樓山隧道穿越斷層破碎帶施工的安全性分析

摘要：依托穿越斷層破碎帶的樓山隧道，通過高密度電阻率法對掌子面前方圍巖進行超前地質(zhì)預(yù)報，并采用數(shù)值軟件建立隧道斷層破碎帶的三維數(shù)值模型，模擬隧道施工穿越破碎帶過程，分析了隧道開挖過程中隧道不同部位的變形規(guī)律。研究表明，斷層破碎帶的存在會明顯放大隧道開挖引起的圍巖變形的空間效應(yīng)，在實際開挖過程中，應(yīng)著重關(guān)注該區(qū)域內(nèi)的拱頂、拱腰、拱底的變形。

關(guān)鍵詞：隧道；斷層破碎帶；有限元模型；拱底；拱腰；拱頂

0" "引言

為滿足國家快速發(fā)展的需求，各地區(qū)大力新建交通基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是隧道工程[1]。隧道穿越斷層破碎帶時，由于斷層破碎帶內(nèi)的巖體通常連續(xù)性差、孔裂隙發(fā)育明顯、強度低，無法形成有效的承載，因而隧道變形發(fā)展很快，嚴(yán)重時會導(dǎo)致隧道坍塌[2-3]。近年來，隧道穿越斷層破碎帶的研究已成為隧道工程的熱點之一。

本文以樓山隧道為研究對象，通過高密度電阻率法探測出斷層破碎帶不良地質(zhì)，并結(jié)合數(shù)值手段對隧道開挖過程的安全性進行分析。

1" "工程概況

1.1" "項目基本狀況

樓山隧道起訖里程為DK97+419.26～DK102+328.98，長4909.72m，隧道包含Ⅲ級圍巖2950m、Ⅳ級圍巖1155m、Ⅴ級圍巖804.72m。該隧道位于撫順市撫順縣境內(nèi)，隧道區(qū)交通狀況一般，隧道進口為田間土路，隧道出口為林間土路，中小型車輛均可通過。隧道屬于低山丘陵區(qū)，植被茂密，以林木為主。該地區(qū)地形起伏較大，最高高程約580.0m，最低高程約278.4m。

1.2" "工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，隧道苑圍地層從新至老分別為第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、粗角礫土、碎石土，下伏地層為太古界鞍山群混合花崗巖、變粒巖、片麻巖。該隧址區(qū)域地質(zhì)作用劇烈，存在斷層、破碎帶及不整合接觸帶，基于此，通過斷層破碎帶及不整合接觸帶時應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報。

1.3" "超前地質(zhì)預(yù)報

采用高密度電阻率法對掌子面前方圍巖進行超前地質(zhì)預(yù)報。圖1為電阻率反演斷面圖。從圖1可以看出，在DK99+325～DK99+400區(qū)間，電阻率等值線向下凹陷，推斷該段洞身附近存在斷層破碎帶，將其標(biāo)識為F1。在DK100+625～DK100+700區(qū)間，橫向電阻率劇烈變化，等值線彎曲變形，推斷該段洞身附近存在新層，將其標(biāo)識為F2。

2" "隧道施工工藝

樓山隧道洞身暗挖段均按新奧法組織施工，全隧采用常規(guī)機械化配置施工，無軌運輸。Ⅲ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖，Ⅴ級圍巖一般地段采用三臺階法開挖、三臺階臨時仰拱法。具體的施工要點如下：

2.1" "洞口施工

首先施作截水天溝和坡面防護，然后施作超前大管棚，最后采用臺階臨時支撐法開挖進洞。

2.2" "開挖施工

全隧采用臺架+風(fēng)鉆形式進行開挖施工，爆破裝藥采用混裝炸藥臺車。

2.3" "支護施工

混凝土采用濕噴工藝，正洞每個工作面配置1臺單臂機械濕噴機械手。拱架安裝采用鋼架拼裝機安裝，錨桿采用錨桿鉆注一體機施作。

2.4" "仰拱襯砌施工

仰拱填充與仰拱必須分開施作，仰拱施工采用仰拱曲模施工，模板利用自行式仰拱棧橋進行移動與固定。二襯采用12m智能化模板臺車施作，其具備分層逐窗布料、帶模注漿、自動振搗等功能。養(yǎng)護采用混凝土噴淋養(yǎng)護臺車與霧炮。水溝電纜槽采用溝槽臺車施工，在保證前方空間需要的前提下，溝槽施工盡量緊跟二襯平行推進。

3" "建立有限元模型

3.1" "三維模型建立

根據(jù)勘察報告，選取DK99+300～DK99+460區(qū)間建立隧道斷層破碎帶的三維數(shù)值模型，模型長160m、寬60m、高70m。巖層和斷層破碎帶采用實體單元模擬，襯砌采用板單元模擬，錨桿采用桿單元模擬。為提高計算效率，僅在隧道與周邊巖層接觸位置進行局部網(wǎng)格加密，其余區(qū)域選擇中等網(wǎng)格，共劃分了87455個節(jié)點，67343個單元，圖2為三維網(wǎng)格模型。隧道模型的邊界條件設(shè)置如下：將表面設(shè)為徑向和法向自由，將側(cè)面設(shè)為法向固定、徑向自由，將底面設(shè)為徑向和法向固定。

3.2" "模型參數(shù)設(shè)置

模型中斷層破碎帶和巖層本構(gòu)選擇修正的摩爾-庫倫模型，斷層破碎帶和巖層模型參數(shù)見表1。其中，E50ref為三軸排水試驗的參考割線剛度，Eoedref為固結(jié)試驗的參考切線剛度，Eurref為卸荷再加荷模量。襯砌和大管棚本選擇彈性模型，襯砌和錨桿模型參數(shù)見表2。

3.3" "模型觀測點布置

為更好地分析隧道掘進過程中斷層破碎帶的影響，按照與斷層破碎帶的距離，選取出5個監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面示意圖如圖3所示。

4" "數(shù)值結(jié)果分析

4.1" "斷面3的豎向位移分析

4.1.1" "豎向位移曲線

以斷層破碎帶中心斷面（斷面3）為研究對象。圖4為隧道掘進過程中斷面3處拱底、拱腰和拱頂?shù)呢Q向位移曲線。從圖4可以看出，隨著隧道的逐步開挖，斷面3不同部位的豎向位移總體都呈增大的趨勢，不同部位的豎向位移方向不一致，拱底位移向上發(fā)展，拱腰位移向下發(fā)展，拱頂位移向下發(fā)展。

4.1.2" "拱底隆起

當(dāng)隧道掌子面未接近斷層破碎帶區(qū)域，斷面3的拱底隆起位移基本無變化。當(dāng)隧道掌子面開挖至斷層破碎帶內(nèi)，監(jiān)測斷面3拱底隆起位移開始發(fā)展，并在接近斷層破碎帶中心位置時，拱底隆起位移急劇增大，位移斜率接近1。隨后拱底隆起位移達到峰值，并小幅度減小。當(dāng)隧道開挖出斷層破碎帶后，拱底隆起位移基本穩(wěn)定。

4.1.3" "拱腰沉降

當(dāng)掌子面掘進至斷層破碎帶前約18m位置，拱腰開始發(fā)生向下的位移，并在接近斷層破碎帶的過程中，拱腰沉降緩慢變大。當(dāng)掌子面開挖過斷層破碎帶中間位置時，拱腰沉降小幅度減小，隨后再次緩慢增大。當(dāng)掌子面穿過斷層破碎帶后，拱腰沉降基本保持不變。

4.1.4" "拱頂沉降

對于拱頂沉降而言，在掌子面從接近斷層破碎帶到穿越斷層破碎帶、再到穿出斷層破碎帶過程中，拱頂沉降首先緩慢增大，隨后急劇增大，最后緩慢變大并逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上分析，拱底、拱腰、拱頂?shù)呢Q向位移峰值分別為9mm、-1.4mm、-7mm，均小于規(guī)范要求限值10mm。

4.2" "監(jiān)測斷面的拱頂沉降分析

為深入探討隧道豎向變形發(fā)展情況，以隧道開挖過程中拱頂沉降為例進行研究。監(jiān)測斷面的拱頂沉降曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，隧道開挖施工引起的不同斷面的拱頂沉降發(fā)展趨勢基本相同，拱頂沉降首先緩慢增大，隨后急劇增大，最后逐漸穩(wěn)定并保持不變。斷面1和斷面5的拱頂沉降遠小于其余斷面，這是因為這2個斷面距斷層破碎帶較遠，受斷層破碎帶的影響較小。斷面2和斷面4的拱頂沉降較大，這是因為這2個斷面處于斷層破碎帶邊緣，受斷層破碎帶的影響較大。斷面3的拱頂沉降最大，這是因為該斷面位于斷層破碎帶內(nèi)部，受斷層破碎帶的影響最大。

進一步觀察拱頂沉降較大的斷面2～4的情況，當(dāng)掌子面開挖至對應(yīng)監(jiān)測斷面前約15m時（相當(dāng)于3倍隧道直徑），拱頂沉降開始發(fā)生發(fā)展。掌子面開挖至對應(yīng)監(jiān)測斷面前約5m時（相當(dāng)于1倍隧道直徑），拱頂沉降迅速增大。基于此，可將隧道開挖的影響大致分為3段：影響顯著段（＜1倍隧道直徑內(nèi)）、影響較顯著區(qū)（1～3倍隧道直徑）、影響不顯著區(qū)（＞3倍隧道直徑）。

4.3" "監(jiān)測斷面的拱腰水平位移分析

監(jiān)測斷面的拱腰水平位移曲線如圖6所示。從圖6可以看出，不同斷面的拱腰水平位移變化趨勢與對應(yīng)的拱底沉降變化趨勢一致，隧道開挖引起拱腰水平位移的影響區(qū)域也與拱頂沉降的影響區(qū)域接近，但不同斷面拱腰水平位移的差異小于拱頂沉降的差異。斷面3的拱腰水平位移比其余4個斷面的大，且斷面3的拱腰水平位移最大值約為4.8mm，小于規(guī)范要求限值10mm。

4.4" "監(jiān)測斷面的拱頂沉降前期變形占比分析

監(jiān)測斷面的拱頂沉降的前期變形占比如圖7所示。從圖7可以看出，斷層破碎帶范圍外的斷面1和斷面5的拱頂沉降前期占比集中在54%～66%，斷層破碎帶邊緣的斷面2和斷面4的拱頂沉降前期占比集中在81%～89%，斷層破碎帶內(nèi)部的斷面3的拱頂沉降前期占比達到99%。由此說明，斷層破碎帶對隧道拱頂前期沉降占比具有明顯的影響，即前期位移釋放率更大。

5" "結(jié)束語

本文以樓山隧道為例，通過有限元軟件建立隧道斷層破碎帶的三維數(shù)值模型，分析了斷層破碎帶對隧道豎向和水平位移的影響，得出的結(jié)論如下：

高密度電阻率探測出隧道沿線存在兩處斷層破碎帶，分別在DK99+325～DK99+400區(qū)段和DK100+625～DK100+700

區(qū)段。隧道開挖的影響大致分為3段：影響顯著段（＜1倍隧道直徑內(nèi)）、影響較顯著區(qū)（1～3倍隧道直徑）、影響不顯著區(qū)（＞3倍隧道直徑）。斷層破碎帶的存在會明顯放大隧道開挖引起的圍巖變形的空間效應(yīng)，在實際開挖過程中，應(yīng)著重關(guān)注該區(qū)域內(nèi)的拱頂、拱腰、拱底的變形。

參考文獻

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