斷層帶綜合地質(zhì)勘察方法及隧洞圍巖變形模擬研究

呂超，張鵬，何俊瀾，黃俊閣，王盛鑫

(廣西桂禹工程咨詢(xún)有限公司，廣西 南寧 530023)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為了滿(mǎn)足不同地域人民對(duì)用水的需求，國(guó)家大量投資引調(diào)水工程。引調(diào)水工程中隧洞是常見(jiàn)的形式，但隧洞開(kāi)挖過(guò)程中遇到斷層破碎帶時(shí)，常會(huì)引起圍巖較大變形，甚至?xí)斐伤矶磭鷰r失穩(wěn)、塌方、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。

日本的惠那山隧道(國(guó)兆林，1983)、中國(guó)的國(guó)道317 線(xiàn)鷓鴣山公路隧道(王睿，2003)、烏鞘嶺隧道(卿三惠和黃潤(rùn)秋，2005；蒲有林，2007)、關(guān)角隧道(張旭珍，2011)、蘭渝鐵路兩水隧道(趙福善，2014)、谷竹高速青峰隧道(劉秀芝，2018)、木寨嶺隧道(劉高等，2005；張波，2014；祁賢，2018；韋云等，2018)和深埋軟巖輸水隧洞(王忠昊，2019)等，均遇到了不同程度的圍巖變形失穩(wěn)、塌方等問(wèn)題，在穿越斷層破碎帶過(guò)程中，復(fù)雜不利的地質(zhì)條件不僅嚴(yán)重影響施工工期，提高工程費(fèi)用，更重要的是若處置不當(dāng)，很可能會(huì)存在嚴(yán)重的安全隱患。在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，采取及時(shí)持續(xù)的監(jiān)測(cè)手段，不斷優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)，并根據(jù)斷層帶中的巖體性能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)性地支撐和開(kāi)挖順序設(shè)計(jì)，能有效預(yù)防和減少?lài)鷰r變形引發(fā)的工程地質(zhì)問(wèn)題(Schubert et al.，2006)。因此，準(zhǔn)確查明斷層破碎帶的位置及其工程地質(zhì)特征，并在開(kāi)挖過(guò)程中選擇合理的支護(hù)措施和時(shí)機(jī)以保證隧洞的安全穩(wěn)定，是隧洞施工中尤為重視的問(wèn)題。基于實(shí)際工程中地質(zhì)條件的復(fù)雜性，多手段結(jié)合的勘探方法在地質(zhì)工作中逐漸廣泛應(yīng)用，張紹棟等(2020)結(jié)合電法勘探中兩種不同的勘察方法，有效地解決了受構(gòu)造控制的多金屬礦勘查問(wèn)題，李英賓等(2020)將高密度電阻率法和探地雷達(dá)方法應(yīng)用于泥石流災(zāi)害的勘察，并取得較好的成果，為相關(guān)工程采用綜合手段開(kāi)展勘察工作提供了技術(shù)支撐。同時(shí)，保障隧洞工程安全進(jìn)行需對(duì)圍巖力學(xué)機(jī)制有較深的了解，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的局限性，使得模擬手段在此類(lèi)問(wèn)題的研究中得到廣泛使用和認(rèn)可，鐘正強(qiáng)等(2009)、段金成(2017)、唐銳等(2018)等眾多學(xué)者采用數(shù)值模擬法分析了不同條件下的隧道變形問(wèn)題，為采用合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)和控制方法提供了依據(jù)。

筆者以廣西桂中治旱工程為背景，詳細(xì)介紹了該工程引水隧洞線(xiàn)路上斷層帶的勘察方法與成果，利用有限元模擬軟件分析了隧洞的圍巖穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)圍巖的支護(hù)方案及設(shè)計(jì)方案支護(hù)下的施工效果等進(jìn)行研究。對(duì)引調(diào)水工程中隧洞開(kāi)挖遇到斷層破碎帶時(shí)，如何解決該復(fù)雜工程地質(zhì)問(wèn)題有實(shí)際的借鑒意義。

1 工程地質(zhì)環(huán)境條件

廣西桂中治旱樂(lè)灘水庫(kù)引水灌區(qū)工程位于紅水河流域中下游、著名的桂中旱片區(qū)內(nèi)。灌區(qū)主要位于桂中盆地內(nèi)，部分位于桂中盆地與桂西山地過(guò)渡帶，總體地勢(shì)西北高東南低，西北部、東南部山峰一般高程分別為600～740 m 和400～550 m。灌區(qū)碳酸鹽巖分布廣泛，地貌以峰叢洼地、峰林平原、谷地、殘峰、殘丘平原、巖溶壟崗等巖溶地貌為主。

灌區(qū)屬紅水河流域，河谷深切成“V”字型，兩岸巖壁陡峭，河床基巖出露，沿河斷續(xù)分布有兩級(jí)階地及河漫灘。主要有石炭系、二疊系、三疊系、白堊系等地層，基巖以灰?guī)r、含燧石灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖為主，局部為硅質(zhì)巖、砂巖、泥巖等。

灌區(qū)總干渠沿紅水河左岸布置，總干渠末端分為北、南干渠?？偢汕L(zhǎng)30.3 km，北干渠長(zhǎng)56.6 km，南干渠長(zhǎng)28.7 km，干渠沿線(xiàn)為其他分干渠。北干渠陳村—六浪段以隧洞為主，全長(zhǎng)20.12 km，其中鉆爆法施工段長(zhǎng)約3.7 km，城門(mén)形斷面，隧洞寬×高為6.37 m×5.94 m；全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工段長(zhǎng)16.4 km，圓形斷面，洞徑5.94 m。

本文主要以TBM 施工段發(fā)育的F5斷層組為研究對(duì)象。F5-1斷層產(chǎn)狀90°∠70°～80°，具有壓扭性，沿著斷層走向斷續(xù)出露斷層角礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，破碎帶寬度3～5 m。F5-2斷層產(chǎn)狀90°∠60°，長(zhǎng)度大于3 km，具有壓性，洞軸線(xiàn)和斷層相交位置破碎帶寬3～8 m，破碎帶內(nèi)以角礫巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，局部呈泥夾石，巖溶發(fā)育程度為中等。F5-3斷層產(chǎn)狀為90°∠60°，延伸長(zhǎng)度大于3 km。斷層和洞線(xiàn)相交一帶覆蓋層深厚，未見(jiàn)出露，斷層破碎帶寬度15～20 m 左右，破碎帶內(nèi)以角礫巖為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，局部呈泥夾石，巖溶發(fā)育程度為中等。

斷層帶與洞軸線(xiàn)相交處隧洞埋深約200 m，圍巖破碎，以鈣質(zhì)膠結(jié)的斷層角礫巖為主，巖體強(qiáng)度較低，且地下水位較高，隧洞開(kāi)挖勢(shì)必會(huì)帶來(lái)圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題。本文針對(duì)隧洞穿越斷層破碎帶這一工程地質(zhì)問(wèn)題，利用多手段詳細(xì)開(kāi)展了工程地質(zhì)勘察，在準(zhǔn)確了解圍巖地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對(duì)隧洞開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)措施進(jìn)行研究。

2 斷層帶的綜合勘察與地質(zhì)評(píng)價(jià)

研究段落地處合山盆地內(nèi)，地形平緩，地面高程約117～125 m，圍巖以中厚—薄層狀灰?guī)r為主，部分洞段為鈣質(zhì)泥巖及含硅質(zhì)灰?guī)r，局部洞段巖溶比較發(fā)育。隧洞沿線(xiàn)地下水比較豐富，地下水位線(xiàn)一般位于洞頂以上60～100 m 之間。為了查明F5斷層帶的發(fā)育情況，評(píng)價(jià)其對(duì)隧洞開(kāi)挖的影響，針對(duì)斷層帶進(jìn)行了綜合勘察，通過(guò)地質(zhì)測(cè)繪、物探、鉆探等多種方法查明了該斷層附近隧洞沿線(xiàn)的地質(zhì)條件，其中勘探鉆孔4 個(gè)，物探剖面6 條，具體勘察工作布置可見(jiàn)圖1。

圖1 勘察區(qū)地質(zhì)概況及勘探線(xiàn)布置

2.1 地質(zhì)測(cè)繪工作

首先結(jié)合前期勘察資料，對(duì)F5斷層帶進(jìn)行了工程地質(zhì)測(cè)繪工作。調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷層與隧洞軸線(xiàn)相交處北側(cè)山上懸崖底連續(xù)出露角礫巖，寬度1～3 m，呈淺肉紅色，角礫成分為灰?guī)r，粒徑5～10 cm，鈣質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化狀態(tài)(圖2)。南側(cè)山體覆蓋層較厚，零星出露角礫巖，膠結(jié)較好。

圖2 地表斷層角礫巖膠結(jié)情況

2.2 物探工作

為查明斷層發(fā)育情況及隧洞軸線(xiàn)斷層附近巖溶發(fā)育情況，在斷層帶附近共布置6 條大地電磁法剖面。其中WT2-WT2′和WT3-WT3′剖面異常帶與F5-2斷層破碎帶位置吻合(圖3)。

圖3 物探成果解釋圖

WT4-WT4′在剖面上高程150～180 m，局部呈低阻閉合狀，縱橫向變化非常明顯，與周?chē)嬖陔娦圆町?，存在異常；WT5-WT5′剖面高程20～80 m，等值線(xiàn)深切，局部呈低阻閉合狀，橫向變化非常明顯，與周?chē)嬖陔娦圆町悾嬖诋惓?。這兩條剖面的異常帶與F5-3斷層破碎帶較為吻合(圖4)。

2.3 鉆探工作

為進(jìn)一步勘察及驗(yàn)證物探成果，在斷層附近布置有4 個(gè)勘探鉆孔。其中ZK3004、ZK3005 在預(yù)測(cè)深度范圍內(nèi)并未打到斷層破碎帶，所以停止鉆探，并未打到隧洞底板以下。ZK3003 鉆孔在預(yù)測(cè)深度范圍內(nèi)打到斷層破碎帶，因此鉆孔繼續(xù)鉆進(jìn)到隧洞底板下約10 m，最終孔深180.8 m。ZK3003 鉆孔取芯結(jié)果顯示，孔深49.8～68.4 m 段巖體較破碎，采取率低，呈灰—灰黑色。巖芯呈碎塊狀，塊徑一般3～6 cm，局部呈角礫狀。節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面微張—張開(kāi)，充填灰黑色泥碳質(zhì)，裂隙面起伏粗糙，局部有肉紅色渲染。該段巖芯與野外露頭的斷層帶巖性較為一致，鉆孔內(nèi)斷層帶段巖芯見(jiàn)圖5。

圖5 鉆孔(ZK3003)中斷層帶巖芯情況

2.4 地質(zhì)評(píng)價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪、物探及鉆孔取芯等成果綜合分析，斷層F5-1、F5-2及F5-3破碎帶寬度分別為3～5 m、3～8 m 和15～20 m，受褶皺和斷層影響，巖層扭曲巖層產(chǎn)狀變化大，斷層帶內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，裂隙面微張—張開(kāi)，充填灰黑色泥碳質(zhì)及巖屑，裂隙面起伏粗糙，有肉紅色渲染，局部為角礫巖，呈鈣質(zhì)膠結(jié)，斷層破碎帶為Ⅴ類(lèi)圍巖，極不穩(wěn)定，可能出現(xiàn)塑性變形，需要對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理，具體地質(zhì)條件可見(jiàn)圖6。

圖6 斷層帶地質(zhì)剖面圖

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察成果和室內(nèi)試驗(yàn)成果，對(duì)F5斷層破碎帶處隧洞圍巖的物理力學(xué)參數(shù)綜合取值見(jiàn)表1。

表1 斷層帶隧洞圍巖物理力學(xué)參數(shù)建議值

3 圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)措施研究

基于以上對(duì)斷層破碎帶的勘察結(jié)果及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，斷層帶處巖體質(zhì)量等級(jí)劃分為Ⅴ類(lèi)圍巖，隧洞施工過(guò)程中，受開(kāi)挖卸荷和應(yīng)力集中的影響，圍巖極不穩(wěn)定，為保證隧洞施工安全進(jìn)行，TBM 掘進(jìn)施工前必須對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理，并及時(shí)采取合理的支護(hù)措施。

本工程提前對(duì)斷層破碎帶處的圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿(水泥凈漿)預(yù)膠結(jié)處理，然后TBM 緩慢掘進(jìn)，開(kāi)挖完成后立即對(duì)掌子面及洞壁圍巖采取錨噴+型鋼支護(hù)等措施，并對(duì)5～10 m 范圍內(nèi)的洞壁圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿處理。支護(hù)方案具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下:全斷面注漿鋼花管直徑(φ)89 mm，間距(@)500 mm × 8000 mm(環(huán) 向× 縱 向)，總 長(zhǎng)度(L) ＝15000 mm，外傾角6°；全斷面鋼筋網(wǎng)直徑(φ)8，間距(@)200 mm ×200 mm(兩層)；濕噴纖維砼C25(混凝土強(qiáng)度等級(jí))，厚200 mm；頂拱120°范圍鋼筋排；型號(hào)(HW)150 mm ×150 mm，間距(@)450 mm；頂拱270°范圍直徑(φ)18 mm 錨固劑錨桿，環(huán)向間距為0.9 m，縱向間距0.45 m，長(zhǎng)度1.8 m，相間布置；全斷面固結(jié)灌漿直徑(φ)90 mm，間距(@)2000 mm×2000 mm，總長(zhǎng)度(L) ＝5000 mm；頂拱中心角120°范圍設(shè)排水孔直徑(φ)50 mm，間距(@)3000 mm×3000 mm。

3.1 圍巖穩(wěn)定性分析

采用有限元分析程序，選取斷層帶附近里程16+215 m 處為典型斷面，對(duì)隧洞開(kāi)挖后在無(wú)支護(hù)和按設(shè)計(jì)方案支護(hù)兩種工況下圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。初始地應(yīng)力主要為自重應(yīng)力，最大主應(yīng)力基本豎向，最小主應(yīng)力大致沿水平向分布，應(yīng)力大小與埋深直接相關(guān)，且隨埋深增大而增大。在里程16 +215 m 斷面處，隧洞埋深為177.04 m，在巖體自重應(yīng)力作用下，初始地應(yīng)力相對(duì)較大。在隧洞中心處第一主應(yīng)力σ1＝4.5165 MPa；第二主應(yīng)力σ2＝3.1369 MPa；最大剪應(yīng)力σxy＝0.0114 MPa。

根據(jù)前期勘察結(jié)果所繪制的地質(zhì)剖面，建立二維有限元網(wǎng)格模型(圖7)，對(duì)隧洞開(kāi)挖后支護(hù)和未支護(hù)條件下圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形特征以及塑性區(qū)分布特征進(jìn)行模擬分析。巖體采用二維4 節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體元及其退化單元模擬，錨桿采用桿單元。此外，還在拱頂和左右兩側(cè)拱腰位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)以獲取圍巖的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)。

圖7 里程16 +215 m 剖面處有限元網(wǎng)格劃分圖

由隧洞開(kāi)挖后支護(hù)和未支護(hù)條件下圍巖最大主應(yīng)力分布狀態(tài)(圖8)可得，隧洞開(kāi)挖后，受斷層影響，未支護(hù)條件下，由于底板上抬和頂拱下沉，致使圍巖最大主應(yīng)力在左右兩側(cè)洞壁位置明顯集中，左右兩側(cè)洞壁處最大主應(yīng)力顯著高于拱頂和底板。

圖8 圍巖最大主應(yīng)力等值線(xiàn)圖

拱頂處圍巖最大主應(yīng)力為6.46 MPa，左右兩側(cè)洞壁處圍巖最大主應(yīng)力分別為11.40 MPa 和11.20 MPa。按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)加固后，最大主應(yīng)力集中范圍顯著減小，拱頂處最大主應(yīng)力為4.06 MPa，左右兩側(cè)洞壁處圍巖最大主應(yīng)力均為4.84 MPa，較未支護(hù)條件下，最大主應(yīng)力值顯著降低。

由圖9 和圖10 可得，隧洞開(kāi)挖后，在未支護(hù)條件下，受斷層破碎帶影響，圍巖水平和豎直方向位移均較大(UX-Z0(cm)、UY-Z0(cm)分別表示圍巖水平和豎直方向的位移)，頂拱沉降為62.15 mm，左右邊墻中部水平位移分別為 45.62 mm 和44.38 mm。采用灌漿等支護(hù)措施后，圍巖拱頂沉降以及左右邊墻的侵入變形均得到了有效的控制，頂拱沉降量減小至2.60 mm，而左右邊墻中部水平侵入位移分別減小至1.90 mm 和1.79 mm。

圖9 未支護(hù)條件下圍巖位移等值線(xiàn)圖

圖10 支護(hù)后圍巖位移等值線(xiàn)圖

圖11 為斷層破碎帶處隧洞開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布圖。由圖可得，由于該段埋深較大，地應(yīng)力相對(duì)較高，加之受斷層影響，圍巖破碎，強(qiáng)度較低，隧洞開(kāi)挖后，未支護(hù)條件下，圍巖將產(chǎn)生塑性破壞，拱頂塑性區(qū)深度達(dá)1.23 m，左右邊墻塑性區(qū)深度分別為0.99 m 和1.31 m。經(jīng)注漿加固等支護(hù)后，未見(jiàn)明顯的塑性區(qū)。表明按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行支護(hù)后，圍巖的侵入變形得到了有效的控制。

圖11 圍巖塑性區(qū)分布

3.2 支護(hù)效果分析

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，受斷層破碎帶的影響，隧洞開(kāi)挖后在洞頂及左右兩側(cè)洞壁產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，無(wú)支護(hù)條件下，拱頂左右兩側(cè)洞壁不斷向臨空面產(chǎn)生侵入變形，塑性區(qū)不斷向深部擴(kuò)展，洞周約1 m 范圍內(nèi)圍巖均產(chǎn)生明顯的塑性變形。

按設(shè)計(jì)方案對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固后，圍巖整體強(qiáng)度得到了顯著的提高，抗變形能力顯著增強(qiáng)，拱頂沉降以及兩側(cè)洞壁的侵入變形均得到了有效的控制。注漿加固后，圍巖整體性提高，未見(jiàn)明顯的塑性區(qū)，表明支護(hù)后圍巖未產(chǎn)生塑性破壞現(xiàn)象，原支護(hù)方案加固效果良好。

目前該斷層帶隧洞段已經(jīng)開(kāi)挖和支護(hù)完畢，從施工現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，提前對(duì)斷層帶的圍巖進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿預(yù)膠結(jié)處理，得以保證TBM 正常掘進(jìn)；后對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行錨噴+型鋼支護(hù)，與圍巖形成整體共同受力，保證斷層帶隧洞圍巖的穩(wěn)定性；最后進(jìn)行全斷面固結(jié)灌漿處理，增加了斷層帶隧洞圍巖的安全儲(chǔ)備。施工完畢至今，該段隧洞內(nèi)壁無(wú)開(kāi)裂或破損情況，設(shè)計(jì)方案可行，支護(hù)效果良好。

4 結(jié)論

(1)隧洞施工前，對(duì)于斷層破碎帶發(fā)育段落，利用現(xiàn)場(chǎng)踏勘、地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合物探和鉆探等綜合勘察手段，重點(diǎn)查明了不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育段落洞身處圍巖的地質(zhì)條件。并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定了洞身段圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)支護(hù)方案提供基礎(chǔ)資料。

(2)經(jīng)有限元模擬計(jì)算，隧洞開(kāi)挖后，受斷層破碎帶影響，在洞頂和兩側(cè)洞壁應(yīng)力不斷集中，圍巖塑性區(qū)不斷向深部擴(kuò)展。按設(shè)計(jì)方案對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)后，圍巖主應(yīng)力、變形量以及塑性破壞區(qū)深度都大幅降低，表明設(shè)計(jì)方案對(duì)隧洞圍巖加固效果明顯。

(3)采用“提前對(duì)斷層帶的圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿預(yù)膠結(jié)處理→對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行錨噴+型鋼支護(hù)→圍巖全斷面固結(jié)灌漿處理”的方案對(duì)斷層破碎帶處圍巖進(jìn)行加固，支護(hù)效果良好，方案可行合理。