宽大断层构造破碎带内隧道施工稳定性分析

李 鹏，张成良，李 珍，王臣辉，王 超

(1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

隧道在山区高速公路建设中占有很大比重，受线路走向限制，隧道常需穿越如断层构造破碎带等复杂地质环境。断层破碎带由于特殊的岩体结构和赋存环境，岩体节理、裂隙发育，结合较差，围岩自稳能力差。若断层破碎带出露于地表，与地表水系连通，在隧道穿越断层破碎带区域，由于开挖扰动，地表水、基岩裂隙水往往会通过裂隙通道渗入隧道，极易诱发隧道坍塌、突水突泥等地质灾害[1-2]。

近年来，针对隧道穿越断层构造破碎带的稳定性研究，国内外学者采用数值模拟、模型试验、现场监测等方法做了很多工作。耿萍等[3]通过动力分析和振动台模型试验相结合方法，研究穿越断层破碎带隧道在地震作用下的动力响应特性。何川等[4]通过振动台模型试验及数值计算对断层破碎带隧道动力响应进行研究。王帅帅等[5]推导平面SV波入射下深埋圆形隧道“围岩-减震层-初期支护-二次衬砌”减震系统的动力响应。Seokwon Jeon等[6]采用数值模拟和模型试验对隧道不同开挖方法施工时围岩的稳定性进行分析。刘泉声等[7]通过综合监测系统，分析断层破碎带围岩变形与支护结构受力。万飞等[8]运用综合监测系统，对穿越关角隧道F2-1断层破碎带围岩进行监测分析，提出合理支护方案。左清军等[9]分析跨越断层富水软岩隧道塌方影响因素及围岩失稳破坏模式。王德明等[10]研究了断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程。

由于地质构造、水文特征等存在差异，不同隧道穿越断层破碎带时遇到的地质问题和环境条件不尽相同。在参考前人研究基础上，以哨房丫口隧道穿越断层构造破碎带为研究背景，应用数值模拟方法分析枯水期(工况1)、正常降雨期(工况2)、丰水雨季(工况3)3种工况下隧道围岩位移变形规律和应力应变特征，为不同工况条件下隧道穿越断层构造破碎带施工提供依据。

1 工程概况

1.1 工程简介

哨房丫口隧道位于高速公路第1标段，该段地势南北高、中间低，自然地形坡度较陡。隧道设计速度为100km/h，按双向6车道设计，净宽14.5m，净高5.0m。路面设计荷载采用公路Ⅰ级，隧道最大埋深156m。

1.2 区域地质概况

哨房丫口隧址区以断裂构造占据主要地位，路线受南北向断裂影响较大；褶皱规模较小，且多残破不全。ZK4+200附近，在隧址区近似南东-北西向展布，其左翼(南西翼)产状280°∠47°，右翼(北东翼)产状225°∠48°。褶皱区地层主要为白垩纪系马头山组泥质砂岩，其核部岩体较破碎，两翼岩层较完整。隧道开挖段受地质断裂影响强烈，在ZK5+080附近有1处长约260m、宽约30m断层构造破碎带及影响带，其产状为135°∠41°，宽度约为隧道洞径的2倍，隧道线路与断层构造带位置关系如图1所示。

图1 哨房丫口隧道与断层构造破碎带位置

1.3 隧道区地层岩性与降雨

2 断层构造破碎带对隧道稳定性的影响

1)哨房丫口断层构造破碎带及其影响带区域地表植被异于两侧，有小型的陡坎和山脊鞍沿断层带发育，断层构造破碎带宽约30m，影响带宽约60m，断层构造破碎带初露于地表，出露区域地势低洼，地表有水流通过、多处水潭及泉眼分布，断层构造破碎带岩样含有风化残积土及白色钙质附着物，遇水易侵蚀、泥化；再加上存在伴生裂缝，为地下水连通提供了良好的渗透通道，如图2所示。

图2 断层构造破碎带地表岩样

2)哨房丫口隧道开挖至断层构造破碎带附近时，由于断层构造破碎带延伸于地表，开挖扰动地表水、基岩裂隙水会随着断层构造破碎带渗入洞内，地表水系和构造破碎带形成水力连通，在枯水期、正常降雨及丰水期，地表雨水的强度和渗入量随季节变化不同，在丰水期使得大量降雨沿破碎带及地表进入地层补充地下水源。一方面，水渗入断层构造破碎带介质中会产生孔隙水压力，使岩体有效应力降低，岩体有效剪切强度降低。另一方面，当地下水与断层构造破碎带区的硅酸盐矿物发生化学反应时会导致岩石弱化，水与构造破碎带中充填物质结合时使其强度降低，降低了构造破碎带的摩擦系数，促使破碎带强度降低[11]。

3)丰水季时，隧道开挖至断层构造破碎带处，开挖扰动使隧道围岩塑性区域增大，由于水对断层构造破碎带区域的弱化，围岩抵抗剪切变形能力随着剪切变形量的增大而减小。当断层面剪切应力超过围岩抗剪强度时，断层构造破碎带岩体向隧道内挤压移动，使得围岩形变压力和松动压力增大，增大的形变压力和松动压力作用在初期支护上，进而引发隧道坍塌、渗水及过大变形等[12]，如图3所示。

图3 哨房丫口隧道渗水及初支侵限

3 数值分析

3.1 数值模型建立

数值模型建立步骤为：①定义材料属性，包括断层构造破碎带、围岩、注浆加固圈；②设竖向地应力为重力场；③定义枯水期、正常降雨、丰水雨季的岩体材料力学参数，支护材料力学参数3种工况下不变，枯水期、正常降雨、丰水雨季的岩体力学参数依次减弱；④采用弹塑性本构模型和莫尔-库仑屈服准则。

3.2 材料物理参数确定

模拟枯水期材料物理力学参数取值(见表1)，通过地质勘察资料并结合现场勘察情况，对具有代表性的部位取样并在室内进行不同含水量的岩体强度试验，确定模拟的正常降雨、丰水雨季的岩体力学参数分别按枯水期力学参数的5%，10%强度进行递减。

表1 材料物理力学参数

3.3 模型尺寸及边界条件

选取隧道K5+060—K5+200段140m作为研究对象，由弹塑性力学圣维南原理可知，隧道开挖扰动的范围是隧道洞径3～5倍的岩土体有二次应力重分布现象。因此，计算模拟隧道段地层所取范围为：纵向沿隧道轴线方向取140m，水平方向长度取80m，垂直方向由隧道底部到底部边界约为洞径的4倍，取40m，垂直方向上取隧道实际埋深75m，断层构造破碎带的位置为K5+080—K5+110段，隧道轴线与断层构造破碎带走向为正交关系，隧道模型及网格划分如图4，5所示。在网格划分阶段，让隧道断层构造破碎带区域及注浆加固圈的网格划分稍微密实，两侧正常围岩的网格划分次之，这样能更好地真实反映出隧道开挖过程中围岩受力和位移情况。

图4 模型整体网格划分

图5 隧道与断层构造破碎带正交示意

3.4 隧道施工过程模拟

模拟隧道段采用三台阶法施工，围岩应力按上台阶40%、下台阶30%及仰拱开挖30%进行释放，初期支护紧跟掌子面，台阶间和左、右洞间按设计要求设置，根据隧道地质围岩条件选取0.8m作为施工开挖循环进尺长度。分析在枯水期、正常降雨和丰水雨季3种工况下哨房丫口构造破碎带不同里程隧道围岩的应力和变化规律。

4 断层构造破碎带隧道稳定性分析

采用MIDAS/GTS数值模拟软件对隧道K5+060—K5+200段140m范围进行枯水期、正常降雨、丰水雨季3种工况下隧道在断层构造破碎带区域的围岩稳定性分析，为分析隧道受力及位移情况，隧道每隔5m设置1个监测断面，选取典型断面即隧道开挖距断层构造破碎带前5m、隧道开挖到与断层构造破碎带交界处、隧道开挖到断层破碎带中间位置，以及隧道将过断层构造破碎带4个监测断面分析断层构造破碎带对隧道开挖围岩的稳定性影响。工况1～3里程选取分析断面分别为：K5+075，K5+080，K5+095，K5+110。

4.1 隧道围岩位移变化特征分析

为研究构造破碎带区域枯水期、正常降雨、丰水雨季3种工况下围岩位移情况，对3种工况各选定4个监测断面进行围岩位移对比分析。在3种工况下分析隧道4个监测断面拱顶竖向位移，隧道围岩拱顶竖向位移如表2所示，隧道拱顶竖向位移与隧道里程关系曲线如图6所示。

表2 不同工况下监测断面拱顶竖向位移 mm

图6 不同工况下隧道拱顶沉降变化关系曲线

结合表2和图6可看出：①隧道开挖距离断层构造破碎带约15m时隧道拱顶位移明显增加，当距离断层构造破碎带约5m时垂直位移急剧增加，隧道拱顶竖向位移呈“断崖式”下降，在隧道开挖至断层构造破碎带交界处，位移达到最大值，在断层构造破碎带中开挖位移变化不明显，当隧道开挖跨越过断层构造破碎带时位移开始减小，当开挖距离断层构造破碎带>15m时位移变化较小，这时断层构造破碎带对围岩及位移的变化影响较小。②在相同条件下3种不同工况竖向位移变化具有明显的相大性，都是在施工至断层构造破碎带区域位移最大，远离断层构造破碎带区域位移变化较小。在相同条件下丰水雨季位移最大(481mm)，正常降雨期次之(231mm)，枯水期降雨最小(156mm)。3种工况下竖向位移都超过隧道允许的预留变形量。丰水雨季条件下隧道拱顶竖向位移约为枯水期条件下隧道拱顶竖向位移的3倍，约为正常降雨期条件下隧道拱顶竖向位移的1.5倍，降雨强度的增加使得隧道竖向位移大大增加。

4.2 隧道围岩应力变化特征分析

对3种工况下选取的4个监测断面最大主应力进行分析，隧道围岩最大主应力如表3所示，隧道最大主应力关系曲线如图7所示。

表3 不同工况监测断面最大主应力 MPa

图7 不同工况下隧道里程与最大主应力关系曲线

结合表3和图7可看出：①隧道开挖距离断层构造破碎带约15m时隧道最大主应力明显增加，当距离断层构造破碎带约5m时应力急剧增加，隧道应力呈“凸”状形态，在隧道开挖至断层构造破碎带交界处，应力达到最大值，在断层构造破碎带中开挖应力变化不明显，当隧道开挖跨越过断层构造破碎带时应力开始减小，当开挖距离断层构造破碎带>15m时应力变化较小，这时断层构造破碎带对围岩及应力的变化影响较小。②在相同条件下3种不同工况应力变化具有明显的相似性，都是在施工至断层构造破碎带区域应力最大，远离断层构造破碎带区域应力变化较小。在相同条件下丰水雨季应力最大(14.98MPa)，正常降雨期次之(8.02MPa)，枯水期降雨最小(4.15MPa)。丰水雨季条件下隧道应力为枯水期条件下的4倍，约为正常降雨期条件下应力的2倍，降雨强度的增加使得隧道最大应力大幅度增加。

隧道围岩与断层构造破碎带交界处是隧道应力集中区。隧道在开挖距断层构造破碎带一定距离时，由于断层构造破碎带自重应力存在，当隧道与断层构造破碎带一定距离的围岩不足以抵抗断层构造破碎带自身重力，岩体会沿着断层构造破碎带产生位移，对隧道产生较大围岩压力。隧道随着富水程度变大，水对断层构造破碎带区域的围岩弱化，导致围岩塑性区变大，应力因断层构造破碎带的滑移岩体变大而变大。

5 结语

以哨房丫口隧道断层构造破碎带不良地质为研究对象，针对隧道在丰水雨季特殊环境下过断层构造破碎带段施工过程中围岩软弱、初期支护侵限严重等问题，通过数值模拟对3种工况下隧道围岩位移变形规律和应力、应变特征进行分析，得到以下结论。

1)由3种工况下选定的4个不同监测断面可看出，在工况3条件下隧道开挖至断层构造破碎带约15m时隧道拱顶竖向位移和最大应力开始增加，越靠近构造破碎带位移和应力越大，当进入构造破碎带与围岩交界位置时，位移和应力达到最大值，远离构造破碎带时位移和应力明显减小。在相同条件下丰水雨季位移和应力最大、正常降雨期次之、枯水期最小，隧道拱顶竖向位移和最大应力随富水程度增加而增大。

2)破碎带岩体力学性质和降雨量对岩体变形和应力影响最大，尤其是地表雨水渗透对岩体强度的弱化最明显。因此，若有条件时尽量避开雨期施工，并对地表进行必要的防渗处理。同时，在洞内距断层构造破碎带约15m处应加强超前注浆支护、降低开挖强度，以保证隧道稳定性。