斷層破碎帶影響下軟巖隧道涌水敏感性分析

楊成忠， 楊 鵬， 王 威， 曾孟文， 廖 磊

(1. 華東交通大學 土木建筑學院， 江西 南昌 330013； 2.贛東公路設(shè)計院， 江西 撫州 344000)

1 概述

軟巖隧道在穿越或靠近斷層破碎帶時，由于開挖擾動和破碎巖體本身的不穩(wěn)定性，軟巖隧道在施工過程中較易出現(xiàn)諸如圍巖大變形、失穩(wěn)、涌水等現(xiàn)象，這給施工帶來了較大的安全隱患。近年來，許多專家學者針對隧道涌水機理及治理方面做了大量研究[1-2]。對因斷層破碎帶而引起的隧道涌水塌方問題的研究也在持續(xù)當中[3-4]，李生杰[5]等對烏鞘嶺隧道穿越斷層而發(fā)生的涌水塌方事故進行了研究，得出該事故是由斷層破碎帶引發(fā)的泥礫石型突涌災害。范威[6]等通過利用鉆探、水化學分析和試驗等方法，對某隧道突涌水來源和途徑做了深入的研究，并得到斷層是該隧道主要的涌水途徑。

在數(shù)值模擬方面，隧道涌水和圍巖穩(wěn)定受斷層影響的研究較多[7-9]，吳義[10]等建立相關(guān)模型分析不同斷層工況下對隧洞圍巖穩(wěn)定的影響，得出小角度單斷層下傾角越大突水速度和涌水量也越大；劉學增[11]等建立的模型當中，考慮在不同斷層錯動位移下對圍巖穩(wěn)定的影響，得到斷層錯動位移越大圍巖壓力總趨勢是增加的。在上述研究中，考慮了斷層對隧道涌水及圍巖穩(wěn)定的影響，但均是在控制斷層的單一因素變化進行的分析，未對斷層破碎帶多因素影響下的軟巖隧道涌水敏感性問題進行分析，為此，本文依據(jù)正交試驗原理設(shè)計試驗方案，建立針對斷層破碎帶影響因素的數(shù)值模型，以此分析研究斷層破碎帶各影響因素對隧道涌水及圍巖穩(wěn)定的敏感度問題，此外結(jié)合數(shù)值試驗結(jié)果具體分析了佛頭嶺隧道涌水塌方的工程地質(zhì)原因。

2 正交試驗設(shè)計

正交試驗是以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，通過預設(shè)的正交表安排試驗，從而達到既能減少試驗次數(shù)，又能得到較好的統(tǒng)計結(jié)果。常見過程為：選取試驗因素、水平及指標，選取合適的正交表安排試驗，依據(jù)正交表進行試驗并得到試驗結(jié)果，對相關(guān)結(jié)果進行極差或方差分析。

2.1 正交因素、水平及指標

目前對考慮斷層影響下的隧道開挖穩(wěn)定性研究較多，主要是通過加入斷層因素來達到對比的目的，考慮相關(guān)斷層的因素有：斷層錯動、斷層寬度、高地應力斷層破碎帶、斷層傾角、正斷層及逆斷層等，在數(shù)值分析中考慮上述因素并形成單一變化的計算方案就可以達到因素對比的目的?？紤]計算方案的簡易性及佛頭嶺隧道斷層的實際產(chǎn)狀情況，選取以下4類影響因素：斷層破碎帶傾角(A)、斷層破碎帶寬度(B)、斷層破碎帶至隧道凈距(C)、斷層破碎帶充填物力學性質(zhì)(D)。

為研究斷層破碎帶相關(guān)因素對隧道涌水及圍巖穩(wěn)定的影響程度大小，在斷層影響因素水平取值合理性的問題上，同樣綜合考慮模型建立簡易性及佛頭嶺隧道斷層破碎帶的實際產(chǎn)狀情況，相關(guān)水平取值如表1所示。數(shù)值計算基于FLAC3D中流固耦合分析板塊，考慮水巖相互作用的影響，選取斷面涌水量和斷面變形比值來分析隧道涌水及穩(wěn)定情況。

表1 正交因素及水平取值表Table 1 Orthogonal factors and level table水平斷層傾角A/(°)斷層寬度B/m斷層至隧道凈距C/m斷層充填物力學性質(zhì)D1055Ⅰ類2451010Ⅱ類3902020Ⅲ類

2.2 正交因素、水平及指標

依據(jù)表1，本次試驗共4類因素及每類因素下分3種水平，為此選取正交表中的L9(34)，將相關(guān)因素及水平代入正交表中，得到斷層破碎帶相關(guān)影響因素下軟巖隧道涌水及圍巖穩(wěn)定性分析的試驗方案(見表2)。

表2 正交試驗方案Table 2 Orthogonal test scheme試驗斷層傾角A/(°)斷層寬度B/m斷層至隧道凈距C/m斷層充填物力學性質(zhì)D1055Ⅰ類201010Ⅱ類302020Ⅲ類445510Ⅲ類5451020Ⅰ類645205Ⅱ類790520Ⅱ類890105Ⅲ類9902010Ⅰ類

為研究斷層破碎帶相關(guān)因素對軟巖隧道涌水及圍巖穩(wěn)定的影響程度大小，采用2種指標進行評價，分別為隧道監(jiān)測斷面最大涌水量指標和監(jiān)測斷面變形速率比值指標，前者對隧道可以直接反應出隧道在開挖過程涌水量的大小，后者則反應隧道圍巖變形是否收斂穩(wěn)定，具體評價標準見表3。

表3 評價指標及標準Table 3 Evaluation indicators and standards試驗指標評價指標評價標準涌水類斷面涌水量越小越好50%及以上為“不穩(wěn)定”圍巖穩(wěn)定類變形速率比值20%左右為“待加強支護”5%～10%及以下為“穩(wěn)定”

3 數(shù)值試驗

3.1 計算模型及參數(shù)

采用FLAC3D進行建模計算，依據(jù)典型軟巖隧道工程概況，將三維模型體劃分為上中下3層，巖性主要為全風化砂巖、強風化砂巖及微風化砂巖。模型兩側(cè)和底部取5倍洞徑，隧道埋深為80 m，隧道縱向取為60 m。部分模型網(wǎng)格劃分及相關(guān)監(jiān)測斷面，見圖1。數(shù)值計算范圍為：100 m×60 m×130 m(長×寬×高)。

圖1 部分模型網(wǎng)格劃分及斷層與隧道位置關(guān)系Figure 1 Finite element mesh and the relationship between fault and tunnel location

隧道圍巖體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb，初期支護是實體單元結(jié)構(gòu)且支護沒有堵水功能，邊界條件方面，對前后、左右、底面施加法向約束，不透水邊界為前后及底面。參考典型軟巖隧道資料并結(jié)合筆者文獻[12]取得相關(guān)計算參數(shù)，見表4。

表4 材料物理力學參數(shù)Table 4 Physical and mechanical parameters of materials名稱容重/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)全風化砂巖20.00.500.270.0526強風化砂巖21.51.200.240.1234微風化砂巖23.01.500.210.1945斷層Ⅰ16.00.060.410.0121斷層Ⅱ18.00.150.350.0525斷層Ⅲ20.00.570.300.1231支護26.026.000.20——

3.2 正交試驗結(jié)果及分析

表5列出了正交試驗的相關(guān)結(jié)果，其中涌水量為監(jiān)測斷面開挖后最大值，變形速率v0、v分別為開挖完成時最大變形速率和支護完成后變形速率，依據(jù)文獻[13]將變形速率比值作為隧道圍巖動態(tài)穩(wěn)定的指標，評價標準見表3。

本文采用正交分析中的極差分析法，在極差分析中，極差等于某個因素下的試驗結(jié)果最大與最小值差，當極差越大時表示該因素對相關(guān)試驗指標影響較大，即重要程度高。相關(guān)分析結(jié)果見表6及表7，表中Kmn表示對m個指標評價時，水平n試驗結(jié)果的平均值,其中，m=1，2；n=1，2，3。

由極差分析表可知，針對涌水量評價指標，整體上各類因素涌水量大小相差不大，其中因素A水平2、因素B水平1、因素C水平1和因素D水平1為有利于增大斷面涌水的水平。各因素極差分別為：斷層破碎帶傾角(90.53 m3/d)、斷層破碎帶寬度(29.93 m3/d)、斷層破碎帶至隧道凈距(67.23 m3/d)、斷層破碎帶充填物力學性質(zhì)(54.32 m3/d)，因此，斷層破碎帶傾角、至隧道凈距、充填物力學性質(zhì)為影響施工斷面涌水的重要因素，斷層破碎帶寬度為一般因素。

針對穩(wěn)定類評價指標變形速率比值，整體上各類因素變形速率比值相差不大，其中因素A水平2、因素B水平2、因素C水平2和因素D水平4比值大小均超過20%，相比下說明該類水平為不利于圍巖穩(wěn)定的水平。各因素極差分別為：斷層破碎帶傾角(15.06%)、斷層破碎帶寬度(5.81%)、斷層破碎帶至隧道凈距(15.11%)、斷層破碎帶充填物力學性質(zhì)(7.79%)，因此，斷層破碎帶至隧道凈距、傾角、充填物力學性質(zhì)為影響施工斷面圍巖穩(wěn)定的重要因素，斷層破碎帶寬度為一般因素。

綜上分析，認為斷層破碎帶影響軟巖隧道穩(wěn)定的重要因素有：斷層破碎帶傾角、斷層破碎帶至隧道凈距、斷層破碎帶充填物力學性質(zhì)。

表5 正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results試驗號斷層破碎帶因素各指標試驗結(jié)果ABCD涌水量/(m3·d-1)開挖完成時最大變形速率v0/(m·s-1)支護完成后變形速率v/(m·s-1)(v/v0)比值/%11111909.31-1.89×10-5-7.81×10-74.1421222811.46-6.40×10-6-1.38×10-621.5931333788.90-6.98×10-6-8.51×10-712.2042123961.28-9.45×10-6-3.98×10-642.0952231902.69-1.16×10-5-2.93×10-625.2862312917.31-1.91×10-5-3.01×10-615.7373132831.33-6.45×10-6-7.34×10-711.3883213897.97-9.29×10-6-1.60×10-617.1993321911.08-9.16×10-6-1.71×10-618.70

表6 涌水分析Table 6 The water gushing analysism3/d來源K11K12K13極差因素主次順序因素A836.56927.09880.1390.53因素B900.64870.71872.4329.93A→C→D→B因素C908.20894.61840.9767.23因素D907.69853.37882.7254.32

表7 變形速率比值分析Table 7 Deformation rate ratio analysis%來源K11K12K13極差因素主次順序因素A12.6427.7015.7615.06因素B19.2021.3515.545.81C→A→D→B因素C12.3527.4616.2915.11因素D16.0416.2323.837.79

4 工程實例

G316改建工程佛頭嶺隧道位于江西省資溪縣境內(nèi)，隧道圍巖體主要為寒武系片巖(見圖2)，片理構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體完整性和風化程度差異較大，施工時圍巖穩(wěn)定性較差。

圖2 隧道部分區(qū)段縱向剖面圖Figure 2 Sectional section of tunnel section

2017年7月底隧道開挖至Ⅴ級圍巖段，施工現(xiàn)場掌子面巖體破碎，水流從裂隙及鉆孔大量涌出并伴有小型沖刷巖塊(見圖3)，已施工完成的初支滲漏水及圍巖變形量較大，局部地段拱頂沉降達20 mm。

圖3 沖刷石塊及水流Figure 3 Scour stones and water flow

進入8月，由于大范圍降雨，隧道K425+805右側(cè)拱腰處出現(xiàn)突涌水，有2股涌水從已完成的初支面噴出，預埋的Φ140 mm排水管無法及時排水，由于水壓力較大，水流往拱頂方向及四周蔓延。而后經(jīng)過壓注混凝土和打孔壓注雙漿液K425+805涌水情況得到基本處治。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該處拱頂沉降達43 mm，拱腰位置向洞內(nèi)塑性鼓出，并還伴有小股流水(見圖4)。

圖4 圍巖塑性鼓出Figure 4 Plastic failure of surrounding rock

根據(jù)事故現(xiàn)場情況、涌水成因及區(qū)段復雜的工程地質(zhì)，判斷其為斷層破碎帶被開挖擾動而引發(fā)的地質(zhì)災害。破碎的圍巖體，富含在斷層破碎帶中的壓碎巖體、巖塊，角礫巖及斷層泥等膠結(jié)程度差、自穩(wěn)能力差的巖土體構(gòu)成了涌水物賦存和運移空間的物質(zhì)條件。而在隧址斷層破碎帶區(qū)段裂隙極為發(fā)育，形成的層狀裂隙帶及地下水流動管道，為地下水的滲流通道的形成創(chuàng)造了條件。

經(jīng)分析隧道已施工至Ⅴ級圍巖段且靠近前方的軟弱破碎帶，該斷層破碎帶傾向為174°，傾角在57°左右，破碎帶寬約50～80 m，帶內(nèi)巖體破碎且地下水發(fā)育。開挖擾動及開挖形成的臨空面可能貫通了破碎帶及掌子面周邊裂隙，地下水進一步流通，介于地下水的軟化作用及對洞周巖土體會產(chǎn)生的沖擊作用，導致軟弱圍巖的變形量進一步增大[14]。

依據(jù)前文分析結(jié)果，結(jié)合該隧道現(xiàn)場情況，認為斷層破碎帶傾角(57°左右)、斷層破碎帶至隧道凈距(施工掌子面靠近斷層破碎帶)、斷層破碎帶充填物力學性質(zhì)(帶內(nèi)巖體破碎且地下水發(fā)育)等3類斷層破碎帶影響因素對隧道涌水及圍巖穩(wěn)定均為不利，即該斷層破碎帶會對隧道穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響，而這與實際現(xiàn)場情況(現(xiàn)場出現(xiàn)掌子面涌水量和圍巖變形過大的情況)相符。

5 結(jié)論

a. 對軟巖隧道涌水量大小的重要影響因素為斷層破碎帶傾角(90.53 m3/d)、至隧道凈距(67.23 m3/d)、充填物力學性質(zhì)(54.32 m3/d)，斷層破碎帶寬度(29.93 m3/d)為一般因素；而斷層破碎帶至隧道凈距(15.11%)、傾角(15.06%)、充填物力學性質(zhì)(7.79%)是影響施工斷面圍巖穩(wěn)定的重要因素，斷層破碎帶寬度(5.81%)為一般因素。

b. 綜合斷面涌水量和斷面變形比值兩類評價指標，認為斷層破碎帶影響隧道涌水及圍巖穩(wěn)定的主要影響因素為斷層破碎帶傾角、至隧道凈距及帶內(nèi)充填物力學性質(zhì)。

c. 佛頭嶺隧道施工中出現(xiàn)的涌水及過大圍巖變形量為施工區(qū)段內(nèi)斷層破碎帶受開挖擾動而引發(fā)的地質(zhì)災害，結(jié)合數(shù)值試驗結(jié)果，分析認為斷層破碎帶傾角、至隧道凈距及帶內(nèi)充填物力學性質(zhì)等3類因素對佛頭嶺隧道涌水及圍巖穩(wěn)定均為不利，隧道施工出現(xiàn)的涌水及圍巖變形量大與這3類因素息息相關(guān)。