特大跨度隧道穿越斷層破碎帶時的施工模擬及受力特點

李曉斌

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，714099，渭南//講師)

地質(zhì)條件復雜多變，修筑隧道常不可避免地需穿越斷層破碎帶，極易出現(xiàn)圍巖大變形、塌落及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等災害。由于斷層的性質(zhì)、寬度、填充物、含水性、活動性，以及斷層與隧道的空間位置關(guān)系各不相同，故應對處理措施相對被動，常在圍巖或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常后才采取措施。

目前,國內(nèi)外對隧道穿越斷層破碎帶時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已有一定的研究。文獻[1]分析了高地應力下斷層破碎帶的襯砌力學特征，提出了襯砌的破壞形式和潛在破壞面。文獻[2]對比了普通段和斷層破碎帶段隧道的錯動破壞，提出寬斷層破碎帶錯動不但引起二襯砌垮塌，而且引起隧道垮塌。文獻[3]研究了斷層破碎帶中隧道初支大變形的原因，并提出了相應的措施。文獻[4]模擬了包西鐵路洞子崖隧道淺埋斷層破碎帶的工法，提出雙側(cè)壁導坑法最優(yōu)的結(jié)論。文獻[5]提出位于斷層破碎帶處隧道的內(nèi)力值都遠大于距離斷層破碎帶較遠處相應位置的內(nèi)力值，且當隧道襯砌遠離斷層一定距離后，其縱向截面的內(nèi)力值收斂于一個穩(wěn)定值。文獻[6-7]提出斷層破碎帶處圍巖塑性區(qū)均比非斷層破碎帶處大，且初期支護、二次襯砌內(nèi)力的相比增加10%～30%的觀點，并提出工程處理技術(shù)。

可見，已有研究集中于已修建隧道的靜力分析或是地震力分析，對斷層破碎帶內(nèi)的分部開挖及斷層影響范圍的研究相對缺乏，對特大跨度隧道穿越斷層破碎帶的研究也相對較少。本文結(jié)合某采用臺階法開挖的穿越斷層破碎帶的特大跨度隧道工程，對施工過程中的沉降情況、二次襯砌的受力情況及斷層破碎帶的影響范圍進行研究，為今后類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某新建地下車站跨度為32.3 m，高19.4 m，埋深63～107 m，圍巖等級為Ⅴ級，初期支護采用C25噴射混凝土，二次襯砌為C35鋼筋混凝土。地下車站局部洞身處于斷層破碎帶，其圍巖穩(wěn)定性差。斷層產(chǎn)狀為236°∠80°，寬度約為16 m。隧道施工采用臺階法，其開挖分部見圖1。

a) 平面b) 橫斷面

圖1 臺階法開挖分部示意圖

2 建立仿真計算模型

采用ANSYS有限元分析軟件對隧道及斷層破碎帶進行模擬。地層結(jié)構(gòu)仿真計算模型，沿縱向取220 m，橫向取洞徑的4倍以消除邊界效應。由于隧道在斷層破碎帶附近的最大埋深為85 m，故模型埋深取85 m。斷層寬度取16 m，產(chǎn)狀為236°∠80°。隧道以斜交形式通過斷層破碎帶。仿真模型的計算參數(shù)見表1。

表1 仿真模型的力學參數(shù)表

仿真模型以軟弱帶加接觸面的形式來模擬斷層地段。斷層內(nèi)圍巖的力學參數(shù)以軟弱帶的形式體現(xiàn)，并在斷層與正常圍巖的交界處加入面-面接觸單元Target170和Contact174，以模擬斷層上下盤間的相互作用。初期支護和二次襯砌間也添加相應接觸面，其接觸單元類型同上，可模擬初期支護和二次襯砌間的相互作用及滑移。

臺階法開挖則通過有限元的生死單元功能進行模擬。依據(jù)相應的臺階法施工順序，在模型中對相應的圍巖以殺死單元的操作來模擬開挖，并利用激活單元來模擬初期支護的施作。仿真計算模型見圖2。

a) 地層結(jié)構(gòu)b) 臺階法開挖過程模型

圖2 仿真計算模型

3 仿真計算結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降

根據(jù)開挖進尺達到和未達破碎帶時的數(shù)據(jù)，臺階法開挖過程中各開挖分部的拱頂沉降統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 各開挖分部的拱頂沉降

由表2可見：當開挖進尺未達到斷層破碎帶內(nèi)時，拱頂最大沉降為42.33 mm，且沉降值在第4個開挖分部之后就逐漸穩(wěn)定；當開挖進尺達到斷層破碎帶時，拱頂最大沉降達90.39 mm，是前者的2.14倍，且沉降值在第6個開挖分部后才開始趨于穩(wěn)定?？梢?，斷層破碎帶不僅使隧道開挖時的拱頂沉降值增加，也對沉降的收斂速度有著較大影響。

3.2 接觸壓力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力

修筑二次襯砌后，二次襯砌與初期支護間的接觸壓力如圖3所示。

a) 線路左側(cè)視角b) 線路右側(cè)視角

單位： MPa

圖3 二次襯砌接觸壓力分布圖

由圖3可知，在斷層破碎帶及靠近斷層處，二次襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的側(cè)壓力增大情況。斷層破碎帶附近的初期支護和二次襯砌間的最大接觸壓力為1.76 MPa，距離斷層破碎帶較遠位置的最大接觸壓力為1.36 MPa，前者為后者的1.30倍。因此在斷層破碎帶附近可適當對襯砌邊墻位置進行優(yōu)化設計，以降低襯砌發(fā)生失穩(wěn)的風險[8-9]。

提取斷層破碎帶附近的二次襯砌第一主應力分布，如圖4所示。

圖4 斷層區(qū)域內(nèi)二次襯砌第一主應力分布

由圖4可知，斷層破碎帶區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)最大第一主應力為2.32 MPa，接近混凝土的抗拉強度，結(jié)構(gòu)有出現(xiàn)破壞的可能性。結(jié)構(gòu)受拉區(qū)主要分布在邊墻外側(cè)。因此建議在斷層破碎帶附近對襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻部位加強支護，并增加監(jiān)控量測頻率，以保障工程順利進行[10]。

3.3 斷層破碎帶的影響范圍

由上述分析可知，當隧道與斷層破碎帶呈斜交關(guān)系時，二次襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻位置受斷層影響最大。因此，提取整個模型縱向220 m范圍內(nèi)邊墻外側(cè)第一主應力最大值，并以此來分析斷層破碎帶對二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響范圍。測點的第一主應力與里程的關(guān)系如圖5所示。

圖5 襯砌邊墻測點第一主應力與里程的關(guān)系

由圖5可知，在縱向坐標為100～155 m范圍內(nèi)，測點的第一主應力值有明顯的增加，且在斷層中心位置左右達到最大值(1.91 MPa)；比無斷層影響時相同位置的應力增大了17%左右。因此，可認為寬16 m的斷層影響范圍可達55 m左右。由此建議，隧道掘進過程中，在進入斷層影響范圍內(nèi)時，應采取一定措施來加強支護，提高監(jiān)測頻率，并及時處理異常情況[11]。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某特大跨度隧道穿越斷層破碎帶的實際工程，建立了仿真計算模型，統(tǒng)計了斷層破碎帶內(nèi)臺階法施工的拱頂沉降情況，分析了在斷層破碎帶內(nèi)修筑二次襯砌后的結(jié)構(gòu)受力情況，并提出了斷層破碎帶對二襯結(jié)構(gòu)的影響范圍。最后得到如下結(jié)論：

(1)斷層破碎帶對臺階法開挖時的拱頂沉降值有著較大影響。在斷層內(nèi)開挖時的拱頂沉降為無斷層影響時的2.14倍。

(2)斷層破碎帶的存在明顯延后了拱頂沉降的收斂時機。在本文工況中，有斷層影響下的拱頂沉降在第6個開挖分部后才開始趨于穩(wěn)定，無斷層影響下的拱頂沉降則在第4個開挖分部后就趨于穩(wěn)定。

(3)在斷層破碎帶及靠近斷層處，二次襯砌結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力明顯增大，為無斷層情況下的1.3倍。斷層對二次襯砌結(jié)構(gòu)的邊墻主應力有明顯影響，該處存在明顯的拉應力集中現(xiàn)象，其最大拉應力值為無斷層區(qū)域的1.17倍。故建議對斷層內(nèi)的二次襯砌邊墻采取優(yōu)化設計等措施。

(4)以二次襯砌結(jié)構(gòu)邊墻的第一主應力為評判標準，提出了斷層破碎帶對結(jié)構(gòu)的影響范圍。在本文的算例中，寬度為16 m的斷層，影響范圍為55 m，約為其自身寬度的3.5倍。

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