断层破碎带倾角对隧道围岩位移的影响研究

田伯科，余 平，王宝东，李金永，王凯乐

(1.中铁七局集团第三工程有限公司 西安市 710032；

2.中铁七局集团有限公司 郑州市 450016；
3. 东北大学 资源与土木工程学院 沈阳市 110819)

断层破碎带是工程中常见的一种不良地质条件，由于破碎带内岩体一般松散破碎、自稳能力差，容易发生塌方事故[1]。邵勇等[2]通过FLAC3D有限元软件分析了断层破碎带的存在对隧道开挖的影响情况，结果表明：断层破碎带处，围岩位移和应力分布在断层破碎带的影响下，都发生了明显的改变。其中，围岩变形相比附近区域有明显增大，竖向应力增大而水平位移减小。刘恺[3]模拟隧道穿越断层破碎带不同倾角时在断层处发生破坏的内部机制，通过对比隧道围岩和支护结构的位移、应变、塑性区变形和主应力大小来判断隧道围岩稳定性，结果表明，隧道围岩的应力应变最大值和位移最大值均在倾角30°时取得最大，倾角90°时最小。蒋建平等[4]模拟研究改变断层倾角对围岩稳定的影响，结果发现，当倾角为53°时，围岩应力与位移等安全系数开始发生转折，这个转折对围岩稳定、位移、应力有非常大的影响。刘学增等[5-7]通过物理模型试验，研究隧道在穿越不同断层倾角的应力应变机理，通过在隧道内部布置仪器监测各点的应变值和压力值，分析隧道围岩的纵向应变、环向应变、围岩压力和破坏形态，得出了隧道围岩变形主要发生在断层错动区域是由于地层结构和永久变形的共同作用结果。隧道监测的围岩压力值、围岩的变形情况和破坏形态都会受到岩层破碎带倾角的影响。李文华等[8]通过三维有限元分析研究不同断层倾角对隧道围岩稳定性的影响，结果表明断层破碎带对隧道围岩稳定性影响较大，处于断层破碎带两侧位置的隧道围岩位移出现下盘影响很大，上盘影响较小。因此隧道在开挖选线不可避免遇到断层破碎带时，应尽量从断层上盘穿过。

基于控制变量法，对隧道穿越不同断层破碎带倾角对隧道围岩稳定性的影响进行研究。此时，控制断层倾向始终与隧道开挖方向垂直，断层厚度保持在15m，断层倾角则由60°以10°为增量逐渐增加至90°。

五道岭隧道位于本溪至集安髙速公路桓仁至集安段，隧道净宽10.75m，净高5.0m。隧道走向41°，略具弧形，位于集安市榆林镇样子沟村东五道岭，为分离式长隧道，左幅最大埋深184m，右幅最大埋深180m。

根据地质勘察资料，五道岭隧道围岩主要由混合花岗岩组成。岩体的风化具有明显的地域特征，隧道进口侧岩体节理裂隙极发育，结合一般，风化作用剧烈，全风化层一般小于3m，强风化层厚度5～30m，岩体碎裂状结构，自稳能力差，钻探扰动后岩芯多呈碎石状；
中风化层岩体，呈块体结构，岩体较完整，局部节理裂隙较发育，呈碎块状镶嵌结构，岩体中地下水富水性贫乏。据物探和地调成果，五道岭隧道共有八条不同厚度断层破碎带，围岩处于岩体极破碎、透水性强状态。

2.1 模型参数选取

根据五道岭隧道现场勘察结果，并结合现场施工情况，得到的模拟土层和支护结构的物理力学参数如表1所示。

表1 模型物理力学参数

2.2 计算模型建立

通过选取依托工程隧道右洞F7断层建立三维计算模型，隧道模型长80m、宽50m以及高100m，均为3～5倍洞径，隧道埋深为70m。建立的三维数值分析模型如图1所示，该模型共有71236个单元，41671个节点。

图1 三维计算模型

通过选取四个断层倾角(断层厚度统一为15m)：60°、70°、80°、90°进行计算分析。通过分析各种工况下围岩位移研究不同断层倾角对围岩变形影响规律，以此判断对隧道围岩稳定性的影响。

3.1 围岩竖向(Z方向)位移分析

图2为隧道每次开挖进尺为1.0m时，不同断层倾角对应的隧道断层破碎带附近区域竖向位移云图。

图2 隧道纵剖面竖向位移云图

由图2隧道纵剖面竖向位移云图可以看出，隧道围岩上部由于自身重力作用而产生向下的变形，围岩下部由于上覆土体移除而发生了卸荷作用，以至于仰拱四周的岩体向上发生突起。隧道围岩竖向位移值在断层破碎带前后发生了很大的变化，之所以会发生突然增大，主要是由于断层破碎带处的岩体相对松散和破碎，隧道在开挖掘进过程中很容易受其影响，导致隧道围岩在此处竖向位移值较大。当断层倾角分别为60°、70°、80°和90°时，隧道围岩拱顶处竖向位移最大值分别为-15.603mm、-12.942mm、-11.555mm、-11.104mm，仰拱处竖向位移最大值分别为20.955mm、16.530mm、14.127mm、13.021mm，由此可知，随着断层倾角的不断增大，隧道围岩的最大竖向位移绝对值却逐渐减小。通过分析可知，当断层倾角由60°增加到70°以及由70°增加至80°时，拱顶沉降分别减小了17.05%和10.72%(仰拱隆起减小了21.12%和14.54%)，当断层倾角由80°增加至90°时，拱顶沉降最大值却仅仅减小了3.9%(仰拱隆起仅减小了7.83%)。可见，在隧道开挖掘进选线时，应尽量以大角度穿越断层破碎带。

3.2 围岩水平(X方向)位移分析

图3为隧道每次开挖进尺为1.0m时，不同断层倾角对应的隧道断层破碎带附近区域水平位移云图。

图3 隧道横向水平位移云图

由图3隧道横向水平位移云图可以看出，隧道开挖顺利穿过断层破碎带后，虽然断层的倾角不断增大，但是在断层破碎带两侧隧道围岩周边收敛值却大致相同，因此仅对隧道一侧水平位移最大值进行对比分析。周边收敛最大值在断层破碎带核心位置处，距离断层破碎带越近，围岩变形越大。可见，在隧道开挖掘进时，断层破碎带段是变形控制的重点关注区域。当倾角分别60°、70°、80°和90°时，隧道左侧围岩水平位移依次为8.990mm、6.739mm、5.587mm、4.858mm(隧道右侧水平位移依次为-9.144mm、-6.853mm、-5.519mm、-4.609mm)。可见，随着断层倾角的不断增大，隧道左右两侧围岩的水平位移值越来越小。因此，在隧道开挖掘进过程中，断层破碎带的倾角越大能更好地降低隧道围岩水平位移值。

利用有限元软件Midas对五道岭隧道不同断层倾角引起的隧道围岩位移进行分析，得到以下结论：

(1)隧道在开挖掘进过程中，隧道围岩位移受断层破碎带影响很大，断层破碎带段是围岩位移控制的关键区域，隧道围岩最大拱顶沉降值和周边收敛值都在断层破碎带处。

(2)通过对断层破碎带倾角为60°～90°的数值模拟分析发现，隧道围岩竖向位移值、水平位移值均随着断层破碎带倾角的增大而减小，在断层倾角为90°时取得最小值。

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