隧洞穿越断层的连续-非连续数值方法研究

沈华骏

(杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

隧洞在公路、铁路、水电等多个行业分布广泛，近年来建设数量快速增加。隧洞施工过程中常遇到断层破碎带等不良地质条件，由于断层破碎带岩体破碎、强度低、富水条件好，极易发生坍塌、突水等事故，造成经济损失及人员伤亡，威胁工程顺利推进[1]，如珠海石景山隧道“7·15”重大透水事故，造成多人伤亡，影响较大。因此，对隧洞穿越断层破碎带区域稳定特征、破坏机理及加固措施等研究意义重大。

本文对比分析了隧洞穿越断层破碎带常用数值模拟方法特点，基于连续-非连续耦合方法，利用有限差分软件FLAC3D及离散元颗粒流软件PFC3D进行耦合，使用了PFC3D刚性块单元实现了耦合分析模型快速平衡，通过对比现场坍塌范围确定断层破碎带细观参数，验证了分析模型及细观参数的合理性，并结合工程案例研究了管棚、灌浆等加固措施在连续-非连续耦合方法中的实现方法及效果。相关分析方法应用连续-非连续耦合方法研究隧洞穿越断层破碎带破坏过程及加固效果，便于工程技术人员及研究人员确定合理的加固措施，为同类隧洞问题提供依据。

1 隧洞穿越断层破碎带机理研究常用数值分析方法及特点

数值分析是隧洞穿越断层破碎带破坏机理研究的有效手段。目前，国内外学者主要利用有限元、有限差分、离散元、颗粒流等方法。王猛等[2]利用有限元软件ABAQUS分析了衬砌及注浆加固措施应对隧洞穿越富水断层破碎带围岩应力及变形改善状况；陈晓鹏等[3]利用有限差分软件FLAC3D分析了“注浆+钢网索”联合加固方案对巷道穿越断层破碎带变形及塑性区改善作用；Kota V K等[4-5]利用离散元软件3DEC分析了破碎岩体对隧洞稳定特征的影响；Wei Wu等[6]利用颗粒流软件PFC分析了隧洞穿越断层破碎带的失稳过程；周健及M Cai等[7-8]使用接口程序实现了FLAC-PFC耦合方法在相关岩土工程问题中的应用。

上述研究对于隧洞穿越断层破碎带问题，主要基于连续介质理论及非连续分析理论。有限元及有限差分等基于连续介质理论的模拟方法计算效率高，通过变形、塑性区、应力变形情况等反映隧洞穿越断层破碎带区域稳定特征、破坏机理及处理措施效果，但该方法通过较低的参数描述断层破碎带，难以体现破碎带大量裂隙的影响；离散元及颗粒流等基于非连续理论的模拟方法能够考虑破碎带裂隙影响，形象地反映隧洞穿越断层破碎带破坏过程，但相关方法普遍建模工作量大，计算效率偏低；此外，目前常用的连续-非连续耦合解决方案建模过程复杂，且过小的颗粒将带来计算效率低的问题，过大的颗粒将带来几何特征精度低的问题，不便于此问题的解决。

连续-非连续耦合分析可同时发挥连续方法计算效率高及非连续方法破坏过程体现的优势，若能够提高耦合分析建模效率，将可以更好地分析隧洞穿越断层破碎带稳定特征、破坏机理及加固措施的效果。

2 连续-非连续耦合方法隧洞穿越断层破碎带分析

FLAC及PFC软件由ITASCA国际咨询公司Peter Cundall院士等分别基于有限差分及离散元颗粒流方法开发的，两款软件可以在同一平台下使用，特别适合于进行连续-非连续耦合分析研究。因此，基于FLAC-PFC耦合进行隧洞穿越断层破碎带相关机理研究。

2.1 FLAC-PFC连续-非连续耦合实现方法

利用FLAC-PFC进行连续-非连续耦合分析通常采用边界控制PFC墙体单元(wall)的方式，使得FLAC连续的网格与PFC的颗粒模型相互作用。

其耦合的逻辑是获取PFC非连续介质在墙体单元面片的接触力及力矩，将面片顶点位置的等效力传递至FLAC网格节点；同时，FLAC将节点速度传递至墙体单元面片，与PFC非连续介质产生作用力，按照力-位移法则按时步进行更新。因此可以实现力、位移等数据在连续-非连续耦合分析时传递。

2.2 隧洞穿越断层破碎带耦合分析建模方法及细观参数确定方法

隧洞穿越断层破碎带为三维问题，可利用FLAC3D-PFC3D耦合建立分析模型，FLAC3D对非断层区域变形、支护受力等进行分析，PFC3D对断层区域破坏过程等特征进行分析。

PFC3D中对断层破碎带建模需进行颗粒填充与应力平衡，对于常用球形颗粒(ball)，由于球体之间存在孔隙，且创造应力条件需通过伺服控制、颗粒缩放等方式，颗粒体系平衡及应力条件实现耗时长。PFC刚性块单元(rblock)，类似于BBM(Bonded-Block Models)模型[9]，可快速生成一系列无孔隙的颗粒体系，由于没有孔隙的影响，可快速实现刚性块单元体系平衡及断层区域破碎带区域应力条件施加。

利用PFC进行相关研究时，颗粒间的接触参数的确定十分重要，通常是根据室内试验，寻找细观参数与宏观特性之间的关系，从而获得标定的细观参数[10-11]。对于断层破碎带通常难以开展针对性的室内试验，可根据断层破碎带开挖响应情况如坍塌情况，变形等监测数据等对颗粒体系接触细观参数反演确定。

2.3 连续-非连续耦合方法加固措施模拟

隧洞穿越断层破碎带，常采用注浆、超前支护、锚索等加固措施[12-15]。注浆加固常采用小导管、中空锚杆等进行，根据卢义玉等人的研究，小导管注浆扩散半径一般为导管中心距离的0.6倍～0.7倍[16]；对于超前支护，常采用管棚、小导管等方式结合注浆进行加固[17]，保障隧洞穿越断层区域稳定。

小导管、锚杆、锚索、喷层等支护结构在FLAC3D-PFC3D耦合过程中可以用FLAC3D结构单元实现；注浆加固则需要考虑调整注浆扩散区域PFC3D颗粒接触参数实现，参考李文帅的研究[18]，浆液填充岩体浆-岩接触界面，浆液细观黏结强度约为岩块黏结强度的80%。

3 工程实例

某水电工程施工隧洞开挖过程中，遭遇未探明断层破碎带发生坍塌，坍塌位置及范围如图1所示。该隧洞宽度为8.1 m，坍塌位置埋深约400 m，结合已开挖洞段地质信息及补充勘探，发现该断层破碎带宽度约3 m，与隧洞斜交。工程区域水平大主应力近似垂直于隧洞轴线方向，为1.5倍自重，水平小主应力近似沿隧洞轴线方向，为0.7倍自重。

利用FLAC3D-PFC3D耦合建模技术建立了该隧洞穿越断层破碎带分析模型，如图2所示。断层破碎带区域采用PFC3D刚性块单元(rblock)建立，其余部分采用FLAC3D网格单元，模型包含12万个FLAC3D网格单元及8.7万个PFC3D刚性块单元，刚性块单元间共计有30.6万个接触。隧洞附近网格及刚性块单元尺寸按1 m控制。

由于断层破碎带将进一步影响后续隧洞的施工，若发生更大的坍塌，将极大的威胁施工人员及工程工期，因此有必要开展该断层破碎带特征参数研究及加固措施研究，避免产生更大的影响。

3.1 断层破碎带细观参数确定

隧洞非断层破碎带区域为Ⅲ类围岩，岩体力学参数如表1所示。断层破碎带刚性块单元采用软黏结模(Softbond)接触模型。

表1 围岩岩体力学参数

隧洞开挖后，通过调整软黏结模型细观参数，对比坍塌范围获得断层破碎带细观参数。同时，还确定了破碎带区域作为Ⅲ类围岩的细观参数，为后续注浆加固参数确定提供依据，如表2所示。

表2 断层破碎带软黏结接触模型细观参数

根据表1及表2的围岩及破碎带参数，采用喷锚支护方案模拟隧洞开挖及破坏过程，如图3，图4所示，隧洞右上拱肩首先受到断层破碎带影响发生坍塌，同时该区域的锚杆发生破折，分析结果与现场基本一致。

3.2 隧洞穿越断层破碎带加固措施

该断层破碎带将继续影响后续施工，采用如图5所示加固措施，隧洞顶拱180°范围内设长9 m、直径108 mm、倾角5°、间距0.5 m超前管棚，并对管棚进行注浆；洞身施加长5.0 m、直径42 mm、间距1 m小导管，倾角15°安装进行注浆；洞身施加间距0.6 m钢拱架，喷层厚度25 cm。

管棚及小导管注浆将填充破碎带岩体裂隙，在一定范围内使得破碎岩体形成一个整体。参考文献[18]的研究，于浆液扩散范围按注浆管中心间距的0.6倍考虑，因此对破碎带洞周4.5 m范围细观参数进行了提高；分析中破碎带软黏结抗拉强度及黏结强度按围岩的40%保守考虑。

采用上述加固措施后，隧洞穿越断层破碎带后变形及支护结构受力特征如图6所示，分别展示了隧洞穿越断层变形情况，原隧洞右上顶拱坍塌区域的变形为3.5 cm，可见采取加固措施后断层破碎带区域变形得到了有效控制，未发生坍塌；根据图7所示的管棚及锚杆受力，超前管棚在断层破碎带区域应力大于100 MPa，可见超前管棚对保障隧洞穿越破碎带稳定发挥了较大的作用。

4 结论

本文研究了应用连续-非连续耦合方法分析隧洞穿越断层破碎带破坏过程、稳定特征及加固措施效果，得到如下结论：

1)对于非断层破碎带区域使用FLAC3D建模，断层区域使用PFC3D刚性块单元建模，能够快速实现隧洞穿越断层破碎带连续-非连续耦合模型建立。

2)对于断层破碎带区域PFC3D接触参数的确定可通过对比断层区域现场响应特征，如坍塌区域、变形监测等反演确定，以某水电工程隧洞为例获得了较一致的坍塌破坏情况及锚杆破折效果，反演过程中发现软黏结模型黏聚力及抗拉强度对断层破碎带是否发生坍塌影响较大。

3)连续-非连续耦合分析方法中，注浆加固可通过提高注浆扩散区域细观参数实现，结合某水电工程隧洞采取加固措施后，可见原坍塌位置隧洞变形得到了有效控制。

4)可在相关分析的基础上，应用连续-非连续耦合方法进一步研究不同断层特性、破碎带宽度、倾角等对隧洞稳定特征的影响。