隧道斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性影響分析

舒 進(jìn) 李 健 侯軍紅

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518052； 2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014)

隧道斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性影響分析

舒 進(jìn)1李 健2侯軍紅1

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518052； 2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014)

針對(duì)某公路隧道斷層破碎帶發(fā)育情況，分析了影響隧道斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性因素，并基于有限元MIDAS-GTS分析軟件，采用摩爾—庫(kù)侖模型，對(duì)隧道進(jìn)行了分步開(kāi)挖數(shù)值模擬，研究了斷層破碎帶處位移特征及應(yīng)力特征，得出了一些有意義的結(jié)論。

隧道，斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定性，位移，應(yīng)力，數(shù)值模擬

0 引言

斷層是巖層或巖體在受力斷裂后，斷裂面兩側(cè)巖層沿?cái)嗔衙嬗忻黠@相對(duì)位移時(shí)的斷裂構(gòu)造，構(gòu)造斷裂層是隧道工程開(kāi)挖施工中的最常見(jiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象。斷層破碎帶中巖石具有變化大、風(fēng)化強(qiáng)、完整性差特點(diǎn)，是影響隧道施工安全的主要地質(zhì)因素[1]。因此研究斷層破碎帶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響，對(duì)指導(dǎo)圍巖斷層處設(shè)計(jì)與施工具有重大實(shí)際意義。

1 工程概況

穿越閩西北山區(qū)某公路隧道場(chǎng)址屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地形呈波狀起伏，高差較大，切割較深；隧道場(chǎng)區(qū)在大地構(gòu)造上處于華南褶皺系東部、閩西南坳陷帶北緣。隧道位于坑邊復(fù)式向斜西北翼與李坊—魏坊斜歪倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜西南翼之間，區(qū)內(nèi)見(jiàn)4條斷層帶發(fā)育，皆為非活動(dòng)斷裂帶，涌水量均較大，圍巖級(jí)別低，隧道斷層破碎帶特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2 影響隧道斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性因素

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的地質(zhì)因素主要是兩個(gè)方面：1)內(nèi)部自身因素，主要包括：圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)、巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造、巖石的性質(zhì)、地下水影響和斷層破碎帶與隧道中線的夾角等；2)外部環(huán)境因素，主要包括：隧道的斷面設(shè)計(jì)形式、隧道開(kāi)挖施工工法和隧道支護(hù)方案措施等[2]。

表1 隧道斷層破碎帶特征統(tǒng)計(jì)表

2.1 隧道斷層破碎帶力學(xué)性質(zhì)分析

按斷層力學(xué)性質(zhì)，該隧道斷層破碎帶主要為逆沖壓性斷層和壓扭性斷層兩種。F04和F05逆沖壓性斷層地質(zhì)年代為古生代石炭系晚期屬于單一式斷層破碎帶類型。逆沖壓性斷層主要是由長(zhǎng)軸平行或近于斷層面的菱形壓裂面、壓扁巖、構(gòu)造透鏡體、碎糜巖、包圍其片理化巖或充填于它們中間的斷層泥、不規(guī)則的團(tuán)塊狀石英和方解石組成；斷層面上，常見(jiàn)大量的上盤上沖擦痕[3]。

F04A，F(xiàn)06和F01壓扭性斷層地質(zhì)年代為古生代泥盆系屬于復(fù)合式斷層破碎帶類型。壓扭性斷層的基本特征和邊界范圍與單一式壓沖逆斷層類似，但是破碎帶內(nèi)部常會(huì)出現(xiàn)一些后期疊加的扭性構(gòu)造，在斷層破碎帶中出現(xiàn)大量的切割壓扁巖、構(gòu)造透鏡體、碎糜巖、包圍其片理化巖等構(gòu)造巖、有水平位移并具有明顯水平擦痕的平行劈面，這種情況在靠近主斷面時(shí)比較明顯。

2.2 隧道斷層破碎帶控水與導(dǎo)水性分析

隧道斷層中的斷層水，是相對(duì)集中的基巖裂隙水，主要是由隧道的斷層破碎帶所控制[4]，需具體分析隧道斷層破碎帶的控水性與導(dǎo)水性。

1)斷層破碎帶控水性分析。

隧道F04和F05逆沖壓性斷層壓裂巖分布地帶，由于裂隙發(fā)育，會(huì)形成儲(chǔ)水的構(gòu)造，施工中此處很容易發(fā)生涌水和突水的地質(zhì)災(zāi)害。F04A，F(xiàn)06和F01壓扭性斷層為復(fù)合式斷層，由于其經(jīng)過(guò)了兩次及以上多次的構(gòu)造活動(dòng)，所以在斷層形式的疊加和復(fù)合多樣化，裂隙發(fā)育程度都很高，因此更容易發(fā)生地下涌水和突水的地質(zhì)災(zāi)害。

2)斷層破碎帶導(dǎo)水性分析。

隧道F04和F05逆沖壓性斷層中壓性斷層破碎帶的外帶，特別是壓裂巖分布地帶，由于裂隙發(fā)育，作為斷層主動(dòng)盤的上盤會(huì)成為其導(dǎo)水的通道。而F04A，F(xiàn)06和F01壓扭性斷層為復(fù)合式斷層，它們經(jīng)歷兩次及以上多次的斷層構(gòu)造活動(dòng)，斷層破碎帶的影響寬度相對(duì)于F04和F05逆沖壓性斷層會(huì)變大，其原有的斷層破碎巖石會(huì)更加破碎松動(dòng)，節(jié)理裂隙更加發(fā)育，均可作為地下水和地表水體的導(dǎo)水通道，因此F04，F(xiàn)04A，F(xiàn)05，F(xiàn)06和F01均具有影響隧道施工的危險(xiǎn)性。

3 隧道斷層破碎帶對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬分析

根據(jù)隧道前期地勘資料表明：隧道施工過(guò)程中將通過(guò)多條斷層破碎帶，這樣會(huì)對(duì)隧道的圍巖穩(wěn)定性帶來(lái)很大影響。為了分析隧道施工過(guò)程中圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以隧道逆沖壓性斷層F04的斷面ZK14+200為研究對(duì)象，采用MIDAS-GTS有限元軟件進(jìn)行三維隧道數(shù)值施工模擬。

3.1 本構(gòu)模型選取

本文在采用GTS模擬計(jì)算中，采用了摩爾—庫(kù)侖模型，該模型是最通用的巖土本構(gòu)模型，適用于那些在剪應(yīng)力下屈服，但剪應(yīng)力只取決于最大、最小主應(yīng)力，而第二主應(yīng)力對(duì)屈服不產(chǎn)生影響松散而膠結(jié)的粒狀材料，如：土體，巖石，混凝土等[5]。其屈服準(zhǔn)則為[6]：

3.2 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型寬100m，高120m，隧道埋深90m，縱向長(zhǎng)100m，其中斷層20m。左右邊界施加水平位移約束，下部邊界施加豎直位移約束[7]，如圖1所示。其開(kāi)挖方案如圖2所示，計(jì)算參數(shù)如表2所示。復(fù)合支護(hù)構(gòu)造參數(shù)如下：

1)初期支護(hù):φ25中空注漿錨桿L=350cm，間距為100cm×100cm梅花形布置。C25噴射混凝土厚24cm+Φ6鋼筋網(wǎng)+Ⅰ18鋼支撐@70cm。

2)二次襯砌：C25防水鋼筋混凝土厚45cm。

表2 計(jì)算參數(shù)表

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)斷層破碎帶位移特征分析。

隧道斷層破碎帶處圍巖累積位移如圖3，圖4所示，拱頂最大位移下沉為85mm，側(cè)墻水平最大位移為13mm。

隧道拱頂與邊墻位移變化曲線分別如圖5，圖6所示。由圖5和圖6可以得到：在隧道斷層開(kāi)挖過(guò)程中，1～12個(gè)施工步序，隧道斷層拱頂下沉和側(cè)墻水平位移均很小。隨著施工的進(jìn)一步深入，對(duì)斷層的擾動(dòng)也會(huì)加劇，在11～16施工步序中，隧道拱頂下沉和水平位移都迅速增加，在第16個(gè)施工步序后，隧道拱頂下沉和側(cè)墻水平位移最終趨于平穩(wěn)?？梢耘卸〝鄬悠扑閹У挠绊懛秶窃跀鄬悠扑閹懊?0m和斷層后面50m內(nèi)，在此范圍內(nèi)施工，應(yīng)該加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2)斷層破碎帶應(yīng)力特征分析。

隧道斷層破碎帶處圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別如圖7，圖8所示。從圖7和圖8可以得到，隧道斷層破碎帶處圍巖的最大主應(yīng)力為-1.44MPa～-3.9MPa，最小主應(yīng)力為-0.05MPa～-5.1MPa。

斷層破碎帶處隧道拱頂與邊墻主應(yīng)力P1變化曲線如圖9所示，P2變化曲線如圖10所示。

由圖9和圖10可以得到：斷層破碎帶處隧道拱頂和邊墻的主應(yīng)力變化均很大。影響的范圍主要在斷層破碎帶范圍內(nèi)，故隧道拱頂和邊墻發(fā)生支護(hù)變形和坍塌的破壞風(fēng)險(xiǎn)最大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)和施工監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)穿越閩西北山區(qū)某公路隧道斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性因素分析及使用有限元MIDAS-GTS分析軟件對(duì)隧道斷層圍巖進(jìn)行位移及應(yīng)力計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論：

1)隧道斷層破碎帶力學(xué)性質(zhì)及其控水與導(dǎo)水性質(zhì)是影響圍巖穩(wěn)定性兩大主要因素。

2)隧道斷層處圍巖變形較大，拱頂累積最大位移下沉為85mm，側(cè)墻水平最大位移為13mm。影響范圍是在斷層破碎帶前面20m和斷層后面50m內(nèi)。

3)隧道斷層處圍巖應(yīng)力較大，隧道斷層破碎帶處圍巖的最大主應(yīng)力為-1.44MPa～-3.9MPa，最小主應(yīng)力為-0.05MPa～-5.1MPa。隧道拱頂和邊墻發(fā)生支護(hù)變形和坍塌的破壞風(fēng)險(xiǎn)較大。

[1] 郗舉科,吳 軍,宋戰(zhàn)平.軟弱破碎圍巖大斷面隧洞開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)[J].西北水利發(fā)電,2003(2):36-39.

[2] 李世輝.隧道圍巖穩(wěn)定性系統(tǒng)分析[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1991.

[3] 高海軍.斷層破碎帶隧道圍巖穩(wěn)定性分析[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2013,20(4):24-29.

[4] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1995.

[5] 北京邁達(dá)斯公司.MIDAS/GTS入門手冊(cè)[Z].

[6] 趙 奎,李天斌,袁海平.有限元簡(jiǎn)明教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.

[7] 李文華,李 昊,古銀城,等.斷層對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的有限元分析[J].施工技術(shù),2013,42(7):93-96.

Analysis on the impact of surrounding rock stability in tunnel fault-fracture zone

Shu Jin1Li Jian2Hou Junhong1

(1.Railway3rdSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Shenzhen518052,China;2.WuhanErhangHighwayBridgeSpecialEngineeringCo.,Ltd,Wuhan430014,China)

In light of the highway tunnel fault-fracture zone developing conditions, the paper analyzes factors influencing surrounding rock stability in tunnel fault-fracture zone. Based on finite element MIDAS-GTS analysis software, applying Mohr-Coulomb model, it carries out step-by-step excavation numerical simulation, studies the displacement features and stress features of fault-fracture zone, and finally draws some meaningful conclusions.

tunnel, fault-fracture zone, surrounding rock stability, displacement, stress, numerical simulation

2014-12-15

舒 進(jìn)(1987- )，男，碩士，助理工程師； 李 健(1982- )，男，工程師； 侯軍紅(1970- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)06-0160-03

TU470

A