断层带综合地质勘察方法及隧洞围岩变形模拟研究

吕超，张鹏，何俊澜，黄俊阁，王盛鑫

(广西桂禹工程咨询有限公司，广西 南宁 530023)

0 引言

随着我国社会经济发展，为了满足不同地域人民对用水的需求，国家大量投资引调水工程。引调水工程中隧洞是常见的形式，但隧洞开挖过程中遇到断层破碎带时，常会引起围岩较大变形，甚至会造成隧洞围岩失稳、塌方、冒顶等现象。

日本的惠那山隧道(国兆林，1983)、中国的国道317 线鹧鸪山公路隧道(王睿，2003)、乌鞘岭隧道(卿三惠和黄润秋，2005；蒲有林，2007)、关角隧道(张旭珍，2011)、兰渝铁路两水隧道(赵福善，2014)、谷竹高速青峰隧道(刘秀芝，2018)、木寨岭隧道(刘高等，2005；张波，2014；祁贤，2018；韦云等，2018)和深埋软岩输水隧洞(王忠昊，2019)等，均遇到了不同程度的围岩变形失稳、塌方等问题，在穿越断层破碎带过程中，复杂不利的地质条件不仅严重影响施工工期，提高工程费用，更重要的是若处置不当，很可能会存在严重的安全隐患。在隧道掘进过程中，采取及时持续的监测手段，不断优化隧道结构，并根据断层带中的岩体性能进行专门性地支撑和开挖顺序设计，能有效预防和减少围岩变形引发的工程地质问题(Schubert et al.，2006)。因此，准确查明断层破碎带的位置及其工程地质特征，并在开挖过程中选择合理的支护措施和时机以保证隧洞的安全稳定，是隧洞施工中尤为重视的问题。基于实际工程中地质条件的复杂性，多手段结合的勘探方法在地质工作中逐渐广泛应用，张绍栋等(2020)结合电法勘探中两种不同的勘察方法，有效地解决了受构造控制的多金属矿勘查问题，李英宾等(2020)将高密度电阻率法和探地雷达方法应用于泥石流灾害的勘察，并取得较好的成果，为相关工程采用综合手段开展勘察工作提供了技术支撑。同时，保障隧洞工程安全进行需对围岩力学机制有较深的了解，而现场试验和室内试验的局限性，使得模拟手段在此类问题的研究中得到广泛使用和认可，钟正强等(2009)、段金成(2017)、唐锐等(2018)等众多学者采用数值模拟法分析了不同条件下的隧道变形问题，为采用合理的支护结构和控制方法提供了依据。

笔者以广西桂中治旱工程为背景，详细介绍了该工程引水隧洞线路上断层带的勘察方法与成果，利用有限元模拟软件分析了隧洞的围岩稳定性，在此基础上进一步对围岩的支护方案及设计方案支护下的施工效果等进行研究。对引调水工程中隧洞开挖遇到断层破碎带时，如何解决该复杂工程地质问题有实际的借鉴意义。

1 工程地质环境条件

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区工程位于红水河流域中下游、著名的桂中旱片区内。灌区主要位于桂中盆地内，部分位于桂中盆地与桂西山地过渡带，总体地势西北高东南低，西北部、东南部山峰一般高程分别为600～740 m 和400～550 m。灌区碳酸盐岩分布广泛，地貌以峰丛洼地、峰林平原、谷地、残峰、残丘平原、岩溶垄岗等岩溶地貌为主。

灌区属红水河流域，河谷深切成“V”字型，两岸岩壁陡峭，河床基岩出露，沿河断续分布有两级阶地及河漫滩。主要有石炭系、二叠系、三叠系、白垩系等地层，基岩以灰岩、含燧石灰岩、白云岩、白云质灰岩等碳酸盐岩为主，局部为硅质岩、砂岩、泥岩等。

灌区总干渠沿红水河左岸布置，总干渠末端分为北、南干渠。总干渠全长30.3 km，北干渠长56.6 km，南干渠长28.7 km，干渠沿线为其他分干渠。北干渠陈村—六浪段以隧洞为主，全长20.12 km，其中钻爆法施工段长约3.7 km，城门形断面，隧洞宽×高为6.37 m×5.94 m；全断面隧道掘进机(TBM)施工段长16.4 km，圆形断面，洞径5.94 m。

本文主要以TBM 施工段发育的F5断层组为研究对象。F5-1断层产状90°∠70°～80°，具有压扭性，沿着断层走向断续出露断层角砾岩，钙质胶结，胶结程度较好，破碎带宽度3～5 m。F5-2断层产状90°∠60°，长度大于3 km，具有压性，洞轴线和断层相交位置破碎带宽3～8 m，破碎带内以角砾岩为主，钙质胶结，局部呈泥夹石，岩溶发育程度为中等。F5-3断层产状为90°∠60°，延伸长度大于3 km。断层和洞线相交一带覆盖层深厚，未见出露，断层破碎带宽度15～20 m 左右，破碎带内以角砾岩为主，钙质胶结，局部呈泥夹石，岩溶发育程度为中等。

断层带与洞轴线相交处隧洞埋深约200 m，围岩破碎，以钙质胶结的断层角砾岩为主，岩体强度较低，且地下水位较高，隧洞开挖势必会带来围岩稳定性问题。本文针对隧洞穿越断层破碎带这一工程地质问题，利用多手段详细开展了工程地质勘察，在准确了解围岩地质条件的基础上对隧洞开挖后围岩的稳定性及支护措施进行研究。

2 断层带的综合勘察与地质评价

研究段落地处合山盆地内，地形平缓，地面高程约117～125 m，围岩以中厚—薄层状灰岩为主，部分洞段为钙质泥岩及含硅质灰岩，局部洞段岩溶比较发育。隧洞沿线地下水比较丰富，地下水位线一般位于洞顶以上60～100 m 之间。为了查明F5断层带的发育情况，评价其对隧洞开挖的影响，针对断层带进行了综合勘察，通过地质测绘、物探、钻探等多种方法查明了该断层附近隧洞沿线的地质条件，其中勘探钻孔4 个，物探剖面6 条，具体勘察工作布置可见图1。

图1 勘察区地质概况及勘探线布置

2.1 地质测绘工作

首先结合前期勘察资料，对F5断层带进行了工程地质测绘工作。调查发现断层与隧洞轴线相交处北侧山上悬崖底连续出露角砾岩，宽度1～3 m，呈浅肉红色，角砾成分为灰岩，粒径5～10 cm，钙质胶结，强风化—弱风化状态(图2)。南侧山体覆盖层较厚，零星出露角砾岩，胶结较好。

图2 地表断层角砾岩胶结情况

2.2 物探工作

为查明断层发育情况及隧洞轴线断层附近岩溶发育情况，在断层带附近共布置6 条大地电磁法剖面。其中WT2-WT2′和WT3-WT3′剖面异常带与F5-2断层破碎带位置吻合(图3)。

图3 物探成果解释图

WT4-WT4′在剖面上高程150～180 m，局部呈低阻闭合状，纵横向变化非常明显，与周围存在电性差异，存在异常；WT5-WT5′剖面高程20～80 m，等值线深切，局部呈低阻闭合状，横向变化非常明显，与周围存在电性差异，存在异常。这两条剖面的异常带与F5-3断层破碎带较为吻合(图4)。

2.3 钻探工作

为进一步勘察及验证物探成果，在断层附近布置有4 个勘探钻孔。其中ZK3004、ZK3005 在预测深度范围内并未打到断层破碎带，所以停止钻探，并未打到隧洞底板以下。ZK3003 钻孔在预测深度范围内打到断层破碎带，因此钻孔继续钻进到隧洞底板下约10 m，最终孔深180.8 m。ZK3003 钻孔取芯结果显示，孔深49.8～68.4 m 段岩体较破碎，采取率低，呈灰—灰黑色。岩芯呈碎块状，块径一般3～6 cm，局部呈角砾状。节理裂隙发育，裂隙面微张—张开，充填灰黑色泥碳质，裂隙面起伏粗糙，局部有肉红色渲染。该段岩芯与野外露头的断层带岩性较为一致，钻孔内断层带段岩芯见图5。

图5 钻孔(ZK3003)中断层带岩芯情况

2.4 地质评价

经现场地质测绘、物探及钻孔取芯等成果综合分析，断层F5-1、F5-2及F5-3破碎带宽度分别为3～5 m、3～8 m 和15～20 m，受褶皱和断层影响，岩层扭曲岩层产状变化大，断层带内围岩节理裂隙发育，岩体破碎，裂隙面微张—张开，充填灰黑色泥碳质及岩屑，裂隙面起伏粗糙，有肉红色渲染，局部为角砾岩，呈钙质胶结，断层破碎带为Ⅴ类围岩，极不稳定，可能出现塑性变形，需要对围岩进行加固处理，具体地质条件可见图6。

图6 断层带地质剖面图

依据现场地质勘察成果和室内试验成果，对F5断层破碎带处隧洞围岩的物理力学参数综合取值见表1。

表1 断层带隧洞围岩物理力学参数建议值

3 围岩稳定性及支护措施研究

基于以上对断层破碎带的勘察结果及岩体质量评价，断层带处岩体质量等级划分为Ⅴ类围岩，隧洞施工过程中，受开挖卸荷和应力集中的影响，围岩极不稳定，为保证隧洞施工安全进行，TBM 掘进施工前必须对围岩进行加固处理，并及时采取合理的支护措施。

本工程提前对断层破碎带处的围岩进行高压固结灌浆(水泥净浆)预胶结处理，然后TBM 缓慢掘进，开挖完成后立即对掌子面及洞壁围岩采取锚喷+型钢支护等措施，并对5～10 m 范围内的洞壁围岩进行高压固结灌浆处理。支护方案具体设计参数如下:全断面注浆钢花管直径(φ)89 mm，间距(@)500 mm × 8000 mm(环 向× 纵 向)，总 长度(L) ＝15000 mm，外倾角6°；全断面钢筋网直径(φ)8，间距(@)200 mm ×200 mm(两层)；湿喷纤维砼C25(混凝土强度等级)，厚200 mm；顶拱120°范围钢筋排；型号(HW)150 mm ×150 mm，间距(@)450 mm；顶拱270°范围直径(φ)18 mm 锚固剂锚杆，环向间距为0.9 m，纵向间距0.45 m，长度1.8 m，相间布置；全断面固结灌浆直径(φ)90 mm，间距(@)2000 mm×2000 mm，总长度(L) ＝5000 mm；顶拱中心角120°范围设排水孔直径(φ)50 mm，间距(@)3000 mm×3000 mm。

3.1 围岩稳定性分析

采用有限元分析程序，选取断层带附近里程16+215 m 处为典型断面，对隧洞开挖后在无支护和按设计方案支护两种工况下围岩的稳定性进行分析。初始地应力主要为自重应力，最大主应力基本竖向，最小主应力大致沿水平向分布，应力大小与埋深直接相关，且随埋深增大而增大。在里程16 +215 m 断面处，隧洞埋深为177.04 m，在岩体自重应力作用下，初始地应力相对较大。在隧洞中心处第一主应力σ1＝4.5165 MPa；第二主应力σ2＝3.1369 MPa；最大剪应力σxy＝0.0114 MPa。

根据前期勘察结果所绘制的地质剖面，建立二维有限元网格模型(图7)，对隧洞开挖后支护和未支护条件下围岩的应力状态、变形特征以及塑性区分布特征进行模拟分析。岩体采用二维4 节点等参实体元及其退化单元模拟，锚杆采用杆单元。此外，还在拱顶和左右两侧拱腰位置设置监测点以获取围岩的应力及变形数据。

图7 里程16 +215 m 剖面处有限元网格划分图

由隧洞开挖后支护和未支护条件下围岩最大主应力分布状态(图8)可得，隧洞开挖后，受断层影响，未支护条件下，由于底板上抬和顶拱下沉，致使围岩最大主应力在左右两侧洞壁位置明显集中，左右两侧洞壁处最大主应力显著高于拱顶和底板。

图8 围岩最大主应力等值线图

拱顶处围岩最大主应力为6.46 MPa，左右两侧洞壁处围岩最大主应力分别为11.40 MPa 和11.20 MPa。按原设计方案进行支护加固后，最大主应力集中范围显著减小，拱顶处最大主应力为4.06 MPa，左右两侧洞壁处围岩最大主应力均为4.84 MPa，较未支护条件下，最大主应力值显著降低。

由图9 和图10 可得，隧洞开挖后，在未支护条件下，受断层破碎带影响，围岩水平和竖直方向位移均较大(UX-Z0(cm)、UY-Z0(cm)分别表示围岩水平和竖直方向的位移)，顶拱沉降为62.15 mm，左右边墙中部水平位移分别为 45.62 mm 和44.38 mm。采用灌浆等支护措施后，围岩拱顶沉降以及左右边墙的侵入变形均得到了有效的控制，顶拱沉降量减小至2.60 mm，而左右边墙中部水平侵入位移分别减小至1.90 mm 和1.79 mm。

图9 未支护条件下围岩位移等值线图

图10 支护后围岩位移等值线图

图11 为断层破碎带处隧洞开挖后围岩塑性区分布图。由图可得，由于该段埋深较大，地应力相对较高，加之受断层影响，围岩破碎，强度较低，隧洞开挖后，未支护条件下，围岩将产生塑性破坏，拱顶塑性区深度达1.23 m，左右边墙塑性区深度分别为0.99 m 和1.31 m。经注浆加固等支护后，未见明显的塑性区。表明按原设计方案进行支护后，围岩的侵入变形得到了有效的控制。

图11 围岩塑性区分布

3.2 支护效果分析

基于数值模拟分析结果可知，受断层破碎带的影响，隧洞开挖后在洞顶及左右两侧洞壁产生明显的应力集中，无支护条件下，拱顶左右两侧洞壁不断向临空面产生侵入变形，塑性区不断向深部扩展，洞周约1 m 范围内围岩均产生明显的塑性变形。

按设计方案对围岩进行注浆加固后，围岩整体强度得到了显著的提高，抗变形能力显著增强，拱顶沉降以及两侧洞壁的侵入变形均得到了有效的控制。注浆加固后，围岩整体性提高，未见明显的塑性区，表明支护后围岩未产生塑性破坏现象，原支护方案加固效果良好。

目前该断层带隧洞段已经开挖和支护完毕，从施工现场来看，提前对断层带的围岩进行高压固结灌浆预胶结处理，得以保证TBM 正常掘进；后对隧洞围岩进行锚喷+型钢支护，与围岩形成整体共同受力，保证断层带隧洞围岩的稳定性；最后进行全断面固结灌浆处理，增加了断层带隧洞围岩的安全储备。施工完毕至今，该段隧洞内壁无开裂或破损情况，设计方案可行，支护效果良好。

4 结论

(1)隧洞施工前，对于断层破碎带发育段落，利用现场踏勘、地质测绘结合物探和钻探等综合勘察手段，重点查明了不良地质现象发育段落洞身处围岩的地质条件。并结合室内试验确定了洞身段围岩的物理力学参数，为设计支护方案提供基础资料。

(2)经有限元模拟计算，隧洞开挖后，受断层破碎带影响，在洞顶和两侧洞壁应力不断集中，围岩塑性区不断向深部扩展。按设计方案对围岩进行支护后，围岩主应力、变形量以及塑性破坏区深度都大幅降低，表明设计方案对隧洞围岩加固效果明显。

(3)采用“提前对断层带的围岩进行固结灌浆预胶结处理→对隧洞围岩进行锚喷+型钢支护→围岩全断面固结灌浆处理”的方案对断层破碎带处围岩进行加固，支护效果良好，方案可行合理。