高鐵隧道斷層帶圍巖變形規律有限元分析*

趙青云， 曹廣勇， 翟朝嬌

(安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

0 引 言

我國地質構造復雜，在山區需要修建大量隧道，在修建隧道時應盡量避開斷層，但也會遇到無法避開的情況。斷層帶巖體松散破碎、穩定性差，這種不良地質會對工程帶來風險，斷層破碎帶的巖體比較松散，現場管理措施不到位等原因可能導致隧道塌方、突泥等災害。

楊青瑩等[1]利用有限元方法，模擬改變斷層帶的寬度、傾角和水頭壓力，研究圍巖的變形、受力規律，分析了隧道受富水斷層帶的影響。李文華[2]利用有限元的方法，模擬改變斷層傾角和斷層與隧道相對位置，研究隧道圍巖穩定性影響。汪杰等[3]利用數值模擬結合試驗的手段，對節理傾角不同的巖體的破壞特性進行了研究。朱合華[4]利用有限元的方法，以彈塑性損傷本構模型模擬軟弱圍巖隧道開挖，分析了軟弱圍巖漸進破壞機理。黃生文[5]依托實際工程，運用有限元的方法，模擬斷層區段圍巖應力狀態，總結了大跨度斷層破碎帶隧道圍巖應力分布規律。針對高鐵穿越斷層帶隧道的圍巖變形規律進行數值模擬與分析，對比分析現場監測數據，以期對類似工程提供參考和借鑒。

1 隧道概況

1.1 地質概況

皇后嶺隧道位于山西省長治市境內，起始里程為起始里程為DK241+765終點里程為DK246+305全場4540m，隧道位于沁水盆地南緣，晉獲褶斷帶的西側。隧道地屬長治盆地南緣，屬底中山區。研究區段為斷層破碎帶段，隧道埋深范圍約166.7m-210.3m，圍巖等級為V級，斷層傾角為70°。隧道地質剖面如圖1所示。

圖1 隧道地質剖面圖

1.2 開挖及支護概況

斷層破碎段隧道采用三臺階臨時仰拱法開挖隧道，依次開挖上、中、下臺階，每天進尺1.2m。斷層破碎段隧道圍巖為V級，隧道拱架采用I22型鋼，錨桿按梅花布置，環距1.2m×1.0m，錨桿布置示意圖如圖2-3所示。

圖2 錨桿橫斷面示意圖

圖3 錨桿布置縱斷面圖

2 現場監控測量分析

2.1 洞內監控測量

該段不良地質段為下穿采空區及穿越煤層段，施工過程中根據隧道圍巖發育情況確定監控量測頻率，為隧道施工提供可靠的信息、數據。

洞內采用正方形反光貼作為觀測標志，反光標志貼在定制的鋼板上，另外在采用膠帶綁住，鋼板和鋼筋采用焊接連接，這樣構成觀測樁。初噴混凝土后，用手鉆打孔，鉆孔不小于0.1m，打入檢測樁，為了讓檢測樁更加穩定，需等待混凝土噴完后覆蓋粉粒并清理干凈，然后采集初始數據。如果測點損壞，需要及時補上，監控測量采用全站儀進項量測。

監控測量點布置：拱頂設置一個沉降觀測點，兩邊拱腰位置各設置一個監測點，兩邊拱腰各設置一個監測點，沿著隧道軸線方向每5m布設一個監測面測量頻率為1次/d，周期為60d。襯砌完成后，依照原來的每5m在襯砌上布設監測點繼續監測。測點布置如圖4所示。

2.2 監測結果分析

分析可知：

(1)拱頂沉降相對于拱肩位置和拱腰位置的收斂要大很多，拱頂屬于重點監測部位。由圖5可以看出斷層對圍巖擾動影響比較大。越靠近斷層，拱頂沉降、拱腰和拱肩的收斂越大。

圖4 測點布置圖

圖5 圍巖沉降收斂累計變化圖

(2)在DK243+50到DK243+100這段的沉降和收斂變化比較平緩，從DK243+100到DK243+150，沉降和收斂值由緩慢到快速增大，拱頂最大沉降為12.4mm，拱肩最大收斂為4.9mm，拱腰最大收斂為3.5mm。DK243+100到DK243+205這段，沉降和收斂值由快速下降到緩慢下降。且最大沉降和收斂均發生在斷層偏向的一側。各監測斷面的沉降和收斂值均遠小于預留量。

3 數值模擬

3.1 FLACD 3D計算基本原理

FLAC 3D利用有限差分法，此方法利用差分公式求解偏微分方程。FLAC 3D在基坑、隧道、邊坡等應用廣泛，相較于其他軟件在大變形方面比較突出。軟件里面自帶很多本構模型，也有很多結構單元，可以更好的建立數值模型。FLAC 3D中一般求解步驟：先建立網格，選取本構并輸入模型中的各種材料參數，確定好邊界條件和初始條件，得到施工前的初始平衡狀態，然后再開始挖控或者改變一些條件分析工程的響應。

3.2 模型建立

基本假定：不同巖體的巖體性質各向同性、均質、各向同性；對于構造應力予以忽略，也不考慮地下水的影響；模擬隧道時，斷層巖體采用弱化的方法實現，隧道中的結構構件采用軟件中的結構構件單元實現。

根據圣維南原理，隧道開挖的影響范圍一般為洞徑的3～5倍。隧道最大寬度為14.4m，最大高度為12.2m。隧道斷面形式為五心圓，模型尺寸為Y×X×Z=140m×140m×120m。由于破碎段隧道埋深較大，計算模型取的深度較深，模擬的隧道模型整體高度取120m，通過附加應力實現未建立的巖體的荷載,模型如圖6、7所示。

圖6 計算模型

圖7 襯砌及支護構件

3.3 材料參數

數值計算采用摩爾—庫倫本構模型，材料的體積模量K和剪切模量G用下列公式計算得出：

(1)

(2)

其中，E代表巖體的彈性模量，μ代表泊松比。

3.4 開挖過程

定好邊界條件，讓模型在只有重力的條件下進行初始應力計算，達到平衡后，把位移、加速度和塑性變形清除。然后利用FLAC 3D中的空殼模型模擬隧道的開挖并打上支護構件。模型兩次平衡的位移云圖及監測點位移圖如圖8-10所示。

圖8 自重應力平衡位移云圖

圖9 開挖后應力平衡位移云圖

圖10 監測點位移圖

(1)在DK243+85到DK243+105段，斷層破碎帶在拱頂上方，斷層破碎帶與隧道的豎向垂距較大，在距離斷層比較遠時，斷層破碎帶對拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂沒有影響。在DK243+105到DK243+135段，隨著隧道拱頂到斷層破碎帶的豎向垂距變小，破碎帶對拱頂沉降和拱腰、拱肩收斂影響變大。DK243+135到DK243+175段，斷層破碎帶已經接觸隧道或與隧道豎向垂距非常小，拱頂沉降和拱肩收斂值發生了突變，由左向右先迅速增長，達到峰值后迅速減小。DK243+175到dk243+205段，隨著隧道和斷層破碎帶豎向垂距的逐漸變大，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂值逐漸變小，過了DK243+205后隧道的沉降收斂幾乎不受斷層破碎帶的影響，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂趨于一個穩定值不再變化。沉降和收斂的最大值發生處在斷層偏向的一側。

(2) 拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的突變范圍比斷層和拱頂的接觸范圍要大。隧道和斷層破碎帶的接觸范圍為33.4m，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的突變范圍為40m。

(3)拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂最大值均發生在DK243+150處，分別為13.4mm，5.8mm，2.42mm，與現場監測結果差別不大，說明利用軟件模擬的結果可供隧道施工參考。

表1 材料參數

4 結 論

(1)模擬結果顯示，隧道下穿斷層帶時，拱頂沉降和拱肩、拱腰收斂的變化趨勢均為先增大后減小。沉降和收斂的最大值發生處在斷層偏向的一側。

(2)采用FLAC 3D模擬斷層隧道，隧道的沉降收斂突變范圍比斷層帶與隧道接觸范圍大。在支護措施下各監測斷面的沉降和收斂值均遠小于預留量。

(3)現場監測對比模擬結果，說明模擬結果可供類似工程參考。