礦山法隧道穿越斷層及破碎帶支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

梅志遠(yuǎn) 胡哲釧 李建軍 張志強(qiáng)

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室 四川成都 610031；2.中鐵十二局集團(tuán)有限公司 山西太原 030024）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，隧道作為一種利用地下空間的形式，在越來越多的地方被廣泛采用［1－3］。大量隧道的建設(shè)帶來了很多挑戰(zhàn)，隧道穿越斷層破碎帶施工是隧道施工的一個難點，如何安全快速穿越斷層及破碎帶成為研究熱點。因此有必要研究隧道穿越斷層及破碎帶隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，對于保障施工安全具有重要意義［4－7］。

目前許多學(xué)者對于隧道穿越斷層及破碎帶進(jìn)行了研究。王涵等［8］以玉渡山隧道為工程背景，采用FLAC3D程序研究了CD法施工方案，分析拱頂沉降、水平收斂與塑性區(qū)范圍，依據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出錨－網(wǎng)－噴－鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方案；郝曉燕［9］對斷層破碎圍巖臺階法施工進(jìn)行數(shù)值研究，得出采用兩臺階法穿越斷層破碎帶時，隧道拱頂沉降和周邊收斂均可得到有效控制的結(jié)論；張曉勇［10］采用數(shù)值模擬方法對比分析臺階法、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；郭海［11］針對不同的施工工法建立不同的計算模型，分析了隧道沉降及圍巖屈服情況；張尤利等［12］根據(jù)地質(zhì)特征，運用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶時，斷層破碎帶對施工的影響。

本文以湖杭鐵路鹿山隧道為工程依托，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對穿越斷層破碎帶不同工法進(jìn)行模擬和分析，以期為穿越斷層破碎帶隧道的設(shè)計和施工提供有益參考。

2 工程概況及特點

鹿山隧道DK107＋471～DK111＋081.472位于R＝11 000 m的右偏圓曲線上，其余均為直線。進(jìn)口至DK110＋100為上坡，坡度為3‰，DK110＋100至出口為上坡，坡度為18.5‰。

（1）地形地貌

隧址區(qū)主要為丘陵區(qū)，地形起伏大，進(jìn)口地面標(biāo)高為45～55 m，自然坡度20°～25°；出口地面標(biāo)高110～120 m，自然坡度20°～30°。植被發(fā)育，灌木叢生。

（2）工程地質(zhì)

洞口地表為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏為全～強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、石英砂巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，為Ⅴ級圍巖。洞身巖石為弱風(fēng)化砂巖及石英砂巖。

（3）水文地質(zhì)

鹿山隧道位于丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地表水稍發(fā)育，多處可見沖溝、水庫及水塘，水量較豐富，徑流條件良好，以山脊為分水嶺，向兩側(cè)洼地沖溝排泄，匯入富春江，流量主要受大氣降雨影響，季節(jié)性變化顯著。

隧址區(qū)斷層帶、褶皺等構(gòu)造帶在地貌上大都沿兩側(cè)的沖溝洼地展布，其影響帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體破碎，導(dǎo)水性較好，構(gòu)造裂隙水較發(fā)育，富水性較好。其中與線路相交斷層7處，多順溝谷走向或在線路附近穿越溝谷或地表水體，構(gòu)造帶與地表溝谷或附近的中小型水庫水可能存在一定的水力聯(lián)系，易導(dǎo)水，為可能的涌水通道。

3 計算模型及參數(shù)選取

隧道模型如圖1所示。三維模型的邊界范圍為：水平方向上隧道中心線距離左右邊界均為35 m，隧道底部距離模型下邊界為30 m，隧道縱向長度為18 m，開挖進(jìn)尺取為1.2 m，隧道埋深為30 m。在邊界約束方面，模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。

圖1 模型網(wǎng)格

按照湖杭鐵路鹿山隧道施工設(shè)計，初期支護(hù)采用噴錨結(jié)構(gòu)，采用C25噴射混凝土，拱墻噴射混凝土厚度為23 cm，仰拱噴射混凝土厚度為15 cm；拱墻部位設(shè)置錨桿，錨桿長度為3 m，錨桿環(huán)向間距為1.2 m，錨桿縱向間距為1.2 m。本文采用不同超前支護(hù)方式和開挖方式進(jìn)行數(shù)值模擬，不同模型支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式模型

采用牛頭山隧道中斷層及破碎帶的Ⅴ級圍巖參數(shù)，使用摩爾－庫倫本構(gòu)模型，噴混凝土、錨桿及臨時橫撐均使用彈性本構(gòu)模型。圍巖、噴混凝土、錨桿和臨時橫撐物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

本次計算采用不同超前支護(hù)方式和不同開挖方式模擬隧道的施工過程，結(jié)合上述分析，共分為4種工況，計算工況見表2。

表2 計算工況

4 計算結(jié)果分析

本節(jié)主要從變形、受力以及安全性等方面，分析隧道開挖支護(hù)完成后，不同工況下土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變化情況。

4.1 土體變形分析

為研究隧道開挖支護(hù)完成后不同工況下的土體變形，提取模型開挖完成后其豎向位移、水平位移和塑性區(qū)分布，圖3～圖4為不同工況的土體位移云圖，圖5為不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖，圖6～圖9為不同位置各工況下的變形曲線。

圖3 不同工況下土體豎向位移云圖（單位：m）

圖4 不同工況下土體水平位移云圖（單位：m）

圖5 不同工況下土體塑性區(qū)分布云圖（單位：m）

圖6 不同工況下拱頂沉降曲線

圖7 不同工況下仰拱隆起位移曲線

圖8 不同工況下邊墻水平位移曲線

圖9 不同工況下洞頂上方30 m土體沉降曲線（mm）

根據(jù)圖3～圖9分析可知：

（1）采用管棚作為超前支護(hù)措施，臺階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。采用臺階法拱頂下沉在7.5 mm左右，全斷面法拱頂下沉在20.0 mm左右。臺階法施工仰拱隆起在16.1 mm左右，全斷面法仰拱隆起在18.7 mm左右。

（2）采用注漿小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施，臺階法比全斷面法能更好地控制拱頂下沉和仰拱隆起。臺階法開挖拱頂下沉在8.8 mm左右，全斷面法開挖拱頂下沉在27.5 mm左右。臺階法開挖仰拱隆起在18.7 mm左右，全斷面法仰拱隆起在24.6 mm左右。

（3）圍巖塑性區(qū)具有明顯的方向性，與斷層及破碎帶方向密切相關(guān)。臺階法比全斷面法圍巖塑性區(qū)數(shù)值小，管棚臺階法的塑性區(qū)數(shù)值最小，為0.009 67，注漿小導(dǎo)管全斷面法的塑性區(qū)數(shù)值最大，為0.10。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為研究不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律，提取各工況計算完成后的錨桿軸力分布圖，如圖10所示，圖11為各工況計算完成后軸力最大值統(tǒng)計曲線。

圖10 不同工況下錨桿軸力分布（單位：N）

圖11 不同工況錨桿軸力最大值統(tǒng)計

根據(jù)圖10～圖11分析可知：

（1）四種開挖支護(hù)方法的軸力最大值，管棚臺階法最小，數(shù)值為83.2 kN；注漿小導(dǎo)管全斷面法最大，為757.6 kN。

（2）四種工法下的軸力大小關(guān)系與四種工法下的拱頂下沉大小關(guān)系基本符合。有效控制土體變形，能減小錨桿軸力。

5 結(jié)論

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對管棚超前支護(hù)臺階法開挖、管棚超前支護(hù)全斷面法開挖、注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)臺階法開挖、注漿小導(dǎo)管全斷面法開挖隧道進(jìn)行模擬和分析，主要結(jié)論如下：

（1）臺階法開挖比全斷面法開挖能更好地控制圍巖的變形，能夠降低拱頂沉降和仰拱隆起。

（2）管棚超前支護(hù)方式比注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)方式能更好地控制拱頂沉降。

（3）土體的豎向變形和水平變形對錨桿軸力影響很大，土體變形越大，錨桿軸力越大。

（4）采用臺階法與全斷面法開挖圍巖塑性區(qū)大小明顯不同，臺階法的塑性區(qū)更小。