跨断层施工中超大断面隧道的稳定性

赵 旭， 刘洪秀， 陶连金

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124;2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室， 广州 510230)

跨断层施工中超大断面隧道的稳定性

赵 旭1,2， 刘洪秀1， 陶连金1

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室， 北京 100124;2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室， 广州 510230)

为提高超大断面隧道施工通过断层破碎带时的稳定性，以实际工程为依托，基于有限差分软件FLAC3D，建立三车道超大断面隧道施工通过断层破碎带的数值计算模型。提取有断层和无断层模型中的相关数据，分别计算得出拱顶沉降指标R1和周边收敛指标R2指标的数值，确定断层破碎带的影响区，分析了断层倾角和厚度的变化对隧道稳定性的影响。结果表明：当断层倾角从75°变化到30°时，影响范围沿隧道轴向的长度增加了3.7倍；当断层厚度从6 m增加到12 m时，影响范围沿隧道轴向的长度增加了2倍。上述量化的影响范围对穿越断层的超大断面隧道的精准设计和施工具有参考价值。

断层破碎带； 影响区； 超大断面隧道； 施工； 位移指标

0 引 言

山岭隧道作为线性地下结构物，在无法避绕的情况下，往往要穿越断层破碎带等不良地质。断层破碎带强度低、易变形、透水性大，可能导致塌方、透水等事故，从而对隧道结构的施工及长期稳定性造成不利影响。慈母山1号隧道B标段右线施工经过断层破碎带时，掌子面拱顶右上部出现大规模塌方，围岩持续垮塌[1]；广福隧道右线受断层破碎带等地质因素的影响，在未有任何预兆的情况下发生隧道结构垮塌[2]。鉴于上述情况，袁云海[3]总结了多座穿越断层破碎带的隧道出现的初期支护变形、开裂、塌方等情况；何振宁[4]总结了30多座隧道的施工资料，把断层破碎带突水涌砂和大变形问题归纳为15类工程问题之一。可见，变形和塌方是跨断层隧道的关键工程问题之一。目前，大断面隧道和超大断面隧道层出不穷。根据国际隧道协会断面划分标准，当隧道净空断面面积>100 m2时，则将其定义为超大断面隧道。超大断面隧道跨度大，施工扰动大，围岩稳定性差，极易引起大变形，进而造成塌方。由于这类隧道洞形扁坦，隧道拱顶及周边变形较大，很多学者对其变形进行了分析和研究。吴恒滨[5]通过数值模拟的方法分析朝阳寺超大断面隧道开挖完成后的位移最大值。陈真才[6]及王明明[7]为优化超大断面隧道施工工法建立数值模型，研究中提取隧道开挖过程中各个方向的位移云图，并比较研究断面位移最大值。石钰锋等[8]建立数值模型，通过分析隧道拱顶沉降，研究超大断面隧道临近贯通时围岩的变形规律。上述分析可知，隧道跨断层会产生较大变形，超大断面隧道由于具有扁平率低的特性，在施工的过程中也会产生较大变形，所以当超大断面隧道穿越断层破碎带时更需关注变形问题。

在研究穿越断层的超大断面隧道时，前人多采用直接拱顶沉降和水平收敛来表现其变形特性，例如，杨金虎[9]通过分析超大断面隧道穿越断层破碎带时监测断面的拱顶沉降和水平收敛，说明该工程施工中所用的支护参数是合理的。舒磊等[10]通过分析超大断面隧道穿越断层时隧道的拱顶沉降和边墙水平收敛情况，确定出隧道位移突变影响范围为断层前后10 m左右地层。李丰果[11]在大瑶山隧道超大断面的工程中，采用三台阶法施工，通过提取隧道拱顶沉降及水平收敛的监测数据，证明施工方法的优越性。隧道结构变形是隧道失稳的充分条件，拱顶变形和周边收敛是跨断层超大断面隧道研究的主要对象。上述研究的拱顶变形均是指隧道拱顶一点的竖向位移，水平收敛均是指左右拱腰的水平位移变化，而超大断面隧道因为扁平，拱顶范围及水平尺寸较普通隧道宽，如果能够将超大断面隧道拱顶一定范围内的位移及隧道周边收敛，分别用综合位移指标来表示，则比仅考虑绝对拱顶位移和绝对水平收敛更为全面。

笔者针对超大断面隧道变形问题提出新的大断面位移指标，即拱顶位移指标R1和周边收敛指标R2。将这两个指标运用到超大断面隧道穿越断层破碎带的工程中，分析断层对超大断面隧道围岩稳定性的影响区域，并通过这两个指标分析断层倾角和厚度的改变对断层影响区范围大小的影响。期望该范围的确定，能够指导隧道跨断层的设计和施工，以便在断层影响区的范围内设定有针对性的工程措施。

1 位移指标

目前在隧道施工过程中，位移监控的主要对象有地表下沉量、围岩内位移、拱顶下沉和周边收敛。地表下沉和围岩内位移的变化均是因隧道施工产生了岩体内部变形所致，它们在隧道浅埋时能够反映隧道围岩稳定状态的变化，而在隧道深埋时，对隧道围岩稳定状态的敏感性降低或滞后。无论隧道是浅埋还是深埋，拱顶下沉和周边收敛都能够直接反映隧道周边围岩稳定状态变化趋势和隧道安全状态，它们是评价隧道围岩稳定状态的主要指标。因此，超大断面隧道在位移评判指标中主要以拱顶下沉、周边收敛作为研究对象。

在三车道超大断面扁平隧道中，为了能较全面反映拱顶下沉，在拱顶中央位置和纵轴线左、右两侧1.5 m处布置测点，共提取3个观测点的沉降值，观测点布置形式见图1。同样，由于超大断面隧道往往扁平，拱顶沉降不能全面地反映隧道结构变形，故需同时对隧道周边位移进行监测，隧道周边位移监测采用3测线法，测线布置如图1所示。

定义超大断面隧道拱顶沉降指标R1：

(1)

式中：s1、s2、s3——分别为拱顶监测点下沉值，m；

s——拱顶平均下沉值，m；

L——隧道跨度，m。

从式(1)可以看出，由于s1、s2、s3均为竖向沉降值，所以指标R1更主要反映竖向上的影响，而没有反映出水平方向上的变化。考虑到隧道周边收敛可以反映水平方向及其他方向上的施工影响，将周边收敛作为评价超大断面隧道结构稳定性的指标十分必要。

图1 监测布置示意

在超大断面隧道施工中，周边收敛监测一般布置3条测线(见图1)，3条测线上的位移反映了不同方向收敛状态和施工影响。与拱顶下沉一样，定义超大断面隧道拱顶沉降指标R2：

(2)

式中：ΔSAC、ΔSAB、ΔSBC——分别为测线AC、AB、BC的位移收敛值，m；

LAC、LAB、LBC——分别为测线AC、AB、BC的长度，m。

式(2)中ΔSBC/LBC表示周边位移的相对收敛量，

表示周边位移的不均匀收敛程度，用两者的乘积R2来表示周边收敛对超大断面隧道整体稳定性的影响。

R1表现的是隧道拱顶变形集中区域，R2综合考虑隧道洞周变形情况，由于对式(1)、(2)的评价指标R1、R2进行量纲1化处理，故对于其他截面形式类似的超大断面隧道围岩稳定性的评价同样具有普适性。

2 工程背景

2.1 工程概况

依托工程为贵阳市某隧道，设计速度为100km/h，双向六车道分离式隧道，长760m，建筑限界净宽17.6m，净高为5m，单洞最大开挖跨度为19.6m，属于超大断面公路隧道，隧道支护形式采用复合式衬砌结构，支护参数如表1所列。

隧址区地层分布为更新统坡积成因(QPdl)黏土、碎石，分布不均匀，隧道围岩以III、IV级围岩为主，其中隧道洞身在左桩号ZK119+845和右桩号YK119+840处穿越了同一条断层，地勘揭示该断层的倾角为24°，厚度为10m。该断层由碎裂岩组成，母岩成分主要为白云质灰岩，泥质胶结，胶结较疏松，岩芯呈碎屑状、块状、短柱状，局部见糜棱化，岩质软，岩体极破碎，可能产生突水、突泥。图2为隧道横断面尺寸，图3为隧道纵断面及与断层的位置关系。

表1 计算参数

图2 隧道横断面尺寸

图3 隧道纵断面

2.2 基本数值模型的建立

采用FLAC3D软件建立隧道数值计算模型，全断面开挖，毛洞，断层倾向夹角24°，断层厚度为10 m。根据数值计算对边界的要求，取模型长180 m，宽和高各为180和93 m。按照实际工程上覆岩层厚度80 m，考虑到模型计算效率，隧道埋深取40 m，模型上部施加与40 m厚的岩土等效的均布荷载，模型整体如图4。模型纵断面如图5。模型前后左右边界约束其水平方向位移，下边界约束其竖向位移，上边界为均布荷载。将岩体看作各向同性的弹塑性体，采用摩尔库伦模型。地应力平衡完成后，按3 m进尺进行全断面开挖。岩体力学参数见表1。

图4 数值模型

图5 隧道数值模型纵断面

3 断层影响范围

为证明上述指标在超大断面隧道穿越断层工程中的有效性，将图4的模型分为有断层和无断层两种情况进行计算。模拟无断层的情况即将模型中断层部分与断层前后其他部分均取为IV级围岩参数。

沿隧道纵向布设31个监测断面，每隔6 m布一个监测断面，监测断面的纵向坐标y分别为-84、-78、-72…90、96 m，按图1所示分别布设监测点，提取数值模型中相应监测点的位移值，将有、无断层的模型在隧道贯通后提取出的各监测断面的R1及R2值分别进行对比，两种模型下各监测断面的指标曲线对比如图6所示。

a R1

b R2

由图6可见，断层对隧道拱顶沉降及周边收敛指标影响均较大。将图6a曲线2中的A点及B点之间的区域确定为断层的影响区，位于该区域中的R1值有明显地增大，最大值相比曲线1，即无断层的情况，增大9.6倍。同样，分析周边收敛指标。将图6b中曲线2中的C点及D点之间的区域确定为断层的影响区，在该区域内，R2的最大值相比曲线1，增大21.1倍。断层对隧道两个指标的影响趋势大体为：监测断面在未进入影响区前，曲线趋于平稳；进入影响区后，监测截面到断层中心位置越近，曲线的值越大，R1的最大值出现在-12 m处，R2的最大值出现在-6 m处；出断层影响区后，曲线又趋于平稳。R1的最大值出现的位置要先于R2，这是由于隧道拱顶先进入断层破碎带。所以，可将穿断层超大断面隧道施工范围划分为：无影响区-断层影响区-无影响区。

由R1曲线得出的沿隧道纵向的断层影响区为-60 m到12 m，由R2曲线得出的沿隧道纵向的断层影响区为-66 m到48 m。由于R2充分考虑了隧道各个方向的位移变化，R1考虑的是隧道拱顶竖向位移，所以R1曲线表现的影响区域小于R2曲线的影响区。而隧道拱顶是隧道施工过程中变形破坏严重的部位，所以对危险区域的拱顶监测必不可少。综合考虑，将R1和R2这两个指标确定出的影响区域重叠的部分定为重点监测区域，沿隧道纵向的断层重点监测区为-60 m到12 m，其他部分的影响区也需要注意监测。在影响区之内，尤其是重点监测区范围内，隧道设计施工应选取合适的辅助措施以安全地通过危险区；而在影响区范围之外，可不考虑断层对隧道的影响。区分断层影响区域可以为超大断面隧道通过断层带提供指导，该指标为设计及施工提供了一个量化的范围参考值。

4 影响断层范围的因素

4.1 倾角

通过位移指标R1、R2分析断层倾角的变化对隧道结构稳定性的影响。断层计算分别为无断层、倾角α30°、45°、60°及75°。岩体力学参数见表1。计算工况如表2所示。监测断面及监测点的布设同第3节，将不同断层倾角的模型在隧道贯通后提取出的各监测截面的R1和R2值分别进行对比，5种工况下各监测截面的指标曲线对比如图7所示。

表2 断层破碎带倾角变化的模拟工况

Table 2 Numerical models with different fault zone inclinations

工况α/(°)d/m123010345104601057510

注：工况1的模型为图4模型中无断层的情况。

所有工况均采用全断面开挖。

将工况1与其他工况相比较，很明显，断层倾角对隧道位移的影响大，具有较强的规律性。

由图7a可见，在倾角为30°及45°时，断层对隧道的拱顶沉降指标的影响较大；在倾角为60°及75°时，断层对隧道的拱顶沉降指标的影响较小，这两个角度的R1的曲线较无断层的R1变化不大；根据R1指标最大值比较，倾角对断层的影响由大到小排列：R1max(30°)>R1max(45°)>R1max(60°)≈R1max(75°)≈R1max(无断层)，在距离断层中心6 m的位置(-6 m处)，工况2和工况3的R1均为最大值。由图7b可见，随着倾角的变大，断层对隧道周边收敛的影响越来越小，根据R2指标最大值比较，倾角对断层的影响由大到小排列：R2max(30°)>R2max(45°)>R2max(60°)>R2max(75°)>R2max(无断层)，在距离断层中心6 m的位置(-6 m处)，工况2、工况3、工况4、工况5的R2均为最大值。

由图7确定出不同断层倾角下断层的影响区域，如表3所示。当断层倾角从75°变化到30°时，影响范围沿隧道轴向的长度增加了3.7倍。

a R1

b R2

Fig. 7 Variation curves ofR1andR2under different fault zone inclinations

表3 不同断层倾角下断层的影响区域

注：工况1的模型为图4模型中无断层的情况。

这与围岩自承能力有关，如图8，断层倾角α<β，受断层破碎带的影响，在相同的横断面上，当断层倾角越小时，隧道拱顶到断层破碎带的距离越小，上覆稳定岩体的厚度就越小，当隧道结构上方岩体的厚度小于一定值时，便会影响隧道上部压力拱的形成，甚至会造成压力拱无法形成，围岩自承能力降低，隧道结构就会产生较大变形。

综合上述分析可以看出，当断层破碎带穿越大断面隧道时，断层倾角越小，断层的影响范围越大，断层对隧道结构稳定性的影响程度也越大。

图8 断层与隧道相对位置示意

4.2 厚度

通过位移指标R1和R2分析断层厚度的变化对隧道结构稳定性的影响。断层厚度分别为6、8、10及12 m。岩体力学参数见表1。计算工况如表4所示。监测断面及监测点的布设相同，将不同断层厚度的模型在隧道贯通后提取出的各监测截面的R1和R2值分别进行对比，5种工况下各监测截面的指标曲线对比如图9所示。

表4 断层破碎带厚度变化的模拟工况

Table 4 Numerical models with different fault zone thickness

工况α/(°)d/m1224632484241052412

注：工况1的模型为图4模型中无断层的情况。所有

工况均采用全断面开挖。

由图9可见，断层厚度越大，沿隧道纵向，断层两侧围岩对断层的夹持作用减弱，断层对隧道拱顶沉降和周边收敛的影响增大。根据R1指标最大值比较，断层厚度对隧道拱顶沉降的影响由大到小排列：R1max(12 m)>R1max(10 m)>R1max(8 m)>R1max(6 m)>R1max(无断层)。断层厚度对隧道周边收敛的影响由大到小排列：R2max(12 m)>R2max(10 m)>R2max(8 m)>R2max(6 m)>R2max(无断层)。

由图9确定出不同断层厚度下断层的影响区域，如表5所示。断层厚度从6 m增加到12 m时，影响范围沿隧道轴向的长度增加了2倍。

a R1

b R2

Fig. 9 Variation curves ofR1andR2under different fault zone thickness

表5 不同断层厚度下断层的影响区域

注：工况1的模型为图4模型中无断层的情况。

上述分析可以看出，当断层破碎带穿越大断面隧道时，断层厚度越大，断层的影响范围越大，断层对隧道结构的影响程度也越大。当隧道穿越厚度较大的断层时，可以通过上述指标确定出断层的影响范围，在实际施工时对影响区进行实时监测，并实施有效的安全措施，以保证隧道安全地通过断层破碎带。

5 结 论

在对超大断面隧道进行变形分析的基础上，提出隧道拱顶沉降指标R1及周边收敛指标R2，并利用这两个指标对隧道施工穿越断层破碎带的稳定性影响区域进行了分析，获得如下结论：

(1)提出的指标能够反映断层对超大断面隧道稳定程度的影响，根据该指标可明确地界定出断层对隧道的影响区域。其中，指标R1集中反映了隧道拱顶沉降的变化，指标R2则全面考虑了隧道周边位移变化。两个指标配合使用可以将断层对隧道的影响划分成三个区域：无影响区-影响区-无影响区。进一步，两个指标的重叠部分代表了隧道最为危险的区域，将其定义为隧道监测的重点区域。

(2)当断层倾角变化时，倾角越小，断层的影响范围和程度越大。但当倾角大于60°时，断层对隧道上方压力拱形成的影响明显减小，影响区域明显变小。

(3)分析断层厚度在6～12 m范围内，断层厚度越大，断层对隧道位移的影响范围和程度越大。

断层影响区域和隧道重点监测区域确定后，可以在工程中对隧道穿越断层破碎带的设计和施工进行更为精准地分析。R1和R2作为量纲1指标，具有简单实用的优点。它是具有普适性的隧道稳定性评价指标，能够为类似工程提供参考。

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(编辑 晁晓筠 校对 王 冬)

Stability study on super large section tunnels crossing fault zone

ZhaoXu1,2,LiuHongxiu1,TaoLianjin1

(1.Key Laboratory of Urban Security & Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology,Beijing 100124, China; 2.Key Laboratory of Environmental Profection & Safty of Communication Foundation Engineering China Communications Construction Company, Guangzhou 510230, China)

The construction of super large section tunnels in fault fracture zones creates a stability problem of particular concern. This paper defines tunnel displacement indexes of super large section tunnel asR1, vault settlement andR2, surrounding convergence. The research building on practical engineering background and the finite difference software FLAC3Dinvolves developing numerical calculation models designed for a three-lane super large section tunnel; extracting corresponding data from the models with and without a fault zone and calculating and comparing the values ofR1andR2, and thereby determining the influence zone of the tunnel; and ultimately analyzing the influence of the inclination and thickness variation of the fault on the stability of the tunnel using the above analysis method and two indexes:R1andR2. The results show that a change from 75° to 30° in the inclination of the faults means a 3.7-time sincrease in the influence length along the axial direction of the tunnel; and an increase from 6 m to 12 m in the fault thickness gives a twofold increase in the influence length along the axial direction of the tunnel. The above-mentioned quantitative influence range may serve as a reference for the precise design and construction of super large cross section tunnels subjected to similar fault fracture zones.

fault zone; influence range; super large section tunnel; construction; displacement index

2017-03-03

国家自然科学基金项目(41272337；41672289)；中交交通基础工程环保与安全重点实验室开放课题(S2013Z26)

赵 旭(1976-)，女，北京人，讲师，博士，研究方向：隧道施工力学，E-mail：bjutzx@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.013

U455

2095-7262(2017)05-0508-07

A