穿越破碎带铁路隧道掌子面稳定性分析

张超翔 张志强

【摘要】铁路隧道穿越富水破碎带时，开挖掌子面极易发生失稳，影响开挖的安全进行，带来巨大经济损失。针对这种问题，文章以浦梅铁路某隧道为依托，建立了三维有限元流固耦合模型，分析了随着开挖进行围岩渗流场的变化规律，对掌子面失稳进行了研究，得到了开挖渗流场和掌子面向隧道内位移之间的联系规律，为以后施工及时应对掌子面失稳提供了参考。

【关键词】隧道; 破碎带; 掌子面; 流固耦合; 稳定性评价

【中国分类号】U455.49【文献标志码】A

富水破碎带是一种不良地质状况，当铁路隧道穿越破碎带时，地下水的渗流作用对掌子面的平衡造成扰动，引发掌子面产生失稳破坏、塌陷，甚至是突水突泥。这些现象的发生将会造成事故。因此，关于评价穿越富水破碎带隧道开挖掌子面稳定性的问题亟待解决。

对于掌子面稳定性的问题，王德明[1]结合模型试验、数值模拟等各种方法对隧道突水突泥灾变演化过程开展了研究，孟凡树[2]通过理论分析、模型试验、数值模拟等手段综合探讨了隔水岩盘最小安全厚度的问题，何磊等[3]通过有限差分软件研究了排水导管在穿越富水断层破碎带隧道中发挥的作用，尚明源[4]针对富水区隧道穿越断层破碎带进行了掌子面的稳定性控制研究，张骞等[5]对于穿越破碎带松散岩土体隧道提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法。

在前人研究的基础上，本文以浦梅铁路某隧道为工程依托，建立了三维有限差分数值模型，通过流固耦合分析，对穿越破碎带铁路隧道开挖掌子面稳定性进行了分析评价。

1 数值模拟

1.1 模型建立及参数选取

本文使用FLAC3D的流固耦合部分进行分析，参照浦梅铁路实际设计隧道断面，按照单线单洞铁路隧道进行建模，并设置初期支护以及二次衬砌。将围岩假设为一种“三明治分布”，即围岩地表水平，两层正常围岩之间夹杂一层破碎带，各个岩层竖直相间分布。建立的模型如图1所示。

数值模型的边界条件由两个部分组成，分别是位移边界部分和渗流边界部分：

（1）位移边界：将模型的四个侧面和一个底面设置为位移边界，约束垂直模型表面方向的位移;模型顶面为自由边界。

（2）渗流边界：将模型的四个侧面和一个底面设置为不透水边界，将地下水条件设置为60 m恒定水头。

选择Mohr-Coulomb弹塑性模型作为计算模型岩土体的本构，选用Elastic弹性模型模拟初期支护和二次衬砌。

结合浦梅铁路实际工程地质勘测报告，参照TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》以及GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的建议设计取值，模型采用的各部分围岩和支护的力学参数及渗透系数见表1、表2。

1.2 掌子面防突体

如图2所示的隧道开挖掌子面与破碎带之间的岩土体定义为防突体，将防突体的厚度定义为掌子面失稳破坏的临界厚度，用以评价掌子面稳定性情况。

对于此种地质条件下的掌子面稳定性评价，掌子面向隧道内位移的陡然变大可作为掌子面是否稳定的判据[4]。如图3所示。

2 结果分析

2.1 掌子面渗流场

由于隧道的开挖，原来的围岩不能维持水土平衡，需要达到一种新的平衡，而孔隙水压力对掌子面的稳定具有十分重要的影响，有必要对孔隙水压力的演变进行研究。

根据上文建立的数值计算模型，分别计算隧道不同开挖深度下围岩的渗流场，即计算不同防突体厚度下围岩的孔隙水压力场。得到的结果如图4所示。

分析围岩孔隙水压力云图，可以得到以下几条结论：

（1）图4（a）～图4（c）较为接近，由于隧道的开挖，掌子面表面水头降为0，掌子面上方土体孔隙水压力减小，掌子面前方孔隙水压力等值线上凸，水压力增大，产生超孔隙水压力。

（2）图4（d）、图4（e），即防突体厚度在2～6 m之间时，掌子面前方孔隙水压力减小，接近未开挖情况下孔隙水压力分布。

（3）图4（f）中，即隧道开挖至破碎带，无防突体存在，此时地下水涌入隧道，掌子面前方孔隙水压力大面积急剧减小，可以认为掌子面发生突水，掌子面受力平衡破坏。

2.2 掌子面位移

根据上文所建模型进行掌子面向隧道内位移分析，得到如图5所示的防突体厚度与掌子面位移之间的关系图。

本模型掌子面向隧道內位移变化由平缓到陡峭临界点在4 m左右，即临界防突体厚度为4 m。

根据上一节所示的掌子面渗流场变化规律，可以发现，防突体厚度4 m阶段介于2～6 m之间，处于掌子面前方孔隙水压力减小阶段，本阶段掌子面超孔隙水压力消失，压力大小接近围岩未开挖状态。

3 结论

本文建立了三维有限元流固耦合模型，分析了铁路隧道穿越破碎带掌子面稳定性，得到了以下结论：

（1）隧道穿越破碎带随着开挖的进行，掌子面越接近破碎带，掌子面向隧道内位移越大，位移随开挖的进行将会在某个距离开始急剧增大。

（2）围岩渗流场随着防突体的逐渐减小，主要有三阶段的变化，第一阶段掌子面前方孔隙水压力增大，第二阶段孔隙水压力回到未开挖水平，第三阶段孔隙水压力大范围减小，突水发生。

（3）实际工程中，应及时检测掌子面前方土体孔隙水压力，当水压力减小到未开挖水平时，掌子面接近失稳，应当尽快采取措施加固掌子面。

参考文献

[1] 王德明. 泥质断层破碎带隧道突水突泥灾变机理研究及应用[D].济南：山东大学，2017.

[2] 孟凡树. 深埋隧道断层破碎带突水力学判据研究[D].中国矿业大学，2019.

[3] 何磊，张志强.富水高压隧道通过断层破碎带高位排水技术研究[J].四川建筑，2019，39（3）：156-157+161.

[4] 尚明源. 富水区隧道掌子面稳定性分析及防排水结构体系研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[5] 张骞，白松松，高昱，等.穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究[J].中国公路学报，2018，31（10）：141-149+219.