特大跨度隧道穿越断层破碎带时的施工模拟及受力特点

李晓斌

(陕西铁路工程职业技术学院，714099，渭南//讲师)

地质条件复杂多变，修筑隧道常不可避免地需穿越断层破碎带，极易出现围岩大变形、塌落及结构失稳等灾害。由于断层的性质、宽度、填充物、含水性、活动性，以及断层与隧道的空间位置关系各不相同，故应对处理措施相对被动，常在围岩或结构出现异常后才采取措施。

目前,国内外对隧道穿越断层破碎带时的结构稳定性已有一定的研究。文献[1]分析了高地应力下断层破碎带的衬砌力学特征，提出了衬砌的破坏形式和潜在破坏面。文献[2]对比了普通段和断层破碎带段隧道的错动破坏，提出宽断层破碎带错动不但引起二衬砌垮塌，而且引起隧道垮塌。文献[3]研究了断层破碎带中隧道初支大变形的原因，并提出了相应的措施。文献[4]模拟了包西铁路洞子崖隧道浅埋断层破碎带的工法，提出双侧壁导坑法最优的结论。文献[5]提出位于断层破碎带处隧道的内力值都远大于距离断层破碎带较远处相应位置的内力值，且当隧道衬砌远离断层一定距离后，其纵向截面的内力值收敛于一个稳定值。文献[6-7]提出断层破碎带处围岩塑性区均比非断层破碎带处大，且初期支护、二次衬砌内力的相比增加10%～30%的观点，并提出工程处理技术。

可见，已有研究集中于已修建隧道的静力分析或是地震力分析，对断层破碎带内的分部开挖及断层影响范围的研究相对缺乏，对特大跨度隧道穿越断层破碎带的研究也相对较少。本文结合某采用台阶法开挖的穿越断层破碎带的特大跨度隧道工程，对施工过程中的沉降情况、二次衬砌的受力情况及断层破碎带的影响范围进行研究，为今后类似工程提供一定参考。

1 工程概况

某新建地下车站跨度为32.3 m，高19.4 m，埋深63～107 m，围岩等级为Ⅴ级，初期支护采用C25喷射混凝土，二次衬砌为C35钢筋混凝土。地下车站局部洞身处于断层破碎带，其围岩稳定性差。断层产状为236°∠80°，宽度约为16 m。隧道施工采用台阶法，其开挖分部见图1。

a) 平面b) 横断面

图1 台阶法开挖分部示意图

2 建立仿真计算模型

采用ANSYS有限元分析软件对隧道及断层破碎带进行模拟。地层结构仿真计算模型，沿纵向取220 m，横向取洞径的4倍以消除边界效应。由于隧道在断层破碎带附近的最大埋深为85 m，故模型埋深取85 m。断层宽度取16 m，产状为236°∠80°。隧道以斜交形式通过断层破碎带。仿真模型的计算参数见表1。

表1 仿真模型的力学参数表

仿真模型以软弱带加接触面的形式来模拟断层地段。断层内围岩的力学参数以软弱带的形式体现，并在断层与正常围岩的交界处加入面-面接触单元Target170和Contact174，以模拟断层上下盘间的相互作用。初期支护和二次衬砌间也添加相应接触面，其接触单元类型同上，可模拟初期支护和二次衬砌间的相互作用及滑移。

台阶法开挖则通过有限元的生死单元功能进行模拟。依据相应的台阶法施工顺序，在模型中对相应的围岩以杀死单元的操作来模拟开挖，并利用激活单元来模拟初期支护的施作。仿真计算模型见图2。

a) 地层结构b) 台阶法开挖过程模型

图2 仿真计算模型

3 仿真计算结果分析

3.1 拱顶沉降

根据开挖进尺达到和未达破碎带时的数据，台阶法开挖过程中各开挖分部的拱顶沉降统计结果见表2。

表2 各开挖分部的拱顶沉降

由表2可见：当开挖进尺未达到断层破碎带内时，拱顶最大沉降为42.33 mm，且沉降值在第4个开挖分部之后就逐渐稳定；当开挖进尺达到断层破碎带时，拱顶最大沉降达90.39 mm，是前者的2.14倍，且沉降值在第6个开挖分部后才开始趋于稳定。可见，断层破碎带不仅使隧道开挖时的拱顶沉降值增加，也对沉降的收敛速度有着较大影响。

3.2 接触压力及结构内力

修筑二次衬砌后，二次衬砌与初期支护间的接触压力如图3所示。

a) 线路左侧视角b) 线路右侧视角

单位： MPa

图3 二次衬砌接触压力分布图

由图3可知，在断层破碎带及靠近断层处，二次衬砌结构出现了明显的侧压力增大情况。断层破碎带附近的初期支护和二次衬砌间的最大接触压力为1.76 MPa，距离断层破碎带较远位置的最大接触压力为1.36 MPa，前者为后者的1.30倍。因此在断层破碎带附近可适当对衬砌边墙位置进行优化设计，以降低衬砌发生失稳的风险[8-9]。

提取断层破碎带附近的二次衬砌第一主应力分布，如图4所示。

图4 断层区域内二次衬砌第一主应力分布

由图4可知，断层破碎带区域内的结构最大第一主应力为2.32 MPa，接近混凝土的抗拉强度，结构有出现破坏的可能性。结构受拉区主要分布在边墙外侧。因此建议在断层破碎带附近对衬砌结构的边墙部位加强支护，并增加监控量测频率，以保障工程顺利进行[10]。

3.3 断层破碎带的影响范围

由上述分析可知，当隧道与断层破碎带呈斜交关系时，二次衬砌结构的边墙位置受断层影响最大。因此，提取整个模型纵向220 m范围内边墙外侧第一主应力最大值，并以此来分析断层破碎带对二次衬砌结构的影响范围。测点的第一主应力与里程的关系如图5所示。

图5 衬砌边墙测点第一主应力与里程的关系

由图5可知，在纵向坐标为100～155 m范围内，测点的第一主应力值有明显的增加，且在断层中心位置左右达到最大值(1.91 MPa)；比无断层影响时相同位置的应力增大了17%左右。因此，可认为宽16 m的断层影响范围可达55 m左右。由此建议，隧道掘进过程中，在进入断层影响范围内时，应采取一定措施来加强支护，提高监测频率，并及时处理异常情况[11]。

4 结论

本文结合某特大跨度隧道穿越断层破碎带的实际工程，建立了仿真计算模型，统计了断层破碎带内台阶法施工的拱顶沉降情况，分析了在断层破碎带内修筑二次衬砌后的结构受力情况，并提出了断层破碎带对二衬结构的影响范围。最后得到如下结论：

(1)断层破碎带对台阶法开挖时的拱顶沉降值有着较大影响。在断层内开挖时的拱顶沉降为无断层影响时的2.14倍。

(2)断层破碎带的存在明显延后了拱顶沉降的收敛时机。在本文工况中，有断层影响下的拱顶沉降在第6个开挖分部后才开始趋于稳定，无断层影响下的拱顶沉降则在第4个开挖分部后就趋于稳定。

(3)在断层破碎带及靠近断层处，二次衬砌结构受到的侧压力明显增大，为无断层情况下的1.3倍。断层对二次衬砌结构的边墙主应力有明显影响，该处存在明显的拉应力集中现象，其最大拉应力值为无断层区域的1.17倍。故建议对断层内的二次衬砌边墙采取优化设计等措施。

(4)以二次衬砌结构边墙的第一主应力为评判标准，提出了断层破碎带对结构的影响范围。在本文的算例中，宽度为16 m的断层，影响范围为55 m，约为其自身宽度的3.5倍。

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