隧道穿越不同倾角断层破碎带围岩变形分析

摘 要：针对隧道穿越断层破碎带过程中出现的围岩变形问题，依托延庆至崇礼高速公路河北段金家庄隧道穿越不同倾角断层破碎带工程，通过FLAC3D数值模拟方法，研究该隧道在穿越不同倾角断层破碎带过程中的围岩变形规律。结果表明，在不同倾角断层破碎带工况下，拱顶沉降最大值总是位于断层带的下侧，而仰拱隆起最大值总是在断层带上侧，且其变化曲线都呈现“稳定变形-缓慢增大-突变变形-缓慢减小-稳定变形”5个变化阶段。各倾角对断层破碎带前后影响区域不同，主要呈现 “减小-增大”的趋势，在90 °时最小；30°与150°时最大。

关键词：隧道工程；断层破碎带；数值模拟；拱顶沉降；仰拱隆起

中图分类号：TP391.92；O347""""""""""""""""""" 文献标识码：A"""""""""""""""""""""" 文章编号：1001-5922（2024）07-0169-04

Analysis of surrounding rock deformation characteristics

of tunnel crossing fault fracture zone with different dip angles

LI Wenjun

（Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of Tunnel Structures in Guangdong Province，

Guangzhou 510000，China）

Abstract： In response to the problem of surrounding rock deformation during the tunnel crossing fault fracture zones， based on the jinjiazhuang tunnel crossing fault fracture zones with different dip angles in the hebei section of the yanqing chongli expressway， FLAC3D numerical simulation method was used to study the deformation law of surrounding rock during the tunnel crossing fault fracture zones with different dip angles. The results showed that under the working conditions of fault fracture zones with different dip angles， the maximum settlement of the arch was always located on the lower side of the fault zone， while the maximum uplift of the inverted arch was always on the upper side of the fault zone， and its variation curves showed five stages of “stable deformation⁃slow increase⁃sudden change deformation⁃slow decrease⁃stable deformation”. The influence areas of each dip angle on the fault fracture zone were different before and after， mainly showing a trend of \"decreasing increasing\"， with the minimum at 90°and the maximum at 30°and 150°.

Key words： tunnel engineering； fault fracture zone； numerical simulation； arch settlement； inverted arch uplift

当隧道穿越断层时，由于围岩性质较差，使得隧道自稳能力较差，若在隧道施工过程中支护措施采取不足，施工方法选取不当等，容易导致隧道衬砌变形、塌方等事故发生［1］。目前，针对穿越断层破碎带引起的隧道围岩失稳，已有众多学者进行了相关性研究。如通过数值模拟，研究隧道在开挖及连续降雨情况下的隧道围岩变形过程［2］。利用PFC2D分析了断层破碎带对隧道围岩稳定性的影响规律［3］。

通过对断层进行监测，分析了围岩变形规律［4］。通过数值模拟软件，研究了断层破碎带对围岩稳定性的影响［5⁃7］。通过室内模型试验，分析了断层与隧道间距对围岩变形的影响［8］。通过对隧道拱顶、拱腰进行实时监测得出围岩变形的3个阶段［9］。分析了隧道在穿越断层破碎带时的围岩变形和受力特征［10⁃12］。研究隧道穿越断层破碎带支护结构受力特征［13］。

基于此，以金家庄隧道为工程依托，采用数值仿真研究隧道穿越不同倾角断层破碎带的施工动态全过程，分析围岩变形规律的变化。为类似工程的施工提供有益的参考价值。

1"" 工程概况

金家庄隧道是延庆至崇礼高速公路的一部分，采用了分离式设计，如图1所示。该隧道穿越的地层主要是海西期（ησ43e）二长花岗岩，部分地段覆盖有第四系沉积层。二长花岗岩通常呈现中等至粗粒结构，部分区域含有高比例的石英，如图2所示。在隧道的隧址区域存在2条断层破碎带，分别为F2和F3。F2断层破碎带以角砾为主，总体呈东西走向，倾角为104°，宽度约为11 m，与隧道轴线夹角为78°。F3断层破碎带整体走向为北东25°，断面倾向南东，倾角较大并与隧道相交，属于规模较大的断裂带。

2"" 数值模型

2.1"" 模型建立

为分析断层破碎带倾角对隧道施工塌方影响。利用FLAC3D建立三维模型，考虑到隧道开挖会引起围岩应力重分布，模型整体尺寸为：80 m×60 m×80 m（宽度×纵向×高度），如图3所示。隧道采用公路隧道中常见五心圆截面，衬砌为C30混凝土，厚度为0.25 m，埋深35.2 m。围岩和断层使用zone单元，断层破碎带两侧滑移采用interface单元。在计算中，围岩和破碎带均采用M-C模型，暂不考虑地下水、爆破振动等对隧道开挖影响。

2.2"" 计算参数

依据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）及隧道工程地质勘察建议值，并结合开挖过程中围岩状态确定参数，见表1。

2.3"" 模型计算结果分析

通过FLAC3D软件，建立隧道穿越断层破碎带倾角分别为30°、60°、90°、120°、150°的5种工况，并在隧道周边设置相应的监测点，如图4所示。

当隧道斜穿断层破碎带后，整体竖向位移云图如图5所示。

由图5可知，隧道穿越断层破碎带后，竖直沉降最大值出现在断层破碎带中间断面与隧道相交的拱顶部位，且随着倾角的不断增大，拱顶沉降数值先减小在增大，在隧道与断层破碎带倾角90°相交时，拱顶沉降数值达到最小，为9.96 mm。仰拱隆起最大值出现在断层破碎带中间断面与隧道相交的拱底部位，且随着倾角的不断增大，仰拱隆起数值先减小后增大，在隧道与断层破碎带倾角90°相交时，拱顶沉降数值达到最小，为10.11 mm。因此，断层破碎带中间部位是隧道穿越断层破碎带过程中最危险的一段，应该做好预加固措施。

在倾角小于90°时，拱顶沉降最大值集中在断层带左侧，仰拱隆起最大值集中在断层带右侧；在倾角大于90°时，拱顶沉降最大值集中在断层带右侧，仰拱隆起最大值集中在断层带左侧，即在各倾角断层带工况下，拱顶沉降最大值总是位于断层带的下侧，而仰拱隆起最大值总是在断层带上侧。

当隧道穿越不同倾角的断层破碎带时，隧道各测点拱顶沉降位移如图6、图7所示。

由图6、图7可知，断层破碎带不同倾角情况下，拱顶沉降曲线经历“稳定变形-缓慢增大-突变变形-缓慢减小-稳定变形”5个变化阶段。

随着破碎带倾角不断增加，由于破碎带与拱顶接触位置不断延后，拱顶最大沉降值出现的位置也沿着

隧道轴线方向延后。隧道拱顶最大沉降值随着破碎带倾角的增加，呈现出“减小-增大”的趋势，在倾角为90 °时拱顶沉降值最小。

在断层破碎带倾角关于90 °对称下，进行拱顶沉降值的对比，可以看出，倾角越小沉降值越小，倾角越大沉降值越大；且随着2种倾角的差值越大，则2种倾角下的沉降值也越大。所以，在考虑控制围岩拱顶沉降变形时，从断层破碎带竖向角较小的一侧开挖好于竖向角大的一侧开挖。

当断层破碎带倾角不同时，其对前后围岩的影响区域不同，其倾角越小，其影响区域越大，且随着断层破碎带倾角的增大，影响区域呈现“减小-增大”的变化趋势，在30°与150 °时影响区域最大，约2.5倍洞径；90°时最小，约1.375倍洞径。

当隧道穿越不同倾角的断层破碎带时，隧道各测点仰拱隆起位移如图8、图9所示。

由图8、图9可知，断层破碎带不同倾角情况下，仰拱隆起曲线经历“稳定变形-缓慢增大-突变变形-缓慢减小-稳定变形”5个变化阶段。

随着破碎带倾角不断增加，由于破碎带与拱顶接触位置不断前移，仰拱最大隆起值出现的位置也沿着隧道轴线方向前移。仰拱最大隆起值随着破碎带倾角的增加，呈现出“减小-增大”的趋势，在倾角为90 °时仰拱隆起值最小。

在断层破碎带倾角关于90 °对称下，进行仰拱隆起值的对比，可以看出：倾角越小隆起值越大，倾角越大隆起值越小；且随着2种倾角的差值越大，则2种倾角下的沉降值也越大。所以，在考虑控制围岩仰拱隆起变形时，从断层破碎带倾角较大的一侧开挖好于倾角小的一侧开挖。

当断层破碎带倾角关于90°对称，断层带倾角为30°和150°时的仰拱隆起量最大，突变区域最大，约为2.25倍洞径；90°时最小，约为1.25倍洞径。

3"" 结语

（1）在倾角小于90°时，拱顶沉降最大值集中在断层带左侧，仰拱隆起最大值集中在断层带右侧；在倾角大于90°时，拱顶沉降最大值集中在断层带右侧，仰拱隆起最大值集中在断层带左侧，即在各倾角断层带工况下，拱顶沉降最大值总是位于断层带的下侧，而仰拱隆起最大值总是在断层带上侧。

（2）在不同倾角的断层破碎带下，拱顶沉降最大值总是位于断层带的下侧，而仰拱隆起最大值总是在断层带上侧，且拱顶沉降与仰拱隆起曲线都经历“稳定变形-缓慢增大-突变变形-缓慢减小-稳定变形”5个变化阶段。

（3）当断层破碎带倾角关于90°对称时，不同倾角下的隧道拱顶沉降和仰拱隆起在30°及150°时取得极大值，90°时最小；且当倾角不同时，对断层破碎带前后影响区域不同，主要呈现：“减小-增大”的趋势，在本数值模拟的不同倾角下表现为30°及150°时影响区域最大，90°时最小。

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