破碎带空间分布对隧道变形特性的影响

摘 要：以某长距离引调水工程中的检修隧道为例，通过二维和三维有限元分析，对不同破碎带空间位置影响隧道施工变形的规律进行了研究，以期为隧道衬砌设计提供数据支撑。所研究的影响因素包括破碎带的走向、倾角、宽度、破碎带到隧道的间距Ｌ、隧道埋深及侧压力系数。通过影响因素的不同组合来模拟不同的工况，以此获得隧道开挖过程中拱顶下沉、隧道收敛、仰拱隆起的变化规律。结果表明：倾角较小时拱顶下沉量较大，收敛量较小，而倾角较大时相反；隧道变形随Ｌ 的增大而减小，当Ｌ＞０．４Ｄ（ Ｄ 为洞径）时变形趋于稳定；隧道变形随着埋深的增大而增大；隧道拱顶下沉量随侧压力系数的增大而减小，且倾角越小下沉量越大，而隧道收敛量呈相反趋势；相比之下，破碎带走向与开挖方向斜交时隧道的拱顶下沉、仰拱隆起和收敛量更大。

关键词：隧道；破碎带；空间分布；有限元分析；变形；南水北调后续工程

中图分类号：Ｕ４５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０７．０２５

引用格式：彭军，冯红春，岳克栋．破碎带空间分布对隧道变形特性的影响［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（７）：１４８－１５３．

在跨流域长距离的引调水工程中，受地形条件限制，隧道输水是主要的输水方式之一。南水北调工程涉及长江、黄河、淮河和海河四大流域，２０２２ 年开工的引江补汉工程是南水北调后续工程首个开工的项目，其全程采用隧洞输水，共布设１１ 条平洞作为检修隧道，均为马蹄形布设，建筑物级别为２ 级。检修隧道断面大、洞线长，局部洞段地质条件差，且经过多处破碎带，故研究不同破碎带空间位置对隧道施工变形的影响显得尤为重要，可为隧道后期衬砌设计提供数据支撑。

破碎带是隧道修建中常见的不良地质体，在这种条件下施工，极易造成隧道塌方和变形，对工程建设和构筑物安全带来极大的威胁。许多学者为此开展了研究：崔岚等［１］ 对在破碎带围岩条件下利用台阶法与单侧壁导坑法施工时隧道的围岩变形和初期支护应力进行了分析；基于同样的思路，李文东［２］ 利用有限元软件对不同工法施工时软弱破碎带隧道围岩变形规律进行了分析；王飞等［３］ 基于监测数据和数值模拟试验分析了隧道穿越破碎带时拱顶下沉和隧道收敛变形规律；宋龙斌等［４］ 通过在隧道断面埋设监测元件对隧道穿越破碎带时围岩变形与支护受力进行现场监测，分析了隧道穿越富水断层破碎带时支护结构受力及变形特征。此外，张结红等［５］ 对地铁隧道以３０°、６０°和９０°三种不同角度穿越地裂缝时的变形进行了有限元分析。胡志平等［６－７］ 分别研究了隧道以４０°和６０°角度斜穿地裂缝时的变形破坏机制。朱启东［８］ 通过模型试验和有限元分析，对盾构隧道管片衬砌结构以３０°角度斜穿地裂缝时衬砌结构的变形破坏特征和作用机理进行了分析。可以看出，对隧道穿越破碎带的研究涵盖了有限元模拟不同施工方法对隧道变形的影响、变形监测、监测和模型试验结合，以及隧道以不同角度穿越地裂缝时的变形规律。但在这些研究中，针对破碎带特征（如宽度、间距等）和不同应力环境（埋深和侧压力系数等）对隧道变形的影响并未考虑。同时，这些研究对隧道不同位置变形的分析也较为薄弱。因此，本文以南水北调后续工程引江补汉工程大深度隧道为研究对象，分析破碎带的空间特性及几何条件对隧道变形特性的影响，利用二维和三维有限元模型对隧道开挖过程中的变形进行模拟，得出了不同破碎带走向和倾角对隧道变形特性的影响规律，进而分析了侧向压力系数和隧道埋深对变形的影响。