斷層交會(huì)對(duì)地下支護(hù)洞室圍巖變形影響研究

摘要：賦存于地下洞室區(qū)域的斷層是圍巖開(kāi)挖變形與穩(wěn)定的主要影響與控制因素，而與單斷層條件相比，斷層交會(huì)條件下圍巖變形特征和破壞機(jī)制將更為復(fù)雜。結(jié)合浙江磐安抽水蓄能電站主變排風(fēng)洞的工程地質(zhì)條件和支護(hù)方案，以FLAC 3D為工具模擬支護(hù)條件下雙斷層交會(huì)區(qū)地下洞室的圍巖變形，并比較無(wú)斷層、僅斷層F1存在、斷層F1與F2交會(huì)3種情況下圍巖的變形差異。結(jié)果表明：?jiǎn)螖鄬咏?jīng)過(guò)洞室時(shí)，斷層上盤(pán)圍巖有向斷層傾向方向水平變形的趨勢(shì)，下盤(pán)圍巖變形方向相反，支護(hù)條件下單斷層對(duì)位于斷層上盤(pán)的圍巖變形起主控作用；雙斷層交會(huì)時(shí)圍巖變形體現(xiàn)出明顯的斷層疊加效應(yīng)，但是由于預(yù)應(yīng)力錨索等支護(hù)措施干預(yù)、斷層與洞室相交情況差異等因素的存在，疊加效應(yīng)帶來(lái)的變形增長(zhǎng)現(xiàn)象僅在圍巖部分位置較為明顯；僅存在單斷層時(shí)，洞室圍巖變形隨著斷層強(qiáng)度提升而減小，雙斷層交會(huì)時(shí)斷層強(qiáng)度對(duì)洞室變形的影響僅在洞室部分位置呈現(xiàn)清晰規(guī)律，開(kāi)展斷層力學(xué)參數(shù)反演時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮使用這些位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：斷層交會(huì)；圍巖變形；疊加效應(yīng)；FLAC 3D；抽水蓄能電站

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.020

0 引 言

賦存于地下洞室區(qū)域的斷層是圍巖開(kāi)挖變形與穩(wěn)定的主要影響與控制因素之一^［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾從理論、試驗(yàn)和工程應(yīng)用等多方面系統(tǒng)地研究圍巖變形特征和破壞機(jī)理的斷層效應(yīng)，取得了大量研究成果^［2-3］。研究表明，斷層的產(chǎn)狀及其與地下洞室的空間位置關(guān)系嚴(yán)重影響圍巖變形與穩(wěn)定。如牛巖等^［4］依托西藏林芝地區(qū)某水電站導(dǎo)流洞，研究斷層產(chǎn)狀對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)斷層走向越小、傾角越大，洞室圍巖穩(wěn)定性越好；耿萍等^［5］依托某圓形水工隧洞，考察斷層傾角變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)平行斷層和正交斷層存在明顯差異；古銀城等^［6］依托石吉高速五峰山一號(hào)隧道，研究斷層與隧道相對(duì)距離對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，發(fā)現(xiàn)斷層與隧道距離在一倍洞徑以內(nèi)時(shí)，圍巖不能形成完整壓力拱，斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大；劉鵬等^［7］依托湛江地下水封洞庫(kù)，研究斷層破碎帶對(duì)圍巖位移的位置效應(yīng)和距離效應(yīng)，認(rèn)為斷層位置和距離對(duì)地下洞室高邊墻的穩(wěn)定性具有重要影響。當(dāng)存在初始地應(yīng)力場(chǎng)^［8］、地下水^［9］、支護(hù)加固^［10］等因素作用時(shí)，斷層影響下的圍巖變形行為復(fù)雜程度增加。

斷層交會(huì)即兩條或兩條以上斷層相交。根據(jù)地質(zhì)力學(xué)分析結(jié)果^［11］，斷層交會(huì)條件下圍巖變形特征和破壞機(jī)制將比單斷層條件下更為復(fù)雜。目前針對(duì)多條斷層存在時(shí)圍巖的變形研究甚少，如王禹淇等^［12］分析雙斷層對(duì)青蘭高速問(wèn)腰隧道圍巖開(kāi)挖變形的影響，但兩條斷層的空間方位近于平行。斷層交會(huì)情況下的圍巖變形較少，李海輪等^［13］對(duì)河北豐寧抽水蓄能電站地下洞室群開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定和襯砌破壞問(wèn)題的研究，發(fā)現(xiàn)斷層與洞室群切割處襯砌受力形式以拉彎和拉剪為主、壓彎和壓剪為輔，導(dǎo)致斷層處襯砌發(fā)生空鼓、拉裂、壓碎和剪斷等多種破壞形態(tài)。此項(xiàng)研究證實(shí)了雙斷層交會(huì)情況下洞室開(kāi)挖圍巖變形行為對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的不利作用，但對(duì)雙斷層交會(huì)情況下圍巖變形的特殊性揭示不足。因此對(duì)比研究無(wú)斷層、僅單斷層存在和雙斷層交會(huì)情況下的洞室圍巖變形差異，可揭示斷層交會(huì)對(duì)地下洞室開(kāi)挖圍巖變形的影響，進(jìn)一步豐富對(duì)地下洞室圍巖變形斷層效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

由于斷層產(chǎn)狀、斷層與地下洞室空間位置關(guān)系組合的多樣性，獲取斷層交會(huì)影響洞室開(kāi)挖圍巖變形的普遍性規(guī)律仍存在較大困難，依托經(jīng)過(guò)斷層交會(huì)區(qū)的地下洞室工程實(shí)例開(kāi)展研究更為可行。本文擬結(jié)合浙江磐安抽水蓄能電站主變排風(fēng)洞的工程地質(zhì)條件和支護(hù)方案，以FLAC 3D為工具模擬雙斷層交會(huì)區(qū)地下洞室的圍巖變形，并增加模擬無(wú)斷層和僅一條斷層存在時(shí)的圍巖變形，以便分析斷層影響。在產(chǎn)狀和空間位置關(guān)系確定的條件下，斷層強(qiáng)度成為斷層交會(huì)條件下圍巖變形的重要影響因素^［14］，因此，根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告建議的斷層強(qiáng)度參數(shù)取值區(qū)間對(duì)斷層分別取強(qiáng)度平均值、最大值和最小值進(jìn)行計(jì)算，分析斷層強(qiáng)度對(duì)圍巖變形的影響規(guī)律。

1 依托工程

磐安抽水蓄能電站主變排風(fēng)洞為直墻半圓拱形洞室，洞室埋深245 m，總長(zhǎng)100 m，跨度10 m，側(cè)墻高5 m。洞室區(qū)斷層發(fā)育5條，其中控制性的斷層F1和F2為Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，剩下3條斷層規(guī)模較小。圍巖巖性主要為凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)粉砂巖，類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主。斷層F1傾向180°傾角33°，斷層F2傾向302°傾角25.8°，兩者寬度均為1～2 m，帶內(nèi)主要由破碎巖、角礫巖和碎塊巖等組成，局部斷層泥。工程區(qū)內(nèi)地下水不發(fā)育。地應(yīng)力場(chǎng)回歸分析表明工程區(qū)內(nèi)以構(gòu)造應(yīng)力為主，自重應(yīng)力次之，最大主應(yīng)力值約6～11 MPa，工程區(qū)大部分處于低應(yīng)力區(qū)域。本次研究主要考慮控制性斷層F1和F2，忽略其他小規(guī)模斷層、地下水和初始地應(yīng)力的影響，以便使問(wèn)題復(fù)雜程度降低。

洞室采用分層臺(tái)階法開(kāi)挖，開(kāi)挖方案如圖1所示。以洞室側(cè)墻和半圓拱分界線為分層位置，洞室斷面分為上臺(tái)階A層和下臺(tái)階B層，開(kāi)挖步距設(shè)定為10 m，采用交錯(cuò)施工法進(jìn)行開(kāi)挖。主變排風(fēng)洞擬采用錨索、系統(tǒng)錨桿和噴射鋼纖維混凝土的聯(lián)合支護(hù)措施：錨索長(zhǎng)20 m、預(yù)應(yīng)力1 000 kN，布置于拱頂中間區(qū)段，間距3 m；系統(tǒng)錨桿為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿，5 m和7 m兩種長(zhǎng)度沿洞室軸線方向交錯(cuò)布置，間距1.5 m；混凝土襯砌為200 mm厚C30鋼纖維混凝土。

2 數(shù)值模型與模擬方案

2.1 數(shù)值模型建立

在有限差分法軟件FLAC 3D中建立洞室的三維模型。為充分考慮斷層的空間效應(yīng)，參考文獻(xiàn)［15］中模型參數(shù)設(shè)置，模型左右邊界與洞室中心取5倍洞室跨度，模型底邊界至洞室中心取4倍洞室高度，模型前后邊界至洞室距離取5倍洞室跨度。洞室埋深根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定為245 m，最終建立的數(shù)值模型如圖2（a）所示。模型Z方向指向地表，高290 m；Y方向指向正北，長(zhǎng)200 m；X方向指向正東，長(zhǎng)100 m。圖2（a） 沿Y方向截取整體模型的一半以便展示洞室所在位置。數(shù)值模型左右兩側(cè)邊界、前后兩側(cè)邊界和底側(cè)邊界均設(shè)置為固定邊界。模型頂部地表設(shè)置為自由邊界。

圖2（b）和圖2（c）分別從X方向正視角和背視角展示斷層與圍巖的空間位置關(guān)系：F1于樁號(hào)0+044處穿過(guò)洞室拱頂后繼續(xù)向下穿越整個(gè)洞室，其空間方位與洞室形成正交關(guān)系；F2于樁號(hào)0+075處穿過(guò)洞室拱頂，未能穿越整個(gè)洞室，其空間方位與洞室形成斜交。F1與F2交會(huì)于樁號(hào)0+057處，交會(huì)點(diǎn)位于洞室拱頂上方4.80 m處。數(shù)值模型中斷層厚度均設(shè)定為1 m。圍巖與斷層均用實(shí)體單元模擬，圍巖使用2 010 487個(gè)實(shí)體單元，斷層F1使用41 516個(gè)實(shí)體單元，斷層F2使用36 416個(gè)實(shí)體單元。模型中單元最小尺寸為0.4 m。

根據(jù)擬定的支護(hù)方案，數(shù)值模型中錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索布置情況如圖3所示，其中預(yù)應(yīng)力錨索共計(jì)20根，系統(tǒng)錨桿共計(jì)568根。預(yù)應(yīng)力錨索和系統(tǒng)錨桿均采用Cable單元模擬，區(qū)別在于兩者使用的參數(shù)不同。襯砌采用Shell單元進(jìn)行模擬。

2.2 材料參數(shù)

數(shù)值模型中斷層采用實(shí)體單元模擬。與采用接觸面單元^［16］相比，實(shí)體單元可更真實(shí)地反映斷層破碎帶的厚度。根據(jù)項(xiàng)目工程地質(zhì)可行性研究報(bào)告，洞室圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)，地質(zhì)特征為弱風(fēng)化下段-新鮮巖體，斷層破碎帶視同Ⅴ級(jí)圍巖處理。圍巖和斷層的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)建議值如表1所列。Mohr-Coulomb本構(gòu)模型^{［11，13］}和Drucker-Prager本構(gòu)模型^［15-16］是分析斷層影響下圍巖變形穩(wěn)定常用的彈塑性本構(gòu)模型，鑒于工程地質(zhì)報(bào)告提供的參數(shù)有限，本次研究中圍巖和斷層均使用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。FLAC 3D中Mohr-Coulomb本構(gòu)模型在材料發(fā)生拉伸屈服時(shí)采用相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則^［17］。

錨桿、錨索和襯砌結(jié)構(gòu)的C30鋼纖維混凝土均采用帶抗拉/抗壓極限的線彈性本構(gòu)模型。參考相關(guān)文獻(xiàn)^{［13，18］}，數(shù)值模型中錨索、錨桿和C30鋼纖維混凝土采用的力學(xué)參數(shù)如表2所列。

2.3 模擬方案

本次研究以圖2所示的洞室數(shù)值模型為基礎(chǔ)，修改得到無(wú)斷層存在的洞室模型和僅存在斷層F1以及雙斷層交會(huì)的洞室模型，以便通過(guò)對(duì)比研究揭示單斷層及雙斷層交會(huì)對(duì)支護(hù)條件下圍巖變形特征的影響。為揭示斷層強(qiáng)度對(duì)圍巖變形的影響，數(shù)值模型中斷層的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ分別取建議值的平均值、上限值和下限值等3種情況，其他物理力學(xué)指標(biāo)均取建議值的平均值。斷層賦存情況和斷層強(qiáng)度取值情況組合之后，形成表3所列的7種模擬方案。

為保證比較的客觀性，不同模擬方案中支護(hù)措施和分層開(kāi)挖施工均保持一致。為便于后續(xù)分析，在圖1所示每個(gè)臺(tái)階范圍中部位置設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)10個(gè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)。1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于拱頂中心位置，2號(hào)和3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置于側(cè)墻和半圓拱分界處，4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置于側(cè)墻墻腳向上1.5 m位置，6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于底板中心位置。

3 斷層對(duì)洞室不同位置位移影響分析

3.1 斷層對(duì)洞室拱頂中心位移的影響

洞室開(kāi)挖支護(hù)完成及位移穩(wěn)定后，在1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的洞室拱頂中心位置位移沿洞室縱向（模型Y方向）變化如圖5所示，圖中位移為FLAC 3D軟件提供的位移絕對(duì)值。無(wú)斷層條件下洞室拱頂中心位移大致對(duì)稱(chēng)分布，最大位移7.01 mm，位于中部位置。

僅有斷層F1存在時(shí)，拱頂中心位移在洞室前段明顯增加，后段則輕微增加。以無(wú)斷層情況為基準(zhǔn)，方案2-1、2-2和2-3時(shí)拱頂中心位移在洞室前段的最大增幅分別為16.4%，13.8%和20.3%，在洞室后段的最大增幅則為4.19%，3.71%和4.68%。位移增幅隨著斷層強(qiáng)度降低呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，同時(shí)洞室前段和后段的位移增幅差異很大。位移增幅在洞室不同位置的差異可認(rèn)為是由斷層方位決定的。觀察圖2（b）中斷層F1和洞室的相交關(guān)系，可以認(rèn)為洞室前段由于斷層存在更易產(chǎn)生向下變形，而預(yù)應(yīng)力錨索未在此范圍內(nèi)布置。隨著預(yù)應(yīng)力錨索作用的發(fā)揮，位移增加趨勢(shì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，到達(dá)樁號(hào)0+055時(shí)，與無(wú)斷層情況下位移差異僅0.05 mm。隨著預(yù)應(yīng)力錨索布置段的結(jié)束，斷層效應(yīng)又開(kāi)始顯現(xiàn)，但由于斷層方位關(guān)系，其位移增加相對(duì)較小。

雙斷層交會(huì)時(shí)，拱頂中心位移在洞室前段和后段均明顯增加。以無(wú)斷層情況下為基準(zhǔn)，方案3-1、3-2和3-3時(shí)拱頂中心位移在洞室前段的最大增幅分別為21.3%，18.2%和25.6%，在洞室后段的最大增幅則為24.4%，20.8%和29.5%。洞室中部由于預(yù)應(yīng)力錨索發(fā)揮作用，雙斷層交會(huì)時(shí)與無(wú)斷層時(shí)的位移差異最大為0.10 mm?；趯?duì)僅有斷層F1情況的分析，可認(rèn)為雙斷層交會(huì)時(shí)的拱頂位移為斷層F1和F2效應(yīng)的疊加結(jié)果。洞室前段位置，方案3-1、3-2和3-3在方案2-1、2-2和2-3的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了4.9%，4.4%和5.3%的位移增幅。因此洞室前段拱頂位移主要受斷層F1控制，后段拱頂位移則主要受斷層F2控制。中部位置預(yù)應(yīng)力錨索的存在約束了斷層效應(yīng)的發(fā)揮，其位移主要受?chē)鷰r強(qiáng)度控制。

3.2 斷層對(duì)洞室側(cè)墻不同位置位移的影響

洞室開(kāi)挖支護(hù)完成位移穩(wěn)定后，2～5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的洞室側(cè)墻不同位置位移沿洞室縱向變化如圖6所示。與圖5一致，圖中位移為FLAC 3D軟件提供的位移絕對(duì)值。無(wú)斷層條件下，洞室側(cè)墻各位置的位移仍大致對(duì)稱(chēng)分布，2號(hào)和3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移5.82 mm，4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移5.27 mm，均位于洞室中部位置。因此，無(wú)斷層情況下采用原支護(hù)方案支護(hù)后，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置向洞室底板下移，側(cè)墻位移值呈減小趨勢(shì)。

僅有斷層F1存在時(shí)，洞室側(cè)墻位移增加的規(guī)律與洞室拱頂中心基本相同，仍是洞室前段增加明顯，后段輕微增加。以無(wú)斷層情況下為基準(zhǔn)，在2～5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，方案2-1時(shí)洞室前段位移增加的最大幅度分別為22.5%，22.8%，27.0%和27.2%，方案2-2位移增加的最大幅度分別為18.9%，18.9%，22.5%和22.3%，方案2-3位移增加的最大幅度分別為28.0%，28.0%，33.6%和33.8%；方案2-1時(shí)洞室后段位移增加的最大幅度分別為4.0%，4.4%，3.9%和4.4%，方案2-2時(shí)位移增加的最大幅度分別為3.6%，4.0%，3.8%和4.0%，方案2-3時(shí)位移增加的最大幅度分別為4.4%，4.8%，4.6%和4.8%。與洞室拱頂中心不同的是，樁號(hào)0+035位置存在有斷層F1時(shí)側(cè)墻的位移略小于無(wú)斷層的情況。側(cè)墻位移以水平位移為主，此位置正是斷層F1與側(cè)墻相交位置，因此可認(rèn)為此處位移較小是支護(hù)措施直接施加于彈性模量較低的斷層破碎帶上的結(jié)果。此外，由于斷層F1傾向與洞室走向正好相逆，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2號(hào)和3號(hào)位移沿縱向的變化規(guī)律基本一致，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4號(hào)和5號(hào)亦如此。

雙斷層交會(huì)時(shí)，洞室側(cè)墻位移的增加規(guī)律與洞室拱頂中心區(qū)別明顯。洞室前段由于雙斷層疊加效應(yīng)，側(cè)墻位移在僅F1存在時(shí)的位移基礎(chǔ)上略有增加。以無(wú)斷層情況為基準(zhǔn)，在2～5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，方案3-1時(shí)洞室前段位移增加的最大幅度分別為29.5%，29.1%，34.8%和34.1%，方案3-2位移增加的最大幅度分別為25.0%，24.7%，29.7%和44.2%，方案3-3時(shí)位移增加的最大幅度分別為35.8%，35.5%，42.1%和41.9%。由于預(yù)應(yīng)力錨索的作用，雙斷層交會(huì)時(shí)洞室中部位置的位移與僅斷層F1存在和無(wú)斷層時(shí)差異很小。洞室后段位置，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均小于僅斷層F1存在的情況，4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移甚至小于無(wú)斷層的情況，但2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移在樁號(hào)0+095位置大于僅斷層F1存在時(shí)，其原因可歸結(jié)于斷層F2與洞室的相交形態(tài)。斷層F2于樁號(hào)0+075附近抵達(dá)洞室拱頂后，以小傾角斜交洞室，其超出洞室范圍時(shí)僅有2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)完全處于斷層上盤(pán)，因此2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在最末端監(jiān)測(cè)剖面上位移增加。同時(shí)，由于斷層F2與洞室存在較長(zhǎng)的斜交范圍，使得支護(hù)荷載施加于斷層破碎帶上的效果更加明顯，因此洞室后段位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體上位移更小。由于斷層F2傾向與洞室走向不一致，兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處位移沿洞室縱向的變化規(guī)律不再相同。

3.3 斷層對(duì)洞室底板中心位移的影響

洞室開(kāi)挖支護(hù)完成且位移穩(wěn)定后，6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的洞室底板中心位置位移沿洞室縱向變化如圖7所示。與圖5一致，圖中位移為FLAC 3D軟件提供的位移絕對(duì)值，主要方向?yàn)樨Q直方向。無(wú)斷層條件下洞室底板中心處位移大致對(duì)稱(chēng)分布，位移最大值4.29 mm，位于中部，最小值4.08 mm，位于左右兩端，變化幅度約5%。僅斷層F1存在和雙斷層交會(huì)條件下，底板中心位置位移沿洞室縱向的變化規(guī)律與側(cè)墻上4號(hào)和5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)保持一致，即在洞室前段明顯增加，在洞室后段相對(duì)復(fù)雜。以無(wú)斷層情況為基準(zhǔn)，方案2-1、2-2和2-3時(shí)洞室前段的位移最大增幅分別為27.7%，23.3%和34.6%，方案3-1、3-2和3-3時(shí)洞室前段的位移最大增幅分別為35.5%，29.9%和43.9%。與穿越側(cè)墻相比，斷層F1穿越底板位置樁號(hào)更小，因此樁號(hào)0+025位置存在斷層時(shí)底板中心位移值略小于無(wú)斷層情況。與無(wú)斷層時(shí)相比，僅斷層F1存在時(shí)洞室后段位移輕微增加，雙斷層交會(huì)時(shí)位移反而輕微減小。

3.4 小 結(jié)

對(duì)不同方案下洞室監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移差異的分析表明，支護(hù)措施施加后斷層對(duì)洞室變形的影響仍清晰可見(jiàn)。此案例中斷層F1傾向與洞室走向相逆且完全經(jīng)過(guò)洞室，僅F1存在時(shí)，位于F1傾向所指方向的洞室前段位移與無(wú)斷層時(shí)相比均明顯增加，洞室中部在預(yù)應(yīng)力錨索等支護(hù)措施作用下位移受到約束，洞室后段位移則輕微增加。斷層F2傾向與洞室走向呈58°斜交且未完全經(jīng)過(guò)洞室，F(xiàn)1和F2同時(shí)存在時(shí)，洞室前段位移由于斷層效應(yīng)疊加而增加幅度上升，洞室中部位移仍受到有力約束，洞室后段位移則由于斷層F2與洞室的空間相交關(guān)系呈現(xiàn)復(fù)雜變化。上述影響導(dǎo)致斷層強(qiáng)度對(duì)洞室變形的影響規(guī)律僅在部分位置清晰可辨，如洞室前段的1～4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和洞室后段的1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)等位置，洞室位移隨斷層強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)有規(guī)律的減小，因此進(jìn)行斷層力學(xué)參數(shù)反演時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮使用這些位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 洞室拱頂走向方向位移的斷層效應(yīng)

比較圖5～7所示的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置位移縱向變化規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)在此案例的雙斷層交會(huì)條件下，不同模擬方案獲取的拱頂位置變形差異最為顯著。鑒于此，于拱頂上方1 m位置取水平剖面，分析洞室拱頂在洞室走向方向（Y方向）的位移情況，以進(jìn)一步明確斷層對(duì)拱頂變形的影響。

圖8為無(wú)斷層條件下洞室拱頂在走向方向的位移情況，與Y軸指向方向一致記為正。此時(shí)位移關(guān)于X、Y軸均呈對(duì)稱(chēng)分布，在洞室中部為零，洞室前段為負(fù)，而在洞室后段為正，最大位移值0.49 mm。雖然位移量級(jí)很小，但表明由于中部預(yù)應(yīng)力錨索的加固作用較強(qiáng)，拱頂在走向方向有輕微的向兩端變形趨勢(shì)。

圖9為僅斷層F1存在時(shí)洞室拱頂在走向方向的位移情況。由于F1傾向與洞室走向正好相逆，位移關(guān)于Y軸呈對(duì)稱(chēng)分布，在斷層位置位移出現(xiàn)突變。洞室前段拱頂位于F1上盤(pán)，位移與F1傾向一致，最大值發(fā)生于斷層穿越洞室處。相比于無(wú)斷層情況，洞室前段拱頂位移明顯增加，且增幅與斷層強(qiáng)度有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)斷層強(qiáng)度取下限值時(shí)，最大位移值為1.04 mm。以無(wú)斷層情況為基準(zhǔn)，方案2-1、2-2和2-3的洞室前段位移分別增加74%，52%和115%。越過(guò)斷層后拱頂在走向方向的位移為正，預(yù)應(yīng)力錨索的約束作用使得中部位置位移量級(jí)很小。洞室后段在走向方向的位移與無(wú)斷層情況相比略有增加，但與斷層強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的顯著性下降。

圖10為雙斷層交會(huì)時(shí)洞室拱頂在走向方向的位移情況，可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)斷層與洞室相交位置處位移均出現(xiàn)明顯突變。F2傾向與洞室走向斜交，使得洞室后段位于F2上盤(pán)拱頂向F2傾向方向出現(xiàn)明顯位移。最大位移同樣發(fā)生在F2穿越洞室處，當(dāng)斷層強(qiáng)度取下限值時(shí)，最大位移值為1.43 mm。雙斷層與洞室相交后在洞室中部位置形成的潛在失穩(wěn)體，在走向方向的位移基本可以忽略，其原因在于中部的預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)作用。洞室前段位置，雖然F2離拱頂尚有一定距離，但依然可以影響洞室前段F1上盤(pán)拱頂在走向方向的位移。首先，F(xiàn)1上盤(pán)拱頂位移沿Y軸雖然仍大致對(duì)稱(chēng)，但位移云圖對(duì)稱(chēng)性受到明顯的干擾，且斷層強(qiáng)度越低則干擾越顯著。同時(shí)，F(xiàn)1上盤(pán)拱頂在走向方向的位移有所增加，方案3-1、3-2和3-3中位比方案2-1、2-2和2-3分別增加了12.9%，12.1%和12.7%。

結(jié)合圖5拱頂中心位置位移沿洞室縱向的變化規(guī)律，可認(rèn)為單斷層和無(wú)斷層兩種情況下拱頂沿洞室走向的位移差異來(lái)自于斷層上盤(pán)和下盤(pán)沿?cái)鄬拥南鄬?duì)錯(cuò)動(dòng)。由于相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，上盤(pán)圍巖和下盤(pán)圍巖分別朝向和背離斷層傾向方向水平變形，但由于預(yù)應(yīng)力錨索約束洞室中部圍巖，上盤(pán)圍巖變形趨勢(shì)更為顯著，因此支護(hù)條件下單斷層主控位于斷層上盤(pán)圍巖的變形。雙斷層交會(huì)時(shí)，兩條斷層依然主控各自上盤(pán)的圍巖變形，但斷層疊加效應(yīng)依然影響圍巖變形特征。由于預(yù)應(yīng)力錨索等支護(hù)措施干預(yù)、斷層與洞室相交情況差異等因素的存在，斷層疊加效應(yīng)帶來(lái)的變形增長(zhǎng)現(xiàn)象僅在圍巖部分位置較為明顯。

5 結(jié) 論

本文依托浙江磐安抽水蓄能電站主變排風(fēng)洞工程實(shí)例，建立洞室開(kāi)挖時(shí)圍巖變形的三維數(shù)值模型，分析對(duì)比無(wú)斷層、僅單斷層存在和雙斷層交會(huì)時(shí)圍巖變形的差異，揭示斷層交會(huì)對(duì)支護(hù)條件下洞室圍巖變形的影響，以便針對(duì)性布置監(jiān)測(cè)措施以滿足力學(xué)參數(shù)反演需求，得出如下結(jié)論：

（1）單斷層經(jīng)過(guò)洞室時(shí)，上盤(pán)圍巖有向斷層傾向方向水平變形的趨勢(shì)，下盤(pán)變形方向相反。在與斷層相交的預(yù)應(yīng)力錨索等措施約束作用下，位于上盤(pán)的圍巖變形量明顯大于位于下盤(pán)的圍巖，因此支護(hù)條件下單斷層對(duì)于斷層上盤(pán)的圍巖變形起主控作用。

（2）雙斷層交會(huì)時(shí)，兩條斷層各自主控位于其上盤(pán)的圍巖變形，但圍巖變形體現(xiàn)出明顯的斷層疊加效應(yīng)。僅正交經(jīng)過(guò)洞室的斷層F1存在時(shí)，圍巖變形在洞室走向方向呈左右對(duì)稱(chēng)；當(dāng)還存在斜交經(jīng)過(guò)洞室的斷層F2時(shí)，斷層F1主控區(qū)段圍巖變形的對(duì)稱(chēng)性受到一定程度破壞。斷層疊加效應(yīng)使得圍巖變形發(fā)生變化，但是由于預(yù)應(yīng)力錨索等支護(hù)措施的干預(yù)、斷層-洞室相交情況的差異等因素存在，疊加效應(yīng)帶來(lái)的變形增長(zhǎng)僅在圍巖部分位置較為明顯。

（3）僅存在單斷層時(shí)，洞室圍巖變形隨斷層強(qiáng)度提升呈明顯的減小趨勢(shì)。雙斷層交會(huì)時(shí)，洞室圍巖變形在斷層疊加效應(yīng)下的增長(zhǎng)易受到干擾，導(dǎo)致斷層強(qiáng)度對(duì)洞室變形的影響規(guī)律僅在部分位置清晰可辨。開(kāi)展洞室斷層力學(xué)參數(shù)反演和動(dòng)態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用這些位置的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本文僅采用數(shù)值模擬手段初步獲取了斷層交會(huì)對(duì)支護(hù)條件下洞室圍巖變形的影響，尚無(wú)實(shí)測(cè)資料佐證。施工中擬將進(jìn)一步對(duì)洞室開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證或修正數(shù)值模擬結(jié)論，為洞室的反饋設(shè)計(jì)和信息化施工服務(wù)。

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（編輯：胡旭東）

Influence study on fault intersection on deformation of surrounding rock of

underground supporting cavernCHEN Xi¹，WU Yingzi²，ZHANG Haoran³，JIANG Wei³，CHAI Zihan³，XIAO Shirong³

（1.Economic and Technological Research Institute，State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China； 2.State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China； 3.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area of Ministry of Education，Yichang 443002，China）

Abstract： The faults in the underground cavern area are the main influencing and controlling factors for the deformation and stability of surrounding rock excavation.Compared with the single fault condition，the deformation characteristics and failure mechanism of surrounding rock under the condition of fault intersection will be more complicated.Based on the engineering geological conditions and support scheme of the main transformer exhausting wind tunnel of Pan'an Pumped Storage Power Station in Zhejiang Province，F(xiàn)LAC 3D was used to simulate the surrounding rock deformation of the underground cavern in the double fault intersection area，and the deformation differences of the surrounding rock under the three conditions of no fault，only fault F1 existence and fault F1 and F2 intersection were compared.The results show that when a single fault passes through the cavern，the surrounding rock of the hanging wall of the fault has a tendency to deform horizontally in the direction of the fault tendency，and the deformation direction of the surrounding rock of the footwall is opposite.Under the support condition，the single fault plays a dominant role in the surrounding rock deformation located on the hanging wall of the fault.The deformation of surrounding rock shows obvious fault superposition effect when double faults intersect.However，due to the intervention of supporting measures such as prestressed anchor cables and the intersection difference of faults and caverns，the deformation growth caused by superposition effect is only obvious in some parts of surrounding rock.When there is only a single fault，the deformation of the surrounding rock of the cavern decreases with the increasing of the fault strength.When the double faults intersect，the influence of the fault strength on the deformation of the cavern only shows a clear law in some parts of the cavern，monitoring data at these locations should be given priority when conducting fault mechanical parameter inversion.

Key words： fault intersection；surrounding rock deformation；superposition effect；FLAC 3D；pumped storage power station