隧道断层破碎带坍塌机理及处理措施研究

周 游，杨竹胜，周成嵩，张志勇，周宏根

(云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 671000)

中国是全球公路隧道总量最多的国家之一，近十年高速公路的总里程数增加了3倍[1]。公路隧道相比于铁路隧道具有边坡要求、缩短里程等优点，但是公路隧道断面更大，公路隧道开挖时围岩的受力过程更为复杂，因此围岩变性破坏模式的研究对隧道工程施工具有重要价值。岩体变形破坏主要是内部存在细微裂缝或者原生节理扩展引起的，但是节理围岩的不连续性使得分析断层破碎带变形破坏机制无法使用有限元分析方法[2]。离散元方法可以将岩体模拟为由多个离散单元组成的实体，适用于分析不连续的个体[3]。因此，使用离散元方法模拟断层破碎带在未支护和支护下的力学性能，分析断层隧道坍塌破坏机理。

1 隧道断层破碎带坍塌机理分析

1.1 工程概况

隧道X位于珠海市，隧道左线为ZK5+910 m至ZK5+554 m，右线为YK5+913 m至YK5+561 m。隧道途径内陆地区的水文条件主要为前河山及其支流，区域性气候条件多变且复杂，多出现暴雨、雷击等灾害性天气。其沿线区域的岩体主要为花岗岩，岩体的节理裂隙相对发育，裂面较为平直。风化层厚度为5～20 m，部分风化程度较深，呈现砂粒状，其承载能力和抗压性能已大幅度减弱。隧道X经过A水库区段的岩体裂隙尤为明显，在距离水库110 m左右处出现断层。该断裂带为典型的花地断裂，其与水库的相对位置如图1所示。

该断裂带位于水库北侧，长2 km，宽3～5 km。断裂带整体呈现走向北东60°，倾向北西80°的趋势。断层破碎带的岩体主要为石英、团状硅化岩，断层面呈现波状，边缘部分可见明显挤压感，具有反扭特点。

1.2 未支护断层破碎带隧道数值模拟

以断层破碎带单轴抗压强度和弹性模量参数的确定为例，分析破碎带隧道数值模拟细观参数的确定标准。弹性模量取决于岩体风化程度、节理粗糙度、岩层厚度等12项因素，在实际计算中，可根据工程围岩情况查阅围岩弹性模量分值表、折减系数计算实例等计算得到[4-5]。单轴抗压强度受到岩体节理尺寸、节理腐蚀变形程度和其粗糙度等多项因素影响，其经验公式为[6]：

(1)

式中，Jp为岩体抗压强度的折减系数；σci、Vb分别为岩石的抗压强度和块体平均体积；Ja、Jr、J1分别为节理的蚀变度、粗糙度和尺寸连续性评分数值。

线性接触参数如下：接触模量2 GPa；摩擦系数0.15；刚度比1.00。

黏结系数如下：黏结模量8 GPa；抗拉强度0.45 MPa；细观黏聚力0.25 MPa；细观内摩擦角55°；黏结刚度比1.00。

通过计算得到的岩体弹性模量和单轴抗压强度，可计算得到围岩模型的颗粒流细观参数，根据相关数值，借助有软件PFC2D构建断层破碎带的数值模型。节理面的细观参数为：法向刚度1×107N/m，切向刚度1×107N/m，摩擦系数0.3，细观黏聚力1×103MPa，抗拉强度5×102MPa，细观内摩擦角60°[7-9]。数值模拟软件对断层破碎带周围地层的模拟有限，一般选取距离隧道中心位置3～5倍的范围，数值模型的横断面尺寸取隧道宽的6～10倍[10]。最终确定隧道数值模拟模型的上下边界距离为75 m，左右边界距离为105 m，隧道的长为16.7 m，宽为11.8 m。

为确定断层破碎带区段的位置，对里程ZK7+632 m至ZK7+856 m段的隧道进行数值模拟，该区段为断层破碎带影响程度最深的区域。每隔32 m对断层取样，取样位置及各断面节理与隧道相对位置关系如图2所示。

图2 断层破碎带隧道模拟位置示意Fig.2 Simulated location of tunnel in fault fracture zone

1.3 断层破碎带坍塌机理

数值模拟实验设置模拟步长每经过12 500步保存一次，直至运行至50 000步。数值模拟隧道开挖过程显示，当开挖至10 000步时，隧道开始出现坍塌现象，并且随着模拟开挖时间的延长，即开挖深度的加深，隧道围岩的坍塌范围逐渐扩大，但是仍旧主要在节理周围区域。当开挖至20 000步时，隧道发生大规模坍塌现象。模拟现象说明，隧道围岩变形、破坏具有时效性，并且围岩坍塌主要为沿节理面的滑动破坏。

截取的6个界面坍塌模拟结果如图3所示。从图3(a)—图3(c)可知，当节理面与隧道不相交时，隧道的坍塌区域面积较为接近，且坍塌区域为拱形。这是因为目前开挖隧道区域距离节理面较远，受其影响较小。从图3(d)—图3(f)可知，隧道开挖隧道区域距离节理面越近，隧道坍塌区域越小。当节理面处于隧道中心位置时，其左侧或右侧围岩范围小于ZK7+728 m右侧和ZK7+792 m左侧区域。因此相较于ZK7+760 m，ZK7+728 m右侧和和ZK7+792 m左侧区域更容易发生滑动破坏。

图3 不同节理位置隧道坍塌模拟Fig.3 Tunnel collapse simulation at different joint locations

2 隧道加固施工方案设计

依据上述对未支护隧道围岩坍塌机理的分析，断层破碎带的拱顶位置、ZK7+728 m右侧和和ZK7+792 m左侧区域较为脆弱。因此对破碎断层带隧道的支护加固措施为：喷射混凝土厚28 mm，铺设φ8 mm双层钢筋网，架立工字钢拱架20b，沿拱顶、拱墙做空注浆锚杆。经过加固之后的岩体单轴抗压强度计算方式有所不同，根据锚杆中性点理论，锚杆和围岩的变形过程同步，围岩和锚杆共同体的弹性模量和峰值抗压强度有所提升[11-12]。

(2)

经过加固之后的围岩单轴抗压强度计算公式如式(2)所示，cf、φf分别为岩体被破坏时的黏聚力和内摩擦角。根据锚杆中性点理论，锚杆剪应力对巷道表面收敛具有一定控制效果[13-14]。根据该理论，锚杆密度参数β的计算公式为：

(3)

式中，D、r0分别为锚杆直径和隧道半径，锚杆和围岩摩擦系数λ的取值，一般取0.5；Sc、S1分别为锚杆间距和排距。

(4)

加固之后锚杆和围岩等效弹性模量的计算公式如式(4)所示，E、Eb分别为岩体和锚杆的弹性模量。

依据对加固之后的围岩弹性模量和单轴抗压强度的计算方式，可得到加固区岩体的细观参数[15]。相比于加固之前的围岩细观参数，围岩的刚度比、黏结刚度比和细观内摩擦角数值均不变。加固之后的其他细观参数为：接触模量3 GPa，摩擦系数0.15，黏结模量12 GPa，抗拉强度4.5 MPa，细观黏聚力2.5 MPa。加固喷射混凝土的规格为C25，其相关参数可通过混凝土规范查阅得到[16-17]。

由于使用颗粒流模拟锚杆与实际效果相差较远，因此使用锚杆影响区的岩体加固，最终模拟结果如图4所示。铺设双层钢筋网的网格为20 cm×20 cm，工字钢拱架的纵向间距为80 cm，空注浆锚杆的长度为4 m，按梅花形布置。从图4中可以看出，初期支护设置了仰拱结构，从而实现隧道结构的封闭设计。

图4 隧道初始支护模型Fig.4 Initial supporting model of tunnel

3 隧道破碎带加固效果分析

3.1 隧道围岩裂隙扩展过程分析

选取ZK7+792 m隧道断面对隧道围岩裂隙扩展及位移过程进行分析，模拟步长设置与探究断层破碎带坍塌机理的参数设置一致。

隧道开挖并施加加固措施之后的隧道围岩裂隙扩展过程模拟结果如图5所示，图5为实验模拟12 500、25 000、37 500、50 000步时的隧道围岩裂隙变化情况。隧道开挖之后，裂缝最早出现在仰拱结构周围以及隧道开挖处和节理相接位置。随着开挖程度的加深，裂缝开始出现在加固区之外的区域，以节理周围为主。这是因为加固区部位的力学性能有所增强，但是仰拱处并未进行加固，因此裂缝主要在仰拱周围区域。从图中可以明显看出，节理和加固作用共同影响裂隙的分布。加固区的岩体主要受到加固作用影响，因此并未出现裂隙。隧道开挖处和节理相接位置主要受到节理的影响，因此会出现裂隙。

图5 隧道围岩裂隙扩展过程模拟Fig.5 Simulation of crack extension process of tunnel surrounding rock

3.2 节理隧道围岩位移分析

使用软件PFC2D计算步长为50 000步时，观察不同里程下隧道围岩在x方向和y方向的应力云图，观察节理和隧道开挖面相对位置的变化对围岩的影响。

不同里程节理隧道围岩x方向的位移应力云图如图6所示，随着模拟步长的增加，隧道和节理相对位置逐渐缩短，两者在ZK7+696 m截面处相交，之后两者相对位置又逐渐变远。

从图6(a)、(b)、(c)、(g)、(h)中可以看出，节理位于隧道开挖面的左侧时，隧道围岩的水平方向位移随着节理的相对靠近而增大，并且隧道围岩两侧的水平位移均有所增加。这说明随着开挖面靠近节理，节理对隧道围岩水平向稳定性的影响程度降低。图6(c)—图6(g)为节理与隧道开挖面相交并逐渐移至其右侧的过程，当两者相交时，隧道围岩水平向位移减小。这可能是因为两者相交时，隧道围岩作为一个整体，其y方向位移明显增大。

图6 不同里程节理隧道围岩x方向位移Fig.6 x displacement of surrounding rock of different mileage joint tunnel

隧道围岩y方向上，节理和隧道围岩开挖面相对位置对y轴方向上围岩位移的影响与x方向上表现相同。当节理与开挖面相交时，隧道围岩在y方向上出现的大位移区域主要集中在两者相交的上部区域。这是因为节理面的存在使得拱顶区域岩体容易沿着节理面发生滑动位移，拱顶区域更容易发生沉降。

隧道围岩内设置的4处监测点位置如图7(a)所示，1号监测点沉降值和监控测量的拱顶沉降值对比如图7(b)所示，4个测点不同里程的围岩位移规律如图7(c)所示。

图7 隧道围岩不同里程监测点位移Fig.7 Displacement of different mileage monitoring points in surrounding rock of tunnel

1号测点的沉降模拟结果和实测结果相一致，说明离散元数值模拟结果较为可靠。隧道围岩不同里程的位移规律为：由于隧道围岩拱顶有锚杆加固，因此隧道围岩的拱顶隆起值高于拱底沉降值，拱顶稳定性优于拱底。ZK7+792 m里程下右侧位移值高于拱顶沉降值，ZK7+728 m里程下左侧位移值高于拱顶沉降值。这是因为ZK7+792 m的节理和隧道开挖面的右侧相交，ZK7+728 m里程的节理和隧道开挖面的左侧相交，相交位置的围岩稳定性较差，节理面更容易出现滑动破坏情况。ZK7+760 m里程下隧道围岩的沉降值最小，该里程的节理处于隧道开挖面的中心位置。这可能是因为节理面受到左右侧围岩两方的挤压作用，数值模拟显示右侧围岩y方向位移向右。左侧围岩的挤压作用更为明显，x方向也更为明显。隧道围岩左右侧接近时，两侧岩体的重力较小。节理面在左右侧隧道围岩的摩擦下，围岩拱顶左右围岩的y方向位移值较为接近，沉降值也小于其他里程的沉降。

对比图3显示的未加支护措施下隧道围岩开挖数值模拟结果，初期支护明显增强了隧道围岩的力学性能。施加支护措施之后，隧道围岩的裂隙产生和扩散过程得到了有效抑制，拱顶位置的稳定性明显增强。

4 结论

断层破碎带变性破坏机制分析和支护措施研究对预防隧道施工开挖中因隧道开挖导致的围岩坍塌等工程事故具有重要意义。依托隧道X工程，对其断层影响范围内进行隧道开挖模拟，分析隧道围岩坍塌的演化过程及内在原因。隧道开挖面和节理面相交时，相交区域岩体稳定性最弱。节理面的存在使得其最后一位岩体容易出现滑动破坏，针对断层破碎带这一特征制定隧道X支护措施。使用离散元分析软件模拟支护后隧道开挖中围岩裂隙的产生及围岩位移过程。施加初期支护后的隧道围岩力学性能明显提升，围岩尤其是拱顶位置的稳定性显著加强。这一结论说明研究提出的支护措施在理论上具有一定可靠性，但是其实际应用效果还需要通过实践证明。