公路隧道斷層破碎帶圍巖變形規(guī)律數(shù)值模擬

張 曉 勇

(河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 洛陽 471500)

公路隧道斷層破碎帶圍巖變形規(guī)律數(shù)值模擬

張 曉 勇

(河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 洛陽 471500)

為研究斷層破碎帶隧道施工圍巖變形規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法分別考查了臺階法、預(yù)留核心土法和三臺階法施工時圍巖變形及地表沉降情況。結(jié)果表明：斷層破碎帶隧道施工圍巖變形量隨著荷載步增加趨于穩(wěn)定，臺階法造成的拱頂沉降值較大，三臺階法和預(yù)留核心土法能較好的控制隧道拱頂沉降；隧道周邊收斂值也隨荷載步增加逐漸穩(wěn)定，臺階法周邊收斂值最大、三臺階法周邊收斂值最??；地表沉降隨荷載步增加逐漸達(dá)到穩(wěn)定，臺階法施工造成的地表沉降最明顯，三臺階法次之，預(yù)留核心土法地表沉降控制效果最好；預(yù)留核心土法隧道上方橫向形成明顯的沉降槽，隨著荷載步增加沉降槽趨于明顯，最終達(dá)到穩(wěn)定。

公路隧道；斷層破碎帶；圍巖變形；數(shù)值模擬

我國地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)條件具有多樣性，隨著越來越多的公路隧道規(guī)劃設(shè)計，隧道建設(shè)過程中遇到斷層破碎帶的概率明顯增加，由于斷層破碎帶圍巖較為軟弱，強(qiáng)度與自承能力較低，因此斷層破碎帶地段隧道施工困難較大，施工過程中可能遭遇圍巖變形過大、支護(hù)受力不均、塌方涌水等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工過程安全。關(guān)于斷層破碎帶處隧道研究較多[1-8]，探明斷層破碎帶隧道施工力學(xué)行為是確保施工安全的關(guān)鍵要素，在這方面學(xué)者們也做了大量研究，如孫興亮等[9]采用三維有限元方法研究了斷層破碎帶隧道施工過程，著重考察了超前小導(dǎo)管注漿加固對圍巖的影響，結(jié)果顯示注漿加固措施可保證斷層破碎帶隧道施工安全；楊紅軍等[10]采用數(shù)值方法分析了隧道斷層破碎帶對隧道施工期間拱頂位移、邊墻主應(yīng)力以及噴射混凝土內(nèi)力的影響，認(rèn)為斷層破碎帶處一定范圍內(nèi)拱頂位移影響較大，隧道拱頂和邊墻發(fā)生塌方破壞的可能性最大；高嘯也等[11]選取了穿越斷層破碎帶且靠近水庫的里程段為研究對象，系統(tǒng)介紹了通過隧道施工階段的點(diǎn)荷載試驗和監(jiān)控量測資料來定量確定圍巖分級各個指標(biāo)的方法；宋瑞剛等[12]認(rèn)為深埋隧道斷層破碎帶圍巖的失穩(wěn)是一種突發(fā)破壞現(xiàn)象，進(jìn)而結(jié)合總勢能原理，分析了深埋隧道失穩(wěn)破壞模式發(fā)生條件，建立了隧道的失穩(wěn)突變模型，發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶圍巖的突發(fā)失穩(wěn)與幾何-力學(xué)參數(shù)ζ和綜合剛度比k相關(guān)。

現(xiàn)有研究成果可為分析斷層破碎帶隧道施工過程圍巖穩(wěn)定判定、支護(hù)方式選擇及施工方法的選取提供參考，但由于斷層破碎帶地質(zhì)條件的復(fù)雜性，不同工法的隧道開挖過程圍巖變形規(guī)律尚需進(jìn)一步研究。鑒于此，本文依托某斷層破碎帶地段的公路隧道，開展臺階法、預(yù)留核心土法和三臺階法施工條件下不同開挖步時掌子面附近圍巖變形的數(shù)值模擬研究，探明斷層破碎帶公路隧道施工圍巖變形規(guī)律，成果可為斷層破碎帶公路隧道施工圍巖變形控制提供借鑒。

1 工程概況

依托隧道工程屬于貴州省道真至新寨段的單洞雙車道公路隧道，其中隧道上行線里程樁號為ZK155+211—ZK156+085，全長為874 m，最小埋深斷面為12 m，最大埋深斷面為105 m；下行線起訖里程樁號為YK155+215—YK156+111，全長為896 m，最小埋深斷面為16 m，最大埋深斷面為119 m，隧道開挖跨度約為11.9 m，高度10.6 m，根據(jù)設(shè)計資料隧道開挖依據(jù)新奧法理論，采用上、下兩臺階施工，初支錨噴，二襯整體澆筑。隧址區(qū)為山脊復(fù)雜地貌，隧道線型總體由西向東逐漸展布，隧道入口處依靠邊坡沖溝，高程約為880 m～920 m，自然邊坡坡向約0°～30°。隧道出口位于山體沖溝部分，高程約為840 m～880 m，邊坡坡向大致為10°～30°之間，隧道處地址條件多為第四系坡積粉質(zhì)黏土，夾雜碎石，塊石等，另外根據(jù)探測，隧道穿越一條斷層破碎帶，斷層處圍巖較為破碎，還存在地下水發(fā)育的情況，斷層破碎帶斷面埋深約為20 m～30 m左右，隧道施工穿越斷層破碎帶時出現(xiàn)的圍巖支護(hù)變形過大的問題(見圖1)，進(jìn)而造成了鋼拱架損毀、噴射混凝土脫落和隧道上方的地表塌陷等災(zāi)害(見圖2)，另外施工時掌子面前方出現(xiàn)小型的突水突泥問題，嚴(yán)重威脅隧道施工安全。根據(jù)指揮部討論以及現(xiàn)場超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，認(rèn)為斷層破碎帶圍巖較為軟弱，并且存在裂隙水壓，而支護(hù)強(qiáng)度仍然按照非斷層破碎帶施做，強(qiáng)度無法滿足圍巖壓力承載要求，是造成圍巖變形過大的主要原因。因此分析設(shè)計推薦的斷層破碎帶隧道臺階法施工時，掌子面附近圍巖變形規(guī)律具有重要意義，同時對比分析預(yù)留核心土法和三臺階法與臺階法的適用性，成果可為支護(hù)設(shè)計提供基礎(chǔ)資料，也可為施工過程安全預(yù)警提供參考。

圖1 施工圍巖變形過大

圖2圍巖變形引起的地表塌陷

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

為研究斷層破碎帶地層隧道開挖掌子面附近圍巖空間位移規(guī)律，采用有限元數(shù)值軟件ANSYS建立模型，開展臺階法、預(yù)留核心土法和三臺階法施工過程的模擬，根據(jù)設(shè)計資料與現(xiàn)場施工情況，臺階法模擬中上下臺階高度分別取6.6 m和4 m，兩臺階施工長度取為10 m，對比的預(yù)留核心土法中核心土高度為5 m，三臺階法臺階高度分別為3.6 m、3 m和4 m。隧道全長埋深深度不一，但斷層破碎帶處埋深大約為20 m～30 m左右，為了充分反映隧道開挖的空間效應(yīng)并考慮斷層破碎帶實際埋深，減小邊界效應(yīng)對結(jié)果的影響，所建立的模型沿隧道方向長度為64 m，隧道兩側(cè)分別為3～4倍隧道直徑取為45 m，隧道仰拱以下部分取為30 m，隧道拱頂以上取斷層破碎帶斷面的平均埋置深度為25 m。模型兩側(cè)側(cè)面采用垂直該面水平位移約束，底面為固定水平約束和豎向約束，上表面設(shè)定為自由變形邊界，最終所建立的數(shù)值分析模型如圖3所示。

圖3數(shù)值模型

2.2 單元類型

ANSYS軟件自帶有多種結(jié)構(gòu)模擬單元，如桿、殼和實體單元，可可適應(yīng)多種構(gòu)件的模擬，為與隧道實際情況更加接近，模擬隧道開挖的復(fù)雜動態(tài)過程，模型中使用的各類單元如圖4所示，襯砌采用Solid 45實體單元、錨桿采用Link 8桿單元、噴射混凝土采用Shell 66殼單元、圍巖采用實體單元。計算模型采用地層結(jié)構(gòu)法，考慮地層與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用，復(fù)合式襯砌支護(hù)采用彈性模型；由于斷層破碎帶處圍巖較為軟弱破碎帶，施工中采用了超前小導(dǎo)管等加固手段，按照規(guī)范[13]要求將加固區(qū)圍巖粘聚力適當(dāng)提高30%，數(shù)值計算中未考慮鋼筋網(wǎng)，分析結(jié)果應(yīng)是偏于安全的。

圖4數(shù)值模型單元

2.3 材料參數(shù)選取

斷層破碎帶地段圍巖較為軟弱，可采用室內(nèi)飽和固結(jié)排水剪試驗獲得的破碎帶力學(xué)參數(shù)[14]，為充分模擬斷層破碎帶處圍巖的非線性特征，其本構(gòu)模型采用Drucker-Prager模型，結(jié)合設(shè)計資料與規(guī)范要求，最終得到圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表1。根據(jù)現(xiàn)有參考文獻(xiàn)，對于鋼拱架支護(hù)模擬效果，一般選用等效彈性模量法來計算，其計算方法[15]為：

(1)

式中：Ec為考慮鋼拱架后混凝土彈性模量，GPa；E0為初始混凝土彈性模量，GPa；As為鋼拱架截面面積，cm2；Es為鋼拱架彈性模量，GPa；Ac為初始混凝土截面面積，cm2。

表1 模型計算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降

圖5為三種不同施工工法時，隧道拱頂沉降隨荷載步的變化規(guī)律，由圖5可以看出，3種施工方法的拱頂沉降值隨著荷載步增加均趨于穩(wěn)定，其中臺階法拱頂沉降值最大達(dá)到66 mm，三臺階法沉降值次之為51 mm，預(yù)留核心土法沉降值最小為48 mm，說明斷層破碎帶地段采用臺階法施工可能引起拱頂沉降過大問題，三臺階法和預(yù)留核心土法可以達(dá)到控制圍巖變形過大的問題，施工時優(yōu)先推薦三臺階法或預(yù)留核心土法，僅從拱頂沉降控制來看，預(yù)留核心土法效果優(yōu)于三臺階法。通過現(xiàn)場實踐結(jié)果來看，起初采用的是推薦的臺階法施工，當(dāng)出現(xiàn)了圍巖變形過大，支護(hù)浸入建筑限界的情況，后來采用了預(yù)留核心土法施工，圍巖控制效果較好，與數(shù)值計算結(jié)果一致。

圖5不同施工方法的拱頂沉降結(jié)果

3.2 周邊收斂

圖6為不同施工方法周邊收斂結(jié)果隨荷載步的變化規(guī)律，由圖可以看出，隨著荷載步增加，周邊收斂結(jié)果也逐漸趨于穩(wěn)定，說明周邊收斂值隨各支護(hù)措施的實施逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。不同施工方法引起的周邊收斂值不同，臺階法周邊收斂最明顯，施工穩(wěn)定時達(dá)到21 mm，預(yù)留核心土法次之為19 mm，三臺階法控制效果最優(yōu)，施工穩(wěn)定收斂值僅為17 mm，總體來看，三臺階法和預(yù)留核心土法要由于臺階法施工，但三種方法引起的周邊收斂結(jié)果相差不是很大，即僅從周邊收斂結(jié)果來看，三種方法均可以推薦。現(xiàn)場采用臺階法施工時，監(jiān)控量測顯示的周邊收斂值也基本在20 mm左右，可見周邊收斂并不是選擇施工方法的主要控制因素。

圖6不同施工方法的周邊收斂結(jié)果

3.3 地表沉降

圖7為不同施工方法地表沉降隨荷載步的變化規(guī)律，由圖可以看出，地表沉降隧道荷載步增加也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明隧道支護(hù)施做后地表沉降一般不會繼續(xù)增大，不同施工方法對地表沉降控制的影響差異較大，臺階法開挖引起的地表沉降值最大達(dá)到39 mm，三臺階法次之達(dá)到28 mm，預(yù)留核心土法地表沉降控制效果最好，地表沉降值僅為23 mm，從地表沉降控制結(jié)果來看，三臺階法和預(yù)留核心土法效果均比較好，但留核心土法控制效果最佳，因此推薦采用預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。綜合隧道拱頂沉降結(jié)果和周邊收斂結(jié)果，三臺階法和預(yù)留核心土法對拱頂沉降控制效果較好，三種方法引起的周邊收斂相差不大，因此綜合拱頂沉降、周邊收斂和地表沉降分析結(jié)果，建議優(yōu)先采用預(yù)留核心土法進(jìn)行施工。

圖7不同方法的地表沉降

現(xiàn)場斷層破碎帶施工時還發(fā)生了地表沉降過大的問題，隧道上方出現(xiàn)明顯的塌陷，為了研究預(yù)留核心土法對地表橫向沉降的影響，以預(yù)留核心土法為例，得到隧道上方橫向地表沉降變化規(guī)律，如圖8所示。由圖8可以看出，隧道上方形成明顯的沉降槽，且隨著荷載步增加，沉降槽趨于明顯，最終達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定時隧道正上方的最大地表沉降最明顯，達(dá)到僅為23 mm，且沉降槽基本在1倍隧道直徑范圍內(nèi)，說明預(yù)留核心土法可優(yōu)先控制地表橫向沉降，滿足施工要求。

圖8預(yù)留核心土法橫向地表沉降

4 結(jié) 論

(1) 斷層破碎帶處隧道施工會造成較大的擾動，隨著荷載步增加，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，不同施工方法造成的圍巖總變形量不同，臺階法造成的拱頂沉降值較大，三臺階法和預(yù)留核心土法能較好的控制隧道拱頂沉降。

(2) 隧道周邊收斂值也隨荷載步增加逐漸穩(wěn)定，臺階法周邊收斂值最大、三臺階法周邊收斂值最小，但整體上三種方法的周邊收斂均較小，且結(jié)果相差不大。

(3) 地表沉降隨荷載步增加也逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不同施工方法對地表沉降控制影響差別較大，臺階法開挖造成的地表沉降最明顯，三臺階法次之，預(yù)留核心土法地表沉降控制效果最好。

(4) 預(yù)留核心土法隧道上方橫向形成一定的沉降槽，且隨著荷載步增加，沉降槽趨于明顯，最終達(dá)到穩(wěn)定，地表沉降值和沉降范圍均滿足施工要求。

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NumericalSimulationofSurroundingRockDeformationinFracturedZoneofHighwayTunnel

ZHANG Xiaoyong

(He'nanProvinceYaoluanxiExpresswayConstructionCo.,Ltd.,Luoyang,He'nan471500,China)

The excavation of soft rock tunnel in fractured fracture zone often causes large deformation of surrounding rock. To analyze the construction deformation in fault zone and broken rock tunnel, numerical simulation method is adopted to investigate the step method, core indigenous reserve and three step construction method of surrounding rock deformation and ground subsidence. The results show that the fault fracture zone construction of tunnel surrounding rock deformation tends to be stable with increasing load step, method of vault settlement value is large, the three step method and core indigenous reserve can better control the tunnel vault settlement; convergence surrounding values with increasing load step stable, step method of peripheral convergence maximum and three step method of peripheral convergence minimum; surface subsidence has gradually reached a steady state with the increase of load step, the maximum ground settlement caused by construction of the three step method. The second step, core indigenous reserve surface subsidence control effect best, reservation core soil above the tunnel transverse settlement trough was formed, and with the increase of loading step, the settlement tends to be obvious and finally reaches stability.

highwaytunnel;fracturedzone;surroundingrockdeformation;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.035

2017-05-03

2017-06-15

西部交通建設(shè)科技項目(2011318797600)

張曉勇(1974—)，女，河南洛陽人，高級工程師，主要從事橋梁與隧道工程方面的工作。E-mail：599563270@qq.com

U459.2

A

1672—1144(2017)05—0192—04