穿越破碎帶鐵路隧道掌子面穩定性分析

張超翔 張志強

【摘要】鐵路隧道穿越富水破碎帶時，開挖掌子面極易發生失穩，影響開挖的安全進行，帶來巨大經濟損失。針對這種問題，文章以浦梅鐵路某隧道為依托，建立了三維有限元流固耦合模型，分析了隨著開挖進行圍巖滲流場的變化規律，對掌子面失穩進行了研究，得到了開挖滲流場和掌子面向隧道內位移之間的聯系規律，為以后施工及時應對掌子面失穩提供了參考。

【關鍵詞】隧道; 破碎帶; 掌子面; 流固耦合; 穩定性評價

【中國分類號】U455.49【文獻標志碼】A

富水破碎帶是一種不良地質狀況，當鐵路隧道穿越破碎帶時，地下水的滲流作用對掌子面的平衡造成擾動，引發掌子面產生失穩破壞、塌陷，甚至是突水突泥。這些現象的發生將會造成事故。因此，關于評價穿越富水破碎帶隧道開挖掌子面穩定性的問題亟待解決。

對于掌子面穩定性的問題，王德明[1]結合模型試驗、數值模擬等各種方法對隧道突水突泥災變演化過程開展了研究，孟凡樹[2]通過理論分析、模型試驗、數值模擬等手段綜合探討了隔水巖盤最小安全厚度的問題，何磊等[3]通過有限差分軟件研究了排水導管在穿越富水斷層破碎帶隧道中發揮的作用，尚明源[4]針對富水區隧道穿越斷層破碎帶進行了掌子面的穩定性控制研究，張騫等[5]對于穿越破碎帶松散巖土體隧道提出了掌子面穩定巖體的最小安全厚度計算方法。

在前人研究的基礎上，本文以浦梅鐵路某隧道為工程依托，建立了三維有限差分數值模型，通過流固耦合分析，對穿越破碎帶鐵路隧道開挖掌子面穩定性進行了分析評價。

1 數值模擬

1.1 模型建立及參數選取

本文使用FLAC3D的流固耦合部分進行分析，參照浦梅鐵路實際設計隧道斷面，按照單線單洞鐵路隧道進行建模，并設置初期支護以及二次襯砌。將圍巖假設為一種“三明治分布”，即圍巖地表水平，兩層正常圍巖之間夾雜一層破碎帶，各個巖層豎直相間分布。建立的模型如圖1所示。

數值模型的邊界條件由兩個部分組成，分別是位移邊界部分和滲流邊界部分：

（1）位移邊界：將模型的四個側面和一個底面設置為位移邊界，約束垂直模型表面方向的位移;模型頂面為自由邊界。

（2）滲流邊界：將模型的四個側面和一個底面設置為不透水邊界，將地下水條件設置為60 m恒定水頭。

選擇Mohr-Coulomb彈塑性模型作為計算模型巖土體的本構，選用Elastic彈性模型模擬初期支護和二次襯砌。

結合浦梅鐵路實際工程地質勘測報告，參照TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》以及GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》的建議設計取值，模型采用的各部分圍巖和支護的力學參數及滲透系數見表1、表2。

1.2 掌子面防突體

如圖2所示的隧道開挖掌子面與破碎帶之間的巖土體定義為防突體，將防突體的厚度定義為掌子面失穩破壞的臨界厚度，用以評價掌子面穩定性情況。

對于此種地質條件下的掌子面穩定性評價，掌子面向隧道內位移的陡然變大可作為掌子面是否穩定的判據[4]。如圖3所示。

2 結果分析

2.1 掌子面滲流場

由于隧道的開挖，原來的圍巖不能維持水土平衡，需要達到一種新的平衡，而孔隙水壓力對掌子面的穩定具有十分重要的影響，有必要對孔隙水壓力的演變進行研究。

根據上文建立的數值計算模型，分別計算隧道不同開挖深度下圍巖的滲流場，即計算不同防突體厚度下圍巖的孔隙水壓力場。得到的結果如圖4所示。

分析圍巖孔隙水壓力云圖，可以得到以下幾條結論：

（1）圖4（a）～圖4（c）較為接近，由于隧道的開挖，掌子面表面水頭降為0，掌子面上方土體孔隙水壓力減小，掌子面前方孔隙水壓力等值線上凸，水壓力增大，產生超孔隙水壓力。

（2）圖4（d）、圖4（e），即防突體厚度在2～6 m之間時，掌子面前方孔隙水壓力減小，接近未開挖情況下孔隙水壓力分布。

（3）圖4（f）中，即隧道開挖至破碎帶，無防突體存在，此時地下水涌入隧道，掌子面前方孔隙水壓力大面積急劇減小，可以認為掌子面發生突水，掌子面受力平衡破壞。

2.2 掌子面位移

根據上文所建模型進行掌子面向隧道內位移分析，得到如圖5所示的防突體厚度與掌子面位移之間的關系圖。

本模型掌子面向隧道內位移變化由平緩到陡峭臨界點在4 m左右，即臨界防突體厚度為4 m。

根據上一節所示的掌子面滲流場變化規律，可以發現，防突體厚度4 m階段介于2～6 m之間，處于掌子面前方孔隙水壓力減小階段，本階段掌子面超孔隙水壓力消失，壓力大小接近圍巖未開挖狀態。

3 結論

本文建立了三維有限元流固耦合模型，分析了鐵路隧道穿越破碎帶掌子面穩定性，得到了以下結論：

（1）隧道穿越破碎帶隨著開挖的進行，掌子面越接近破碎帶，掌子面向隧道內位移越大，位移隨開挖的進行將會在某個距離開始急劇增大。

（2）圍巖滲流場隨著防突體的逐漸減小，主要有三階段的變化，第一階段掌子面前方孔隙水壓力增大，第二階段孔隙水壓力回到未開挖水平，第三階段孔隙水壓力大范圍減小，突水發生。

（3）實際工程中，應及時檢測掌子面前方土體孔隙水壓力，當水壓力減小到未開挖水平時，掌子面接近失穩，應當盡快采取措施加固掌子面。

參考文獻

[1] 王德明. 泥質斷層破碎帶隧道突水突泥災變機理研究及應用[D].濟南：山東大學，2017.

[2] 孟凡樹. 深埋隧道斷層破碎帶突水力學判據研究[D].中國礦業大學，2019.

[3] 何磊，張志強.富水高壓隧道通過斷層破碎帶高位排水技術研究[J].四川建筑，2019，39（3）：156-157+161.

[4] 尚明源. 富水區隧道掌子面穩定性分析及防排水結構體系研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[5] 張騫，白松松，高昱，等.穿越破碎帶隧道掌子面力學模型及最小安全厚度研究[J].中國公路學報，2018，31（10）：141-149+219.