畢旭冰 吳孝清 劉勝春

（1.南陽市公路管理局 南陽 473000； 2.武漢理工大學理學院 武漢 430070；3.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室 北京 100044）

斷層及其破碎帶是隧道開挖過程中常見的不良地質現(xiàn)象，是因地殼變動使地層巖體沿破裂面發(fā)生明顯位移或較大錯動的斷裂構造。它的分布區(qū)段是隧道圍巖不穩(wěn)定的區(qū)段之一［1］。在多數(shù)情況下，斷層破碎帶是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在的，與其兩側巖體在物理力學特性上具有顯著的差異［2］。隧道在穿越破碎帶時，經(jīng)常發(fā)生巖體沿軟弱結構面滑動、坍塌或涌水現(xiàn)象，這是事故多發(fā)的險要地段。它不僅破壞了隧道的穩(wěn)定性，而且直接影響了開挖速度。因此隧道在穿越該地段時，除遵守一般技術要求外，還應采取針對性較強的輔助方法。

1 斷層破碎帶對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響

隧道周圍的巖體強度由于斷層破碎帶等結構面的存在而大為降低，其主要原因為軟弱結構面的存在破壞了巖體的完整性、降低了巖體的整體強度；而結構弱面的特征決定了其抗滑阻力的大小，并在一定意義上決定著隧道整體的穩(wěn)定性。隧道穿越斷層，尤其是破碎帶的斷層，開挖難度較大。破碎帶規(guī)模一般寬度較大，它包括破碎帶自身的寬度以及一個比破碎帶自身的寬度大得多的影響帶。此外，由于破碎帶伴有顯著的黏土化和涌水，突破它時可能噴出大量涌水和土砂，造成圍巖失穩(wěn)及支護變形破壞。

斷層對隧道穩(wěn)定性的影響與斷層規(guī)模、斷層本身的特點及組合情況有關。斷層的性質、產(chǎn)狀，斷層兩側地層的巖性、巖體質量、斷面形態(tài)、斷層破碎帶的寬度、層泥存在與否以及斷層的導水性等都不同程度地影響隧道結構，導致其變形破壞。從以上分析可知，斷層破碎帶對圍巖穩(wěn)定性影響較大，作用機理較復雜，需提前對斷層破碎帶區(qū)域的地質、工程、應力、水環(huán)境等對隧道開挖洞周圍巖的影響規(guī)律進行系統(tǒng)研究以及提早制定相應的隧道失穩(wěn)防治對策。

2 史家山隧道斷層破碎帶穩(wěn)定性分析

2.1 史家山工程概況

史家山2號隧道為分離式右幅，起訖樁號為K4＋007～K5＋002，全長995 m。隧道位于丹城西部，大致沿東西向展布，橫穿山丘，山頂最大高程約249.68 m，隧道最大埋深約212 m，設計為單向雙車道隧道（起點范圍路段為小凈距隧道）。受已建史家山隧道地形等控制節(jié)點的限制，隧道戴港端為曲線隧道，隧道縱坡較大，已建的史家山隧道全長921 m，隧道凈寬10.25 m，為直墻式單向雙車道隧道，洞內路面橫坡為2%雙向橫坡，洞門均為城墻式洞門。待本項目建成后，2隧道構成上下行分離式雙向行駛隧道。

2.2 工程水文地質概況

隧道區(qū)地形高差大，地表徑流條件良好，地下水補給條件差，富水性、透水性相對較弱，總體來說，隧道區(qū)地下水類型主要為第四紀松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和構造裂隙水，水量較貧乏，水文地質條件較簡單。線路調查過程中表明地表覆蓋層厚度較大，未發(fā)現(xiàn)斷裂構造帶露頭。根據(jù)工程地質勘察報告資料顯示，線路測區(qū)范圍內（線路左右500 m范圍）存在的斷裂構造帶共有5條，隧道通過F4及F5，2條斷裂構造帶間隔較近，巖體破碎，呈碎塊～鑲嵌碎裂結構，自穩(wěn)能力較差，易掉塊、崩塌等，綜合判定為V級圍巖。

2.3 斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

2.3.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

根據(jù)工程實際圍巖情況建立隧道穿越F4及F5斷裂構造帶模型，并用六面體單元劃分網(wǎng)格，見圖1。

圖1 隧道模型

根據(jù)錨固方法的特點并結合該隧道圍巖實際條件，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬計算［3］。它采用的是三維顯式有限差分法程序，可以模擬巖土及構筑于巖土中的工程結構的三維力學行為。FLAC 3D軟件的基本原理是拉格朗日差分法，它是一種利用拖帶坐標系分析大變形問題的數(shù)值方法，并利用差格式按時步積分求解。隨著構形的不斷變化，不斷更新坐標，因此它允許介質有較大的變形，適用于分析大變形問題。根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)，為模擬隧道開挖以后有斷層破碎帶影響和支護以后的圍巖變形及應力分布，并與無斷層破碎帶時進行比較。隧道凈寬10.25 m，凈高5.0 m，隧道地表為斜坡形，最大埋深為162 m，最小埋深為38 m。模型寬度根據(jù)圣維南原理，模型左右寬度各取隧道開挖寬度的3～5倍，綜合考慮取寬度117 m，以保證計算的精度。

模型的上表面為地表，設為自由面，不做約束，2個側面約束水平位移，底面約束垂直位移。

2.3.2 屈服準則與物理力學參數(shù)

該隧道巖體以花崗巖為主，屬彈塑性材料，計算采用Mohr-Coul o mb屈服準則：

式中：σ1，σ3分別為最大最小主應力；c，φ 分別為材料粘聚力和內摩擦角。當fs≥0時，材料發(fā)生剪切破壞。材料在達到屈服極限后，在穩(wěn)定的應力水平下產(chǎn)生塑性變形，在拉應力狀態(tài)下，若拉應力超過材料抗拉強度，材料發(fā)生受拉破壞。

模型采用摩爾庫倫塑性本構模型，計算參數(shù)見表1。

表1 計算采用巖體力學參數(shù)

2.3.3 計算方案

為了監(jiān)測拱頂和仰拱的位移收斂情況，分別在拱頂和仰拱中心位置取2個樣點進行分析。①無斷層破碎帶時的數(shù)值計算及分析；②有斷層破碎帶全斷面開挖的數(shù)值計算及分析；③有斷層破碎帶臺階法開挖的數(shù)值計算及分析。

3 計算結果分析

3.1 無斷層破碎帶時的數(shù)值計算及分析

無斷層破碎帶時位移云圖見圖2。

圖2 無斷層全斷面開挖位移圖

由圖2可見，隧道圍巖向洞內發(fā)生徑向位移，隧道拱頂最大沉降位移為6.1 mm，仰拱最大隆起位移為16.1 mm。隧道開挖前圍巖處于平衡狀態(tài)下，開挖破壞了圍巖的原始平衡，應力重新分布引起了隧道徑向的變形。然而此時在不考慮斷層破碎帶時，圍巖在支護下可以穩(wěn)定。

3.2 有斷層破碎帶全斷面開挖的數(shù)值計算及分析

有斷層破碎帶全斷面開挖的計算結果見圖3。

圖3 全斷面開挖位移圖

由圖3可見，隧道發(fā)生了徑向位移，相應的關鍵斷面的拱頂沉降為21.8 mm，拱底最大隆起位移為11.3 mm。對比不考慮斷層破碎帶的結果可以看出，拱頂沉降是不考慮斷層破碎帶的3.57倍，由于斷層破碎帶的存在，影響了圍巖的整體穩(wěn)定性。在工程上，斷層的存在導致巖體破碎，質量差，易失穩(wěn)，剝落面積及深度大，隧道在此影響下產(chǎn)生較大變形。

3.3 有斷層破碎帶臺階法開挖的數(shù)值計算及分析

有斷層破碎帶臺階法開挖的計算結果見圖4，此處采用上臺階法［4］。

圖4 臺階法開挖位移圖

由圖4可見，隧道發(fā)生了徑向位移，相應關鍵斷面的拱頂沉降為14.8 mm，拱底最大隆起位移為23.7 mm。對比有斷層破碎帶全斷面的計算結果可以看出，拱頂沉降降低了32%。因此在此工程情況下采用相同支護條件臺階法，可以較好地控制圍巖的變形，減少塌方等自然災害的發(fā)生。當然也需注意，此時仰拱隆起達到最大值，因此在開挖施工時，為控制隆起變形、改善結構應力條件，仰拱曲率一定要開挖到位，同時加強監(jiān)控測量，動態(tài)掌握變形情況，確保施工安全。以上各工況豎向位移值見表2。

表2 各工況豎向位移值 mm

通過對比不考慮斷層破碎帶下全斷面開挖、考慮斷層破碎帶全斷面開挖和考慮斷層破碎帶臺階法開挖，可以看出斷層的存在影響了圍巖的整體性，造成圍巖質量的降低；從拱頂沉降可以看出，斷層破碎帶的存在使拱頂變形增加了3.57倍。而如果采用臺階法開挖可以減小斷層破碎帶的影響，相比斷層破碎帶全斷面開挖的情況，拱頂沉降可以減少32%。因此史家山2號隧道在穿越F4和F5斷層破碎帶時，宜采用臺階法開挖。

4 結語

本文就斷層破碎帶對隧道穩(wěn)定性的影響機理進行了探討。針對史家山2號隧道地質情況，通過數(shù)值分析，對比了無斷層破碎帶和有斷層破碎帶不同開挖方法工況對圍巖穩(wěn)定性的影響。計算及分析表明，斷層破碎帶的存在對圍巖的穩(wěn)定性影響較大，在施工中應引起足夠的重視。其次，在遇到斷層破碎帶時采用臺階開挖方法可以減小斷層破碎帶對圍巖的影響。

［1］ 黃成光，于敦榮.公路隧道施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 楊會軍，胡春林，堪文武，等.斷層及其破碎帶隧道信息化施工［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（22）：3917-3922.

［3］ 朱建明，徐秉業(yè)，朱 峰，等.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中應用［J］.中國礦業(yè)，2000 （4）：78-81.

［4］ 王魯南.隧道穿越斷層破碎帶施工風險分析及圍巖變形規(guī)律研究［D］.濟南：山東大學，2012.