隧洞穿越斷層的連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值方法研究

沈華駿

(杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

隧洞在公路、鐵路、水電等多個(gè)行業(yè)分布廣泛，近年來建設(shè)數(shù)量快速增加。隧洞施工過程中常遇到斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件，由于斷層破碎帶巖體破碎、強(qiáng)度低、富水條件好，極易發(fā)生坍塌、突水等事故，造成經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，威脅工程順利推進(jìn)[1]，如珠海石景山隧道“7·15”重大透水事故，造成多人傷亡，影響較大。因此，對(duì)隧洞穿越斷層破碎帶區(qū)域穩(wěn)定特征、破壞機(jī)理及加固措施等研究意義重大。

本文對(duì)比分析了隧洞穿越斷層破碎帶常用數(shù)值模擬方法特點(diǎn)，基于連續(xù)-非連續(xù)耦合方法，利用有限差分軟件FLAC3D及離散元顆粒流軟件PFC3D進(jìn)行耦合，使用了PFC3D剛性塊單元實(shí)現(xiàn)了耦合分析模型快速平衡，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)坍塌范圍確定斷層破碎帶細(xì)觀參數(shù)，驗(yàn)證了分析模型及細(xì)觀參數(shù)的合理性，并結(jié)合工程案例研究了管棚、灌漿等加固措施在連續(xù)-非連續(xù)耦合方法中的實(shí)現(xiàn)方法及效果。相關(guān)分析方法應(yīng)用連續(xù)-非連續(xù)耦合方法研究隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程及加固效果，便于工程技術(shù)人員及研究人員確定合理的加固措施，為同類隧洞問題提供依據(jù)。

1 隧洞穿越斷層破碎帶機(jī)理研究常用數(shù)值分析方法及特點(diǎn)

數(shù)值分析是隧洞穿越斷層破碎帶破壞機(jī)理研究的有效手段。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要利用有限元、有限差分、離散元、顆粒流等方法。王猛等[2]利用有限元軟件ABAQUS分析了襯砌及注漿加固措施應(yīng)對(duì)隧洞穿越富水?dāng)鄬悠扑閹鷰r應(yīng)力及變形改善狀況；陳曉鵬等[3]利用有限差分軟件FLAC3D分析了“注漿+鋼網(wǎng)索”聯(lián)合加固方案對(duì)巷道穿越斷層破碎帶變形及塑性區(qū)改善作用；Kota V K等[4-5]利用離散元軟件3DEC分析了破碎巖體對(duì)隧洞穩(wěn)定特征的影響；Wei Wu等[6]利用顆粒流軟件PFC分析了隧洞穿越斷層破碎帶的失穩(wěn)過程；周健及M Cai等[7-8]使用接口程序?qū)崿F(xiàn)了FLAC-PFC耦合方法在相關(guān)巖土工程問題中的應(yīng)用。

上述研究對(duì)于隧洞穿越斷層破碎帶問題，主要基于連續(xù)介質(zhì)理論及非連續(xù)分析理論。有限元及有限差分等基于連續(xù)介質(zhì)理論的模擬方法計(jì)算效率高，通過變形、塑性區(qū)、應(yīng)力變形情況等反映隧洞穿越斷層破碎帶區(qū)域穩(wěn)定特征、破壞機(jī)理及處理措施效果，但該方法通過較低的參數(shù)描述斷層破碎帶，難以體現(xiàn)破碎帶大量裂隙的影響；離散元及顆粒流等基于非連續(xù)理論的模擬方法能夠考慮破碎帶裂隙影響，形象地反映隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程，但相關(guān)方法普遍建模工作量大，計(jì)算效率偏低；此外，目前常用的連續(xù)-非連續(xù)耦合解決方案建模過程復(fù)雜，且過小的顆粒將帶來計(jì)算效率低的問題，過大的顆粒將帶來幾何特征精度低的問題，不便于此問題的解決。

連續(xù)-非連續(xù)耦合分析可同時(shí)發(fā)揮連續(xù)方法計(jì)算效率高及非連續(xù)方法破壞過程體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，若能夠提高耦合分析建模效率，將可以更好地分析隧洞穿越斷層破碎帶穩(wěn)定特征、破壞機(jī)理及加固措施的效果。

2 連續(xù)-非連續(xù)耦合方法隧洞穿越斷層破碎帶分析

FLAC及PFC軟件由ITASCA國(guó)際咨詢公司Peter Cundall院士等分別基于有限差分及離散元顆粒流方法開發(fā)的，兩款軟件可以在同一平臺(tái)下使用，特別適合于進(jìn)行連續(xù)-非連續(xù)耦合分析研究。因此，基于FLAC-PFC耦合進(jìn)行隧洞穿越斷層破碎帶相關(guān)機(jī)理研究。

2.1 FLAC-PFC連續(xù)-非連續(xù)耦合實(shí)現(xiàn)方法

利用FLAC-PFC進(jìn)行連續(xù)-非連續(xù)耦合分析通常采用邊界控制PFC墻體單元(wall)的方式，使得FLAC連續(xù)的網(wǎng)格與PFC的顆粒模型相互作用。

其耦合的邏輯是獲取PFC非連續(xù)介質(zhì)在墻體單元面片的接觸力及力矩，將面片頂點(diǎn)位置的等效力傳遞至FLAC網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，F(xiàn)LAC將節(jié)點(diǎn)速度傳遞至墻體單元面片，與PFC非連續(xù)介質(zhì)產(chǎn)生作用力，按照力-位移法則按時(shí)步進(jìn)行更新。因此可以實(shí)現(xiàn)力、位移等數(shù)據(jù)在連續(xù)-非連續(xù)耦合分析時(shí)傳遞。

2.2 隧洞穿越斷層破碎帶耦合分析建模方法及細(xì)觀參數(shù)確定方法

隧洞穿越斷層破碎帶為三維問題，可利用FLAC3D-PFC3D耦合建立分析模型，F(xiàn)LAC3D對(duì)非斷層區(qū)域變形、支護(hù)受力等進(jìn)行分析，PFC3D對(duì)斷層區(qū)域破壞過程等特征進(jìn)行分析。

PFC3D中對(duì)斷層破碎帶建模需進(jìn)行顆粒填充與應(yīng)力平衡，對(duì)于常用球形顆粒(ball)，由于球體之間存在孔隙，且創(chuàng)造應(yīng)力條件需通過伺服控制、顆?？s放等方式，顆粒體系平衡及應(yīng)力條件實(shí)現(xiàn)耗時(shí)長(zhǎng)。PFC剛性塊單元(rblock)，類似于BBM(Bonded-Block Models)模型[9]，可快速生成一系列無孔隙的顆粒體系，由于沒有孔隙的影響，可快速實(shí)現(xiàn)剛性塊單元體系平衡及斷層區(qū)域破碎帶區(qū)域應(yīng)力條件施加。

利用PFC進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，顆粒間的接觸參數(shù)的確定十分重要，通常是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，尋找細(xì)觀參數(shù)與宏觀特性之間的關(guān)系，從而獲得標(biāo)定的細(xì)觀參數(shù)[10-11]。對(duì)于斷層破碎帶通常難以開展針對(duì)性的室內(nèi)試驗(yàn)，可根據(jù)斷層破碎帶開挖響應(yīng)情況如坍塌情況，變形等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等對(duì)顆粒體系接觸細(xì)觀參數(shù)反演確定。

2.3 連續(xù)-非連續(xù)耦合方法加固措施模擬

隧洞穿越斷層破碎帶，常采用注漿、超前支護(hù)、錨索等加固措施[12-15]。注漿加固常采用小導(dǎo)管、中空錨桿等進(jìn)行，根據(jù)盧義玉等人的研究，小導(dǎo)管注漿擴(kuò)散半徑一般為導(dǎo)管中心距離的0.6倍～0.7倍[16]；對(duì)于超前支護(hù)，常采用管棚、小導(dǎo)管等方式結(jié)合注漿進(jìn)行加固[17]，保障隧洞穿越斷層區(qū)域穩(wěn)定。

小導(dǎo)管、錨桿、錨索、噴層等支護(hù)結(jié)構(gòu)在FLAC3D-PFC3D耦合過程中可以用FLAC3D結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)；注漿加固則需要考慮調(diào)整注漿擴(kuò)散區(qū)域PFC3D顆粒接觸參數(shù)實(shí)現(xiàn)，參考李文帥的研究[18]，漿液填充巖體漿-巖接觸界面，漿液細(xì)觀黏結(jié)強(qiáng)度約為巖塊黏結(jié)強(qiáng)度的80%。

3 工程實(shí)例

某水電工程施工隧洞開挖過程中，遭遇未探明斷層破碎帶發(fā)生坍塌，坍塌位置及范圍如圖1所示。該隧洞寬度為8.1 m，坍塌位置埋深約400 m，結(jié)合已開挖洞段地質(zhì)信息及補(bǔ)充勘探，發(fā)現(xiàn)該斷層破碎帶寬度約3 m，與隧洞斜交。工程區(qū)域水平大主應(yīng)力近似垂直于隧洞軸線方向，為1.5倍自重，水平小主應(yīng)力近似沿隧洞軸線方向，為0.7倍自重。

利用FLAC3D-PFC3D耦合建模技術(shù)建立了該隧洞穿越斷層破碎帶分析模型，如圖2所示。斷層破碎帶區(qū)域采用PFC3D剛性塊單元(rblock)建立，其余部分采用FLAC3D網(wǎng)格單元，模型包含12萬個(gè)FLAC3D網(wǎng)格單元及8.7萬個(gè)PFC3D剛性塊單元，剛性塊單元間共計(jì)有30.6萬個(gè)接觸。隧洞附近網(wǎng)格及剛性塊單元尺寸按1 m控制。

由于斷層破碎帶將進(jìn)一步影響后續(xù)隧洞的施工，若發(fā)生更大的坍塌，將極大的威脅施工人員及工程工期，因此有必要開展該斷層破碎帶特征參數(shù)研究及加固措施研究，避免產(chǎn)生更大的影響。

3.1 斷層破碎帶細(xì)觀參數(shù)確定

隧洞非斷層破碎帶區(qū)域?yàn)棰箢悋鷰r，巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。斷層破碎帶剛性塊單元采用軟黏結(jié)模(Softbond)接觸模型。

表1 圍巖巖體力學(xué)參數(shù)

隧洞開挖后，通過調(diào)整軟黏結(jié)模型細(xì)觀參數(shù)，對(duì)比坍塌范圍獲得斷層破碎帶細(xì)觀參數(shù)。同時(shí)，還確定了破碎帶區(qū)域作為Ⅲ類圍巖的細(xì)觀參數(shù)，為后續(xù)注漿加固參數(shù)確定提供依據(jù)，如表2所示。

表2 斷層破碎帶軟黏結(jié)接觸模型細(xì)觀參數(shù)

根據(jù)表1及表2的圍巖及破碎帶參數(shù)，采用噴錨支護(hù)方案模擬隧洞開挖及破壞過程，如圖3，圖4所示，隧洞右上拱肩首先受到斷層破碎帶影響發(fā)生坍塌，同時(shí)該區(qū)域的錨桿發(fā)生破折，分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)基本一致。

3.2 隧洞穿越斷層破碎帶加固措施

該斷層破碎帶將繼續(xù)影響后續(xù)施工，采用如圖5所示加固措施，隧洞頂拱180°范圍內(nèi)設(shè)長(zhǎng)9 m、直徑108 mm、傾角5°、間距0.5 m超前管棚，并對(duì)管棚進(jìn)行注漿；洞身施加長(zhǎng)5.0 m、直徑42 mm、間距1 m小導(dǎo)管，傾角15°安裝進(jìn)行注漿；洞身施加間距0.6 m鋼拱架，噴層厚度25 cm。

管棚及小導(dǎo)管注漿將填充破碎帶巖體裂隙，在一定范圍內(nèi)使得破碎巖體形成一個(gè)整體。參考文獻(xiàn)[18]的研究，于漿液擴(kuò)散范圍按注漿管中心間距的0.6倍考慮，因此對(duì)破碎帶洞周4.5 m范圍細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行了提高；分析中破碎帶軟黏結(jié)抗拉強(qiáng)度及黏結(jié)強(qiáng)度按圍巖的40%保守考慮。

采用上述加固措施后，隧洞穿越斷層破碎帶后變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征如圖6所示，分別展示了隧洞穿越斷層變形情況，原隧洞右上頂拱坍塌區(qū)域的變形為3.5 cm，可見采取加固措施后斷層破碎帶區(qū)域變形得到了有效控制，未發(fā)生坍塌；根據(jù)圖7所示的管棚及錨桿受力，超前管棚在斷層破碎帶區(qū)域應(yīng)力大于100 MPa，可見超前管棚對(duì)保障隧洞穿越破碎帶穩(wěn)定發(fā)揮了較大的作用。

4 結(jié)論

本文研究了應(yīng)用連續(xù)-非連續(xù)耦合方法分析隧洞穿越斷層破碎帶破壞過程、穩(wěn)定特征及加固措施效果，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于非斷層破碎帶區(qū)域使用FLAC3D建模，斷層區(qū)域使用PFC3D剛性塊單元建模，能夠快速實(shí)現(xiàn)隧洞穿越斷層破碎帶連續(xù)-非連續(xù)耦合模型建立。

2)對(duì)于斷層破碎帶區(qū)域PFC3D接觸參數(shù)的確定可通過對(duì)比斷層區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)特征，如坍塌區(qū)域、變形監(jiān)測(cè)等反演確定，以某水電工程隧洞為例獲得了較一致的坍塌破壞情況及錨桿破折效果，反演過程中發(fā)現(xiàn)軟黏結(jié)模型黏聚力及抗拉強(qiáng)度對(duì)斷層破碎帶是否發(fā)生坍塌影響較大。

3)連續(xù)-非連續(xù)耦合分析方法中，注漿加固可通過提高注漿擴(kuò)散區(qū)域細(xì)觀參數(shù)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合某水電工程隧洞采取加固措施后，可見原坍塌位置隧洞變形得到了有效控制。

4)可在相關(guān)分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用連續(xù)-非連續(xù)耦合方法進(jìn)一步研究不同斷層特性、破碎帶寬度、傾角等對(duì)隧洞穩(wěn)定特征的影響。