断层破碎带区隧道的开挖变形分析

肖学龙 刘国平 李辉 付雪东 程选生

1.中铁二十一局集团第四工程有限公司 西安710000 2.兰州理工大学土木工程学院 730050

引言

随着我国经济实力的逐步提高、城镇化建设的逐步推进，为了更方便城乡之间的交流，对于修建山岭隧道的需求与日俱增。而山岭隧道作为交通工程、水工工程不可缺少的重要组成部分，往往会遇到断层破碎带。在施工中遇到断层破碎带时，隧道的开挖往往会导致原本稳定的围岩结构发生改变，引发坍塌等各类地质灾害。

王晓［1］通过数值模拟及现场监测等手段对倾角不同的断层破碎带中隧道施工围岩与支护结构的受力、变形、稳定性进行了探讨。张连成［2］发现当隧道采用双侧壁导坑法时，隧道洞室围岩产生的竖向位移及水平位移相对较小，且位移稳定较快。张志恩［3］以新疆某公路隧道为背景，针对穿越断层破碎带松散体开挖方案展开研究。刘万生［4］采用数值模拟的手段对青藏铁路二线关角双线双洞隧道穿越断层破碎带施工过程计算分析，对其设计拟采用的施工工法、施工步骤及关键工序控制进行合理的分析，认为该设计方案合理有效。奚家米等［5］通过有限元软件ANYSYS对西成铁路隧道穿越断层破碎带工程进行分析，对双侧壁导坑法与小台阶法分别应用于隧洞施工时隧洞掌子面的围岩稳定性及支护结构的变形，发现双侧壁导坑法相对小台阶法在断层破碎带处施工时更稳定。王君等［6］采用Plaxis-3D 对京新高速隧道过软弱破碎围岩进行隧道开挖模拟，并采用不同工艺进行对比分析。刘学伟［7］针对隧道通过断层破碎带的施工进行数值分析，比较了不同施工工法、工序下，隧洞拱顶、底板及两侧的应力应变分布规律。崔岚等［8］发现当采用台阶法施工时，围岩的稳定性及支护结构的适应性更强，且从工程效益上比较，台阶法也明显优于单侧壁导洞法。王鲁南［9］对隧道穿越断层破碎带时不同工法的应用对隧道围岩的稳定性影响进行分析，得到在断层破碎带施工的注意事项。江厚祥［10］针对环山坪隧道穿越断层破碎带地段隧道开挖和施工的力学特性开展研究，比较了穿越断层破碎带时隧道采用不同开挖方式时引发洞室围岩应力应变的规律。邵润萌［11］提出了应对隧道发生错断的措施，并且通过建立有限元模型对几种抗错断的方法进行了对比。以乌鞘岭隧道为依托，张宇［12］研究了围岩与隧道结构的受力变形情况，得出乌鞘岭隧道的时效特征较为明显。程选生等［13］考虑流固耦合研究了海水对隧道结构的影响。姚飞翔［14］考虑断层的力学作用研究了穿越断层带的隧道变形和受力。Jeon Seokwon［15］研究了不同施工工法对隧道稳定性的影响，通过对比对今后建设穿越断层带的隧道提供参考。Burridge 和Jethwa［16，17］就地质对穿越断层带内支护的变形问题进行分析，最终得出，断层带的存在会严重加大隧道的变形，并且改变衬砌结构的受力状态。

当前，许多学者对隧道穿越断层破碎带进行了一定的研究，但是对于隧道穿越断层破碎带时围岩结构的变形和应力规律等还有待研究。本文基于兴泉铁路枫树下隧道项目，通过数值模拟方法对开挖模拟后隧道对围岩结构的变形和应力规律进行了探讨。

1 含断层隧道围岩结构的本构模型

本文采用Flac3D 有限差分数值模拟软件，建立了如图1 所示的断层破碎带隧道开挖简化模型。模型长200m、高100m、宽100m，是由两个围岩中夹着倾角为45°的断层破碎带组成。隧道位于低山地带，根据地质勘察资料，隧道全长2730m，隧道所取尺寸如下：高度10m、宽9m、衬砌0.3m，同时考虑了隧埋深为40m ～60m，隧道整体呈竖椭圆形位于模型中间位置，断层与隧道夹角呈135°。针对简化模型的设计，本构模型的选取则主要针对于断裂破碎带和围岩。区内上覆地层为第四系全新统坡残积层（Q4dl ＋pl）粉质黏土、松软土岩为晚元古界青白口系源组（Qnw）变质砂岩夹千枚岩，局部因断层发育有多组节理，断层破碎带的岩体较破碎，富水性较好。隧道穿越区内围岩主要为风化变质砂岩夹千枚岩，围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级，其中Ⅴ级围岩主要存在于断层破碎带内。本文选取的Ⅳ级围岩，其岩性相比断层破碎带来说要更加坚硬和完整，断层破碎带地质破碎，松散或胶结物较多。

图1 含断层破碎带隧道开挖简化模型Fig.1 Simplified model of tunnel excavation with fault fracture zone

模型地层主要分为围岩和断层破碎带两部分，围岩选取Drucker-Prager 弹塑性模型，断层破碎带选取经典的Mohr-Coumolb 弹塑性模型，参照相关设计规范、勘察规范以及工程地质手册［18］等，简化模型岩土层相关计算物理力学参数如表1 所示。

表1 岩土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock and soil layers

根据表1 所示的岩土体物理力学参数，利用FLAC3D求解模型的Z 方向初始地应力云图如图2 所示。

图2 初始地应力Z 方向应力云图（单位： Pa）Fig.2 Z stress cloud diagram of initial in-situ stress（unit：Pa）

为准确地分析出隧道开挖过程的应力应变变化情况，在对自重的应力求解完成之后，需要将模型所有的节点速度和位移清零。

在断层破碎带隧道开挖过程中，选用全断面开挖方法，开挖进尺2m。为准确验证分析本构模型选取的可靠性，需选取典型位置进行开挖模拟分析，以获取相应的应力应变情况。考虑到本次简化模型的地层分布情况，选取图3 所示的典型开挖断面位置的模拟开挖。

图3 典型开挖位置的选取Fig.3 Selection of typical excavation locations

如图3 所示，隧道在开挖过程中会先经过围岩，随后穿越断层破碎带，最后又开挖到围岩位置，其中有两个特殊位置，即围岩-断层破碎带交界处和断层破碎带-围岩交界处，因为开挖隧道会扰动到两种不同性质的岩土层，涉及到力学情况复杂，因此为了使本构模型的分析结果最具针对性，对特殊区域进行分区分析，将围岩-断层破碎带交界区域分区为Ⅰ区，断层破碎带-围岩交界区域分区为Ⅱ区如图所示，分别对其进行开挖模拟并对数值计算结果进行分析。Ⅰ区和Ⅱ区开挖分析选用上述简化模型，即局部长为10m的模型进行开挖分析，模型参数选用表1 所示岩土体物理力学参数计算，模型四周和底部采用法向约束边界，在地应力计算阶段将隧道所在位置的岩土体按照实际所在位置的岩土体进行模拟附参，即开挖模拟分析，得到在特殊区域开挖5m后岩土体应力和位移等变化情况，并分析可能发生的岩土体破坏问题。

2 计算结果及结果分析

2.1 Ⅰ区计算结果分析

隧道的开挖伴随有区域局部岩土体的应力应变的改变，Ⅰ区开挖后得到Z方向和X方向应力分布如图4 所示。

图4 Ⅰ区开挖后应力分布云图（单位： Pa）Fig.4 Cloud diagram of stress distribution after excavation in Zone Ⅰ（unit：Pa）

由图4 可以看出，Ⅰ区隧道开挖后，在隧道周围出现应力集中，特别是隧道拱顶上方和隧道壁两侧，其中隧道两侧Z 方向应力最大可达3.50MPa，拱顶上方最大X 方向应力可达2.26MPa，均超出了断层破碎带的承受范围，将发生顶端上方塌陷情况，而隧道底部应力在围岩力学承受范围之内，破坏较小。为进一步分析开挖造成的扰动，其位移分布如图5 所示。

从图5 可以看出，隧道破坏主要发生了隧道拱顶上方，塌陷最大位移达24.2mm，这是因为隧道上方为断层破碎带，性质软弱，开挖后造成拱顶应力集中，又因为其力学强度低，无法承受相应的应力，而发生塌陷。与此同时，隧道下方为较坚硬的围岩，因为力学性质较高而没有发生较大的地层隆起破坏，这一点与很多工程施工实际情况一致。

图5 Ⅰ区开挖后周边位移分布情况（单位： m）Fig.5 Distribution of surrounding displacement after excavation in Zone Ⅰ（unit：m）

2.2 Ⅱ区计算结果分析

选取另一典型区域位置进行隧道开挖数值模拟分析，通过模拟得出Ⅱ区隧道开挖后Z方向和X方向应力分布如图6 所示。

图6 Ⅱ区开挖后应力分布云图（单位： Pa）Fig.6 Cloud diagram of stress distribution after excavation in Zone Ⅱ（unit：Pa）

由图6 可以看出，和Ⅰ区隧道开挖类似，Ⅱ区隧道开挖之后在隧道周围出现应力集中，主要还是出现在隧道拱顶上方和隧道壁两侧，隧道两侧Z方向应力最大可达2.23MPa，拱顶上方最大X方向应力可达2.10MPa，相对于土Ⅰ区应力较小，这是由于隧道上方为围岩，强度较大，承受应力能力较强，分担了局部应力集中，但由于下层断层破碎带强度低，受大小为2.10MPa的X方向应力很容易发生剪切破坏，造成隧道底部岩土体发生隆起。Ⅱ区开挖后的位移分布图如图7所示。

图7 Ⅱ区开挖后周边位移分布情况（单位： m）Fig.7 Distribution of surrounding displacements after excavation in Zone Ⅱ（unit：m）

如图7 所示，与Ⅰ区位移分布图不同的是，隧道破坏主要是集中在了隧道底部发生了隆起剪切破坏，隆起最大位移达121mm，隆起值较大，这是因为隧道上方为围岩，重度较大，隧道开挖造成了隧道两侧X方向应力集中，又因为隧道下部断层破碎带力学强度低，无法承受X 方向应力，而发生了隧道底部的隆起破坏。隧道上方为较坚硬的围岩，因为其力学性质较高，可以较好承受的X、Z方向应力，所以在其力学强度范围之内而没有发生塌陷问题，相对位移较小，这一点也与很多工程现场的施工情况一致。

2.3 拟控制点位移结果分析

前文整体分析了Ⅰ区及Ⅱ区隧道开挖过程中对隧道周围扰动造成的应力和位移变化情况，为进一步对位移数据进行量化，在数值模拟模型计算过程中选取图8 所示的点位进行位移监测分析。两模型为同一数值分析模型下摘取或关注的不同点位的结果。

图8 数值模拟控制点布置Fig.8 Layout of the numerical simulation monitoring points

共选取63 个点进行开挖位移拟监测分析，其中33 个点位于模型Z ＝100m，Z ＝80m，Z ＝60m位置处，横向上每10m一个拟控制点，纵向选取模型中间位置，每个高程11 个拟控制点。其余拟控制点位分别位于隧道拱顶、隧道左拱脚和隧道右拱脚三个部分，沿纵向10m 延伸，每1m一个拟控制点，共计30 个，最后得到每个拟控制点的横向（X）位移和竖向（Z）位移。

其中Z ＝100m，Z ＝80m，Z ＝60m位置处不同点横向位移和竖向位移分别如图9 所示。

图9 Ⅰ区不同深度位移Fig.9 Displacement diagrams of differentdepths in zone Ⅰ

从图9 可以看出，通过对三条曲线的观察，在距离X为30m ～70m时有较大的竖向位移，其中X ＝50m 时三条曲线都取得最大的竖向位移，Z ＝60m 竖向位移值为5.6mm，Z ＝80m 竖向位移值为2.0mm，Z ＝100m 竖向位移值为1.5mm；最大横向位移都发生在距离X 为30m ～40m、60m ～70m 处，Z ＝60m 时分别为1.23mm 和1.72mm；Z ＝80m 时分别为0.32mm 和0.4mm；Z ＝100m 时分别为0.43mm 和0.35mm。通过观察数值可以得到，由于隧道上方为断层破碎带，隧道开挖造成隧道塌陷会对上方土体造成较大的影响，尤其越靠近隧道的位置影响越大，最大沉降竖向位移发生在Z ＝60m拱顶正上方位置，与隧道开挖断面的拱顶的竖向距离为5m，位移值达5.6mm，最大横向位移发生在Z ＝60m拱顶上方两侧，分别为1.23mm 和1.72mm。隧道上方为断层破碎带隧道开挖造成的塌陷对上方土体扰动较大，断层破碎带力学性质差是造成这种情况的直接原因。

隧道拱顶、隧道左拱脚和隧道右拱脚三个部分不同点位横向位移和竖向位移分别如图10 所示。

图10 Ⅰ区不同位置位移Fig.10 Displacement of different positions in zone Ⅰ

从图10 可以看出，在Ⅰ区开挖隧道，竖向位移主要发生在拱顶上方，最大位移可达18.2mm，未开挖部分位移相对较小，而隧道底部两侧拱脚的竖向位移很小，这是由于隧道上方断层破碎带性质软弱，拱顶上方发生塌陷，而隧道底部为围岩，质地较为坚硬，不易发生隆起剪切破坏，变形因此较小。在隧道周围主要发生的是竖向变形（塌陷），横向位移三个位置基本一致，受隧道扰动相对较小，隧道开挖部分横向变形在0.2mm ～0.85mm左右。

从Ⅰ区的模拟结果来看，模拟结果与目前类似施工工程实际情况基本一致，围岩选取Drucker-Prager 本构模型以及断层破碎带选取Mohr-Coumolb本构模型符合实际工程施工情况。

针对Ⅱ区选取与Ⅰ区相同的点位进行竖向位移和横向位移拟监测分析，同时对Ⅱ区隧道开挖造成的相应点位位移扰动进行数据量化分析，使结果更具有对比性。

其中Z ＝100m，Z ＝80m，Z ＝60m位置处不同横向位移和竖向位移分别如图11 所示。

图11 Ⅱ区不同深度位移Fig.11 Displacement diagram of different depths in zoneⅡ

从图11 中可以看出，由于隧道上方为较为坚硬的围岩，隧道开挖并未造成隧道塌陷但隧道底部隆起剪切破坏会对上方两侧土体造成较大的影响，这一位移变化情况也与Ⅰ区位移变化相区别，上方岩土体最大沉降竖向位移发生在隧道上方两侧位置，最大位移值为2.33mm，最大横向位移也发生在Z ＝60m拱顶上方两侧，因为围岩力学性质较高，位移较Ⅰ区小，最大横向位移仅为0.15mm。因此Ⅱ区断层破碎带力学性质差，受剪应力影响发生隆起剪切破坏，使得隧道两侧上方岩土体发生较大沉降位移。

Ⅱ区隧道拱顶、隧道左拱脚和隧道右拱脚三个部分不同点位竖向位移和横向位移分别如图12所示。

从图12 中可以看出，Ⅱ区隧道开挖，隧道底部为断层破碎带岩土体，性质软弱，受应力集中易发生隆起剪切破坏，导致竖向位移和横向位移主要发生在隧道底部两侧，竖向最大位移可达68mm，横向最大位移可达52mm，和Ⅰ区类似，拟控制点位向未开挖部分位移逐渐变小，而隧道拱顶上方由于隧道上方围岩质地较为坚硬，竖向位移和横向位移都比较小。

通过对图4 ～图7 所示的结果与图9 ～图12所示的结果进行对比分析，整体开挖模型能够得到Z、X 方向应力以及位移变形的最大值，如图4 ～图7 所示；拟控制点位移分析能够得到不同位置、不同深度的位移值变化，如图9 ～图12所示。而最大位移值的不同说明位移变形最大的地方并不在拟控制点上。

图12 Ⅱ区不同位置位移Fig.12 Displacement diagram of different positions in zoneⅡ

将隧道在开挖至围岩-断层破碎带交界区域（Ⅰ区）和断层破碎带-围岩交界区域（Ⅱ区）时的有关分析结果统计如表2 所示。

表2 数值模拟结果Tab.2 Numerical simulation results

通过统计结果可以看出，无论在Ⅰ区开挖还是Ⅱ区开挖，都会遭遇到较大的形变问题，尤其是Ⅱ区，隧道底部隆起值较大，因此在工程遭遇到类似的场区施工过程中一定要注意防治类似的塌陷和隆起剪切问题。

3 结论

1.对Ⅰ区隧道开挖模拟结果可以看出，由于隧道上方为断层破碎带，性质软弱，开挖后造成隧道拱顶上方和隧道壁两侧发生应力集中，其中拱顶又因为其力学强度低，无法承受相应的应力，最大位移发生在拱顶区域，易发生塌陷。

2.对Ⅱ区的隧道开挖后分析可知，隧道周围出现应力集中，主要还是出现在隧道拱顶上方和隧道壁两侧，这是由于隧道上方为围岩强度较大，承受应力能力较强，分担了局部应力集中，但由于下层断层破碎带强度低，受大小为2.10MPa的水平应力很容易发生剪切破坏，造成隧道底部岩土体发生隆起破坏。

3.通过对模拟过程中63 个开挖位移控制点位移的分析发现，无论在Ⅰ区开挖还是Ⅱ区开挖，都会遭遇到较大的形变问题且均发生在断层破碎带的区域，尤其是Ⅱ区，隧道底部隆起值较大。因此在工程遭遇到类似的场区施工过程中，一定要注意防止类似的塌陷和隆起剪切问题。