九頂山隧道破碎帶開挖與支護(hù)數(shù)值模擬研究*

馬國民，楊華清

(1.云南楚大高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 大理 671000;2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430071)

0 引言

隧道修建過程中會面臨各種地質(zhì)問題，如高地壓、富水、大埋深、風(fēng)化巖層、破碎帶等。隧道開挖過程中，這些復(fù)雜多變的地質(zhì)問題會導(dǎo)致隧道發(fā)生突水突泥、坍塌等災(zāi)害[1-5]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對隧道開挖方法、支護(hù)模式、注漿工藝及效果分析進(jìn)行一系列研究，取得豐碩成果[6-15]。

針對隧道穿越斷層破碎帶問題，研究工作主要集中在兩方面，一方面是通過試驗(yàn)、理論分析或數(shù)值模擬研究隧道穿越斷層的力學(xué)響應(yīng)及斷層對隧道穩(wěn)定性的影響。Kiani等[16]通過試驗(yàn)研究覆蓋層厚度、斷層角度等對隧道穩(wěn)定性的影響。Sabagh等[17]采用室內(nèi)試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究隧道穿越斷層的力學(xué)響應(yīng)，分析斷層角度、斷層位移、隧道直徑、襯砌厚度、覆土高度等對隧道穩(wěn)定性的影響。Gao等[18]開展大型三維物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究不同埋深下隧道穿越斷層漏水的發(fā)生機(jī)制和演化規(guī)律，分析斷層對地下水滲流、隧道漏水的影響。Zaheri等[19]通過三維數(shù)值模擬研究斷層對隧道中噴射混凝土和管片襯砌性能的影響，分析襯砌厚度、圍巖力學(xué)特性、隧道深度和斷層傾角等對隧道變形的影響。黃生文等[20]以牛湖山高速公路隧道為依托，利用有限元軟件對其斷層段進(jìn)行數(shù)值分析，得到隧道斷層段開挖圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律。王根等[21]采用離散單元法研究破碎巖層對隧道穩(wěn)定性的影響，并分析隧道的坍塌演化規(guī)律。邵勇等[22]以蘇州陽山隧道為依托，對穿越破碎帶隧道進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值模擬，分析破碎帶對隧道圍巖變形的影響。穆蘭等[23]以羅漢坡公路隧道穿越F5富水?dāng)鄬訛橐劳校瑢ζ涫┕と^程進(jìn)行三維流固耦合數(shù)值模擬，分析圍巖的變形規(guī)律、力學(xué)特性及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移等。刑軍等[24]以拉薩—林芝公路隧道為依托，對連續(xù)降雨條件下的隧道開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其穩(wěn)定性及破壞過程。于晨昀等[25]針對山嶺隧道富水破碎帶的水害問題，建立開挖面破裂角的極限平衡方程，分析得到巖體破裂角、自穩(wěn)厚度與隧道埋深、自重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、破碎帶水頭等因素的關(guān)系。

另一方面，主要通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)研究隧道穿越斷層破碎帶的施工工藝和圍巖加固技術(shù)。鐘威等[26]結(jié)合大坪山隧道，對隧道穿越斷層開挖方法進(jìn)行優(yōu)化模擬，發(fā)現(xiàn)分步開挖較合適。張優(yōu)利等[27]、畢旭冰等[28]對隧道穿越斷層破碎帶進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出適宜的施工方案。萬飛等[29]對關(guān)角隧道斷層破碎帶段的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對其進(jìn)行驗(yàn)證。Kang等[30]以我國淮南礦區(qū)某隧道為例，分析密集斷層帶隧道穩(wěn)定性關(guān)鍵因素，提出長管預(yù)注漿和新型注漿索的改進(jìn)支護(hù)方法。Abdollahi等[31]對不同加固方式下斷裂帶隧道掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)傘形拱和徑向注漿相結(jié)合是最適合隧道穿越斷裂帶的加固方式。王涵等[32]對玉渡山隧道穿越F115斷層破碎帶CD法施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其拱頂沉降位移、洞內(nèi)收斂等變形情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)提出新的聯(lián)合支護(hù)方案。

綜上所述，目前針對斷層破碎帶隧道的研究主要集中在隧道變形及穩(wěn)定性分析，以及在此基礎(chǔ)上的施工工藝與支護(hù)方式選取方面。斷層破碎帶巖體破碎、變形量大，若不及時(shí)支護(hù)，會造成塌方等災(zāi)害事故，但完全不允許圍巖變形既不現(xiàn)實(shí)，也會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。本文通過數(shù)值模擬，分析隧道圍巖變形及支護(hù)受力特征，研究破碎帶隧道合理支護(hù)時(shí)機(jī)，既能適當(dāng)釋放圍巖應(yīng)力，又能保證圍巖變形可控，以適宜的支護(hù)強(qiáng)度保證隧道穩(wěn)定性，使施工安全、經(jīng)濟(jì)。

1 工程概況

九頂山隧道區(qū)海拔高程為2 180.000～3 085.000m， 相對高差905m，屬構(gòu)造溶蝕、構(gòu)造剝蝕中山地形地貌區(qū)，地形起伏較大，交通不便。根據(jù)云南省區(qū)域地質(zhì)資料顯示，線路所在區(qū)域位于南北向(經(jīng)向)構(gòu)造帶與青藏滇緬歹字型構(gòu)造體系復(fù)合部位，根據(jù)區(qū)域沉積建造、巖漿活動、變質(zhì)作用、成礦作用、構(gòu)造層次及構(gòu)造形跡、地形地貌特征，該區(qū)位于洱海深大斷裂東部構(gòu)造區(qū)，泛指洱海斷裂以東的向陽界海相沉積巖層，巖性以碎屑巖、碳酸鹽巖、巖漿巖和基性火山巖為主，間有硅質(zhì)巖覆以中生界紅色碎屑巖，中生代末期燕山運(yùn)動促使褶皺發(fā)育，復(fù)經(jīng)喜山運(yùn)動進(jìn)一步復(fù)雜化，再經(jīng)近期外力地質(zhì)作用的塑造而顯露當(dāng)今外貌。

九頂山隧道區(qū)段內(nèi)構(gòu)造擠壓嚴(yán)重，變質(zhì)作用強(qiáng)烈，巖體破碎，沿?cái)鄬訋В嗵帯⒍嗥谇秩霂r活動強(qiáng)烈，花崗斑巖、輝綠巖以巖枝、巖脈、巖株、巖墻狀不規(guī)則侵入?yún)^(qū)內(nèi)各地層。該隧道K283+960附近為次生的阱廠箐斷層，地質(zhì)條件為切割泥盆系白云質(zhì)灰?guī)r，巖層較破碎，隧道圍巖開挖易掉塊、坍塌、涌水及突水突泥，建議加強(qiáng)圍巖支護(hù)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 計(jì)算模型

ZK283+930—ZK284+080段隧道部分穿越斷層破碎帶地層。根據(jù)設(shè)計(jì)，該段主要采取三臺階留核心土法開挖，襯砌采用SF4a，SF5a型。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果及勘察報(bào)告，建立計(jì)算模型(見圖1)，模型底部尺寸為150m×176m，采用四面體單元，共劃分2 746 990個(gè)單元。模型中包括白色白云質(zhì)灰?guī)r與灰黑色輝長巖接觸帶(V1)、灰黑色輝長巖夾灰?guī)r接觸帶(V2)、白色白云質(zhì)灰?guī)r與灰黑色輝長巖接觸帶(V3)3個(gè)地層。模型底部和兩側(cè)采用鉸接約束，為簡化模型，在模型頂部(距隧道頂端60m)施加20.6kN/m3的均布荷載模擬上覆巖體(厚438m)的壓力。

圖1 ZK283+930—ZK284+080段計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選取

根據(jù)各地層物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，結(jié)合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，擬建隧道區(qū)各巖土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。其中，支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量根據(jù)混凝土和鋼拱架的彈性模量及截面積進(jìn)行等效；混凝土和鋼拱架的參數(shù)取值參考規(guī)范確定；加固圈的參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[33-34]，結(jié)合圍巖可注性及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定。

表1 各巖土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍巖變形與支護(hù)受力分析

根據(jù)ZK283+930—ZK284+080段隧道開挖工法和支護(hù)設(shè)計(jì)，對隧道左幅開挖及支護(hù)過程進(jìn)行模擬，圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力分布如圖2所示。

圖2 ZK283+930—ZK284+080段圍巖變形及支護(hù)內(nèi)力分布

由圖2可知，圍巖變形主要發(fā)生在開挖隧道拱頂，開挖引起拱頂以上圍巖沉降，拱頂以下圍巖少量回彈；拱頂最大沉降約21.50cm，洞內(nèi)最大水平收斂位移值約5cm，均主要出現(xiàn)在斷層破碎帶段；支護(hù)最大壓應(yīng)力約18.8MPa，拉應(yīng)力約2.2MPa，均出現(xiàn)在斷層破碎帶段隧道拱腰及拱頂部位。

隧道拱頂各監(jiān)測點(diǎn)的沉降時(shí)程曲線如圖3所示。由圖3可知，在開挖過程中，隧道拱頂位移可分為迅速增加和逐漸穩(wěn)定2個(gè)階段，開挖時(shí)圍巖迅速變形，開挖后圍巖變形逐漸穩(wěn)定。

圖3 隧道拱頂各監(jiān)測點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

現(xiàn)場實(shí)測ZK284+010斷面拱頂沉降曲線如圖4所示。由圖4可知，最大沉降值約23cm，與模擬值較接近，且也呈先迅速增大后逐漸穩(wěn)定的變化規(guī)律，說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖4 ZK284+010斷面拱頂沉降曲線

隧道拱頂沉降最大值沿隧道軸向分布如圖5所示。由圖5可知，隧道穿過白云質(zhì)灰?guī)r段時(shí)，拱頂沉降5～6cm；圍巖向斷層破碎帶過渡時(shí)，拱頂沉降開始大幅度增加，約11.6cm；隧道穿過斷層破碎帶段時(shí)，圍巖變形較大，拱頂沉降18～21.5cm；圍巖又向白云質(zhì)灰?guī)r過渡時(shí)，拱頂沉降減小。模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果變化趨勢基本一致。

圖5 隧道拱頂沉降最大值沿隧道軸向分布曲線

3.2 合理預(yù)留變形量與支護(hù)時(shí)機(jī)

為研究不同支護(hù)時(shí)機(jī)對圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，選取圍巖變形釋放率為0(立即支護(hù))，5%，10%，15%，20%進(jìn)行支護(hù)模擬，支護(hù)應(yīng)力、拱頂沉降、洞內(nèi)收斂隨支護(hù)時(shí)機(jī)變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 支護(hù)應(yīng)力、拱頂沉降、洞內(nèi)收斂隨支護(hù)時(shí)機(jī)變化規(guī)律

由圖6可知，隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的滯后，隧道圍巖變形逐漸增大。圍巖變形釋放率0，5%，10%，15%，20%后支護(hù)，對應(yīng)的拱頂沉降分別為21.49，24.72，26.86，30.41，38.15cm，洞內(nèi)收斂位移分別為5.00，6.31，10.42，18.21，19.46cm。當(dāng)圍巖變形釋放率≤10%時(shí)，白云質(zhì)灰?guī)r段拱頂沉降增幅不明顯，但斷層破碎帶段增幅明顯；當(dāng)圍巖變形釋放率>10%時(shí)，白云質(zhì)灰?guī)r段和斷層破碎帶段均有較大增幅，說明支護(hù)越滯后，受支護(hù)時(shí)機(jī)影響的圍巖范圍越大。

隨著支護(hù)時(shí)機(jī)的滯后，支護(hù)內(nèi)力逐漸減小。圍巖變形釋放率0，5%，10%，15%，20%后進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)所受最大拉應(yīng)力分別為2.15，2.07，1.57，1.32，1.29MPa，最大壓應(yīng)力分別為18.84，16.84，14.61，11.84，11.04MPa。當(dāng)圍巖變形釋放率<5%，支護(hù)最大壓應(yīng)力較大，拱頂最大位移較小，說明圍巖應(yīng)力基本由支護(hù)結(jié)構(gòu)承受，此時(shí)施加支護(hù)并不經(jīng)濟(jì)；當(dāng)圍巖變形釋放率>10%時(shí)，拱頂最大位移隨支護(hù)滯后有明顯增大趨勢，支護(hù)最大壓應(yīng)力較小，且受支護(hù)時(shí)機(jī)影響逐漸減弱，說明圍巖應(yīng)力接近完全釋放，支護(hù)所受圍巖壓應(yīng)力逐漸穩(wěn)定，支護(hù)拱效應(yīng)越來越不明顯，而支護(hù)對圍巖變形的控制作用明顯下降，圍巖變形加劇，圍巖自身的支撐作用得到充分發(fā)揮，趨于失穩(wěn)。

通過以上分析可知，當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶(ZK283+930—ZK284+080)時(shí)，圍巖變形釋放緩慢，若較早施加支護(hù)(圍巖變形釋放率<5%)，隨著隧道向前掘進(jìn)，圍巖會對支護(hù)進(jìn)行持續(xù)性擠壓，此時(shí)對支護(hù)材料要求較高；若較晚施加支護(hù)(圍巖變形釋放率>10%)，支護(hù)最大壓應(yīng)力基本不發(fā)生變化，而拱頂位移會大幅度增加，且受支護(hù)時(shí)機(jī)影響的圍巖范圍也有所增大，可能導(dǎo)致圍巖大范圍失穩(wěn)。因此，可判斷圍巖變形釋放率率5%～10%為較合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。為適應(yīng)工程實(shí)踐，可結(jié)合圖4將圍巖變形釋放率轉(zhuǎn)換為開挖距離，開挖距離達(dá)到10m后圍巖變形基本趨于平穩(wěn)(圍巖變形釋放接近100%)，則圍巖變形釋放率5%～10%對應(yīng)的開挖距離為0.5～1m， 表明支護(hù)滯后掌子面0.5～1m為較合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，對應(yīng)的圍巖預(yù)留變形量為25～27cm。

4 結(jié)語

本文采用FLAC3D對九頂山隧道左幅穿越斷層破碎帶段(ZK283+930—ZK284+080)開挖及支護(hù)全過程進(jìn)行模擬，主要得到以下結(jié)論。

1)在設(shè)計(jì)的開挖工法和支護(hù)結(jié)構(gòu)下，隧道穿越斷層破碎帶(ZK283+930— ZK284+080)時(shí)，拱頂沉降最大約21.50cm，洞內(nèi)最大收斂約5cm；支護(hù)所受最大壓應(yīng)力約18.8MPa，最大拉應(yīng)力約2.2MPa，均出現(xiàn)在斷層破碎帶段隧道拱腰及拱頂部位。

2)開挖過程中，隧道拱頂位移可分為迅速增加和逐漸穩(wěn)定2個(gè)階段，開挖時(shí)圍巖發(fā)生迅速變形，開挖后，圍巖變形逐漸穩(wěn)定。當(dāng)隧道穿過白云質(zhì)灰?guī)r段時(shí)，拱頂沉降5～6cm；當(dāng)圍巖向斷層破碎帶過渡時(shí)，圍巖變形開始大幅度增加，約11.6cm；當(dāng)隧道穿過斷層破碎帶段時(shí)，圍巖變形較大，拱頂沉降18～21.5cm；之后，圍巖又向白云質(zhì)灰?guī)r過渡，拱頂沉降回落。

3)隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，圍巖變形釋放緩慢，若較早施加支護(hù)，隨著隧道向前掘進(jìn)，圍巖會對支護(hù)進(jìn)行持續(xù)性擠壓，此時(shí)對支護(hù)材料要求較高；若較晚施加支護(hù)，支護(hù)最大壓應(yīng)力基本不發(fā)生變化，而拱頂位移會大幅度增加，且受支護(hù)時(shí)機(jī)影響的圍巖范圍也有所增大，可能導(dǎo)致圍巖大范圍失穩(wěn)。支護(hù)滯后掌子面0.5～1m為較合理的支護(hù)時(shí)機(jī)，對應(yīng)的圍巖預(yù)留變形量為25～27cm。