力。本文通过数值模拟，分析隧道围岩变形及支护受力特征，研究破碎带隧道合理支护时机，既能适当释放围岩应力，又能保证围岩变形可控，以适宜的支护强度保证隧道稳定性，使施工安全、经济。

1 工程概况

九顶山隧道区海拔高程为2 180.000～3 085.000m， 相对高差905m，属构造溶蚀、构造剥蚀中山地形地貌区，地形起伏较大，交通不便。根据云南省区域地质资料显示，线路所在区域位于南北向(经向)构造带与青藏滇缅歹字型构造体系复合部位，根据区域沉积建造、岩浆活动、变质作用、成矿作用、构造层次及构造形迹、地形地貌特征，该区位于洱海深大断裂东部构造区，泛指洱海断裂以东的向阳界海相沉积岩层，岩性以碎屑岩、碳酸盐岩、岩浆岩和基性火山岩为主，间有硅质岩覆以中生界红色碎屑岩，中生代末期燕山运动促使褶皱发育，复经喜山运动进一步复杂化，再经近期外力地质作用的塑造而显露当今外貌。

九顶山隧道区段内构造挤压严重，变质作用强烈，岩体破碎，沿断层带，多处、多期侵入岩活动强烈，花岗斑岩、辉绿岩以岩枝、岩脉、岩株、岩墙状不规则侵入区内各地层。该隧道K283+960附近为次生的阱厂箐断层，地质条件为切割泥盆系白云质灰岩，岩层较破碎，隧道围岩开挖易掉块、坍塌、涌水及突水突泥，建议加强围岩支护。

2 计算模型及参数选取

2.1 计算模型

ZK283+930—ZK284+080段隧道部分穿越断层破碎带地层。根据设计，该段主要采取三台阶留核心土法开挖，衬砌采用SF4a，SF5a型。综合超前地质预报成果及勘察报告，建立计算模型(见图1)，模型底部尺寸为150m×176m，采用四面体单元，共划分2 746 990个单元。模型中包括白色白云质灰岩与灰黑色辉长岩接触带(V1)、灰黑色辉长岩夹灰岩接触带(V2)、白色白云质灰岩与灰黑色辉长岩接触带(V3)3个地层。模型底部和两侧采用铰接约束，为简化模型，在模型顶部(距隧道顶端60m)施加20.6kN/m3的均布荷载模拟上覆岩体(厚438m)的压力。

图1 ZK283+930—ZK284+080段计算模型

2.2 参数选取

根据各地层物理力学性质测试结果，结合以往类似工程经验，拟建隧道区各岩土层及支护结构计算参数取值如表1所示。其中，支护结构弹性模量根据混凝土和钢拱架的弹性模量及截面积进行等效；混凝土和钢拱架的参数取值参考规范确定；加固圈的参数参考相关文献[33-34]，结合围岩可注性及现场经验确定。

表1 各岩土层及支护结构计算参数

3 计算结果分析

3.1 围岩变形与支护受力分析

根据ZK283+930—ZK284+080段隧道开挖工法和支护设计，对隧道左幅开挖及支护过程进行模拟，围岩变形及支护内力分布如图2所示。

图2 ZK283+930—ZK284+080段围岩变形及支护内力分布

由图2可知，围岩变形主要发生在开挖隧道拱顶，开挖引起拱顶以上围岩沉降，拱顶以下围岩少量回弹；拱顶最大沉降约21.50cm，洞内最大水平收敛位移值约5cm，均主要出现在断层破碎带段；支护最大压应力约18.8MPa，拉应力约2.2MPa，均出现在断层破碎带段隧道拱腰及拱顶部位。

隧道拱顶各监测点的沉降时程曲线如图3所示。由图3可知，在开挖过程中，隧道拱顶位移可分为迅速增加和逐渐稳定2个阶段，开挖时围岩迅速变形，开挖后围岩变形逐渐稳定。

图3 隧道拱顶各监测点沉降时程曲线

现场实测ZK284+010断面拱顶沉降曲线如图4所示。由图4可知，最大沉降值约23cm，与模拟值较接近，且也呈先迅速增大后逐渐稳定的变化规律，说明数值模拟结果可靠。

图4 ZK284+010断面拱顶沉降曲线

隧道拱顶沉降最大值沿隧道轴向分布如图5所示。由图5可知，隧道穿过白云质灰岩段时，拱顶沉降5～6cm；围岩向断层破碎带过渡时，拱顶沉降开始大幅度增加，约11.6cm；隧道穿过断层破碎带段时，围岩变形较大，拱顶沉降18～21.5cm；围岩又向白云质灰岩过渡时，拱顶沉降减小。模拟结果与现场监测结果变化趋势基本一致。

图5 隧道拱顶沉降最大值沿隧道轴向分布曲线

3.2 合理预留变形量与支护时机

为研究不同支护时机对围岩变形及支护结构受力的影响，选取围岩变形释放率为0(立即支护)，5%，10%，15%，20%进行支护模拟，支护应力、拱顶沉降、洞内收敛随支护时机变化规律如图6所示。

图6 支护应力、拱顶沉降、洞内收敛随支护时机变化规律

由图6可知，随着支护时机的滞后，隧道围岩变形逐渐增大。围岩变形释放率0，5%，10%，15%，20%后支护，对应的拱顶沉降分别为21.49，24.72，26.86，30.41，38.15cm，洞内收敛位移分别为5.00，6.31，10.42，18.21，19.46cm。当围岩变形释放率≤10%时，白云质灰岩段拱顶沉降增幅不明显，但断层破碎带段增幅明显；当围岩变形释放率>10%时，白云质灰岩段和断层破碎带段均有较大增幅，说明支护越滞后，受支护时机影响的围岩范围越大。

随着支护时机的滞后，支护内力逐渐减小。围岩变形释放率0，5%，10%，15%，20%后进行支护，支护所受最大拉应力分别为2.15，2.07，1.57，1.32，1.29MPa，最大压应力分别为18.84，16.84，14.61，11.84，11.04MPa。当围岩变形释放率<5%，支护最大压应力较大，拱顶最大位移较小，说明围岩应力基本由支护结构承受，此时施加支护并不经济；当围岩变形释放率>10%时，拱顶最大位移随支护滞后有明显增大趋势，支护最大压应力较小，且受支护时机影响逐渐减弱，说明围岩应力接近完全释放，支护所受围岩压应力逐渐稳定，支护拱效应越来越不明显，而支护对围岩变形的控制作用明显下降，围岩变形加剧，围岩自身的支撑作用得到充分发挥，趋于失稳。

通过以上分析可知，当隧道穿越断层破碎带(ZK283+930—ZK284+080)时，围岩变形释放缓慢，若较早施加支护(围岩变形释放率<5%)，随着隧道向前掘进，围岩会对支护进行持续性挤压，此时对支护材料要求较高；若较晚施加支护(围岩变形释放率>10%)，支护最大压应力基本不发生变化，而拱顶位移会大幅度增加，且受支护时机影响的围岩范围也有所增大，可能导致围岩大范围失稳。因此，可判断围岩变形释放率率5%～10%为较合理的支护时机。为适应工程实践，可结合图4将围岩变形释放率转换为开挖距离，开挖距离达到10m后围岩变形基本趋于平稳(围岩变形释放接近100%)，则围岩变形释放率5%～10%对应的开挖距离为0.5～1m， 表明支护滞后掌子面0.5～1m为较合理的支护时机，对应的围岩预留变形量为25～27cm。

4 结语

本文采用FLAC3D对九顶山隧道左幅穿越断层破碎带段(ZK283+930—ZK284+080)开挖及支护全过程进行模拟，主要得到以下结论。

1)在设计的开挖工法和支护结构下，隧道穿越断层破碎带(ZK283+930— ZK284+080)时，拱顶沉降最大约21.50cm，洞内最大收敛约5cm；支护所受最大压应力约18.8MPa，最大拉应力约2.2MPa，均出现在断层破碎带段隧道拱腰及拱顶部位。

2)开挖过程中，隧道拱顶位移可分为迅速增加和逐渐稳定2个阶段，开挖时围岩发生迅速变形，开挖后，围岩变形逐渐稳定。当隧道穿过白云质灰岩段时，拱顶沉降5～6cm；当围岩向断层破碎带过渡时，围岩变形开始大幅度增加，约11.6cm；当隧道穿过断层破碎带段时，围岩变形较大，拱顶沉降18～21.5cm；之后，围岩又向白云质灰岩过渡，拱顶沉降回落。

3)隧道穿越断层破碎带时，围岩变形释放缓慢，若较早施加支护，随着隧道向前掘进，围岩会对支护进行持续性挤压，此时对支护材料要求较高；若较晚施加支护，支护最大压应力基本不发生变化，而拱顶位移会大幅度增加，且受支护时机影响的围岩范围也有所增大，可能导致围岩大范围失稳。支护滞后掌子面0.5～1m为较合理的支护时机，对应的围岩预留变形量为25～27cm。