基于穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性探讨

黄 涛

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

0 前言

近年来，我国不断扩大高等级公路基础设施的建设规模，在这个过程中，人们对隧道项目提出了更高的要求，施工项目的难度系数越来越高，例如在建设隧道时经常会穿越断层破碎带。在正常情况下，断层破碎带之中大多都拥有非常松散的岩体，而且这些岩体的稳定性较低，受到外部因素干扰的概率较高，在施工中经常出现塌方等安全事故。所以，深入研究断层破碎带的问题及其对隧道施工的影响是非常有必要的。基于此，本文将探讨穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性的问题，希望能够借助相关措施帮助相关人员更好更安全的隧道施工环境。

1 掌子面稳定性研究成果概述

在开展隧道项目过程中围岩稳定程度是重要基础，在复杂地质、地貌、地理基础地区建设距离较长的隧道项目时，必然会存在各种不利地质环境和恶劣情形，有较大概率出现突涌水、山体塌方等自然灾害，在所有地质灾害源中断层破碎带较为常见。

王军杰等研究学者在开展求解分析的过程中合理利用了计算程序，借助算例计算出了在边界条件不同的情况下，相关人员支护浅埋隧道掌子面的反力系数，不但明确了隧道掌子面的失稳机理，还探讨了隧道掌子面的施工技术[1]。索超峰等通过对3DEC计算进行利用，完成了各种断层参照系数的模拟，例如断层的宽度、倾斜方向、倾斜角度及它们影响围岩的基本效用[2]。另外，还有部分学者借助ABAAQUS分析了在埋深不同情况下，掌子面所表现的各种稳定情况。在借鉴相关学者成功经验的前提下，本文将对离散元软件3DEC进行合理运用，分析在断层破碎带穿越时隧道掌子面位移变化情况。

2 影响隧道掌子面稳定性的因素

修建隧道过程中有很多因素可能对掌子面稳定性产生影响，为了深入分析隧道掌子面稳定性问题，相关人员需要对掌子面稳定性的作用机理和性质特点进行准确判断[3]。通过分析相关文献资料可知，主要有以下两方面因素会对隧道掌子面稳定性产生影响。

2.1 内部因素

2.1.1 掌子面的结构状态

分析掌子面结构状态也就是研究掌子面的完整程度或者破碎程度，它还包括岩体岩块之间的组成状态和岩块大小。岩体受到地质构造运动的影响将表现在岩体破碎程度上，岩体破碎程度会在较大程度上影响隧道掌子面的稳定性，岩体拥有越破碎的结构，掌子面发生变形破坏的概率就越大。岩石自身性质能够直接影响构造面的形式，在变质、风化、地震等作用的影响下会出现各式各样的结构面，所以相关人员应该深入研究在各种力学状态下的岩体结构面。在正常情况下，若是软弱结构面是以单一形式存在，并不会对掌子面稳定性产生严重影响，只有在存在多种不良结构面时才会对掌子面的稳定性产生严重影响。

2.1.2 初始应力状态

初始应力就是岩石在天然条件下拥有的内在应力，是构造运动在岩体中的应力残留，也被叫做残余应力、天然应力，同时其作为基本作用力在隧道初始应力状态中存在，继而为研究隧道掌子面稳定性提供支持[4]。地质构造状态不但会释放大部分应力扰乱初始应力，还会对岩体变形模量和强度产生影响，导致岩体力学机制受到破坏。在增加地应力过程中，会提升岩体的变形模量和强度，在破碎岩体中同样如此。所以，初始应力状态会在一定程度上影响隧道掌子面稳定性。

2.1.3 地下水状态

地下水活动不但会对岩体的强度和应力状态产生影响，也会在严重影响隧道掌子面的稳定性，结合相关工程实践可知，当存在地下水时会降低隧道掌子面岩石的级别，并且会在很多方面影响隧道稳定性，需要施工人员在相关地段采取有针对性的支护措施。在掌子面的地下水拥有潮湿、渗水、干燥3种状态，在隧道施工过程中，岩体就算存在于软弱破碎的不良地质，只要掌子面围岩的状态为干燥，这种不良地质也不能在很大程度上影响围岩稳定性，并且处理相关问题的难度也较低。相反，若是掌子面岩石的状态为渗水或者潮湿，地下水的动水压力和静水压力也会对掌子面的稳定性产生影响[5]。当存在静水压力后软弱结构也会在更大程度上影响掌子面的稳定性，会使掌子面出现滑落和坍塌的概率提升，同时当衬砌受到静水压力作用时，将会提升衬砌的额外荷载。所以，相关人员在开展衬砌和支护工作的过程中必须充分考虑静水压力的不利影响，这种情况会导致设计成本和设计难度提升。动水压力又被叫做渗透力，在水处于流动状态时会受到土体的阻力作用，同时也会带走一部分土体，在这个过程中会有一个拖曳力施加在土体骨架上，从而使土体有变形的情况发生。动水压力不但会导致岩体裂隙间的胶结物质受到冲刷，还会推动岩体移动，能够在一定程度上增加掌子面的破坏程度。

除动水压力和静水压力外，地下水的溶蚀、软化等作用也会在一定程度上影响岩石，在断层破碎带中会降低掌子面岩体强度。在开挖隧道时，地下水可能出现土体浸水泥化、岩块下滑等情况，这些问题会降低开挖后掌子面的稳定性，从而影响正常施工和隧道整体安全。相关学者的研究成果证实，在隧道掌子面稳定性受到地下水的影响方面几乎都是不利影响，如在以无水石膏、膨胀岩为主的围岩中，地下水会与这些岩石产生反应，将会提升地层压力；在以千枚岩、泥页岩为主的软弱围岩中，地下水流动会降低岩层硬度，从而使隧道洞身形状发生改变。

2.2 外部因素

2.2.1 工程因素

相关人员开展施工时，应该与隧道掌子面稳定性的实际情况相结合使用合理的施工工艺，若是隧道掌子面拥有较差稳定性，利用台阶法施工，必要时也可以按照正确的施工顺序开展分步开挖，特别是在断层破碎带开展隧道工程时也应该合理利用分布台阶法的施工方法。在支护形式方面，喷锚支护是较为常见的隧道工程支护方法，能够使掌子面卸荷的变形减缓，使掌子面的稳定性提升[6]。在设计工作中选择隧道断面尺寸和形状是非常重要的工作，通过分析实际工程情况可知，在拥有相同隧道掌子面的情况下，在不断提升跨度的过程中隧道横截面也会切割出越来越多的结构面，在这个过程中稳定性较差的岩块会增多，会在一定程度上提升岩体破碎程度，从而降低隧道掌子面的稳定性，使隧道施工安全受到影响。

2.2.2 时间因素

隧道掌子面的破坏和失稳需要经过一定的时间才能够得到展现，其中主要体现在以下两个方面：一是岩体的流变性质，在不改变岩体应力状态时掌子面的变形，或者是在时间越来越长的过程中，在变形约束的作用下不断降低岩体的应力和强度。在岩体中泥岩和黏土质岩石等存在明显的流变性质，并且在节理裂隙的影响下坚硬的火成岩也会有流变的现象出现。二是掌子面弱化，随着时间不断流逝，受到隧道开挖后地下水、湿度、温度等因素的影响，再加上施工时因为爆破冲击产生的振动都会导致掌子面的强度和刚度降低，会在一定程度上扩大破碎区的范围，提升岩体变形程度，对隧道掌子面的稳定性不利。

总之，有很多因素能够对隧道掌子面的稳定性产生影响，其中最主要的因素就是掌子面的地下水状态、初始应力状态及结构状态，特别是在断层破碎带区域。有时上述各种因素可能并不是以单一的形式出现，而是共同存在，在这种情况下将加剧影响程度[7]。所以，研究影响隧道掌子面稳定性的因素是非常有必要的，在满足相关条件的基础上应该尽量使各种因素形成相互影响和制约的局面，增加有利影响，限制不利影响，以此有效改善隧道掌子面稳定性。

3 隧道掌子面失稳的表现和支护注意事项

3.1 隧道掌子面失稳表现

对国内外地下巷道、隧道掌子面失稳的实际案例进行分析，可以得出以下结论，失稳隧道掌子面的岩性条件大多存在较低抗压强度，其中软弱围岩非常常见，它们大多属于公路隧道评价标准中的Ⅴ级及以下等级的围岩[8]。并且当掌子面稳定性丧失后，在较短时间内还会出现大变形现象，致使严重的塌陷和裂缝在地表产生、拱顶下沉速度提升等。

3.2 支护注意事项

在破碎带和土砂围岩中，提升掌子面稳定性具有非常重要的作用。在断层破碎带开展预加固工作时应该合理使用超前小导管的支护措施，借助此种措施能够使隧道前方岩体和超前注浆小导管形成一个成体，能够使掌子面松弛变形的情况得到抑制，从而提升施工作业安全性和掌子面稳定性。在实际开展施工时应该注意以下问题：一是确定超前小导管参数。在此过程中应该充分考虑隧道掌子面地质情况，然后与施工要求和设计要求相结合，确定超前小导管参数。在正常情况下，施工人员在布置超前小导管时应该将其布置在隧道轮廓线120°范围内，确定高于上台阶高度2 m的小导管长度；选择25～50 mm的小导管直径；保持10°以下的外插角；0．5～1．5 MPa的注浆压力；0．3～0．5 m的浆液扩散半径；300～100 L/min的注浆速度；小导管应该保持1～2 m的搭接长度。二是超前锚杆。在使用过程中主要用于拥有较少地下水、较差稳定性及较小应力的掌子面，在开展这种隧道工程施工时，除了尽量减少围岩扰动，还应该借助超前锚杆完成临时支护掌子面的工作。在使用这种支护方式时，相关人员需要沿着开挖隧道的轮廓线完成超前锚杆布设，在布设时保持6°～12°的外插脚，将锚杆安装在开挖面，至此支护施工顺利完成。三是超前大管棚。在断层破碎带拥有较长的长度时，开展超前小导管施工的施工工序也会增加，会导致施工进度延缓，当开展支护施工时可以使用超前大管棚的方法。由于在隧道施工中管棚需要保持3 m以上纵向搭接长度，所以在管棚加固长度和隧道开挖掌子面之间应该保持安全距离[9]。四是帷幕注浆。小导管注浆和超前管棚由于围岩和设备会影响帷幕注浆加固范围，虽然能够使围岩的承载力得到增强，但是这种支护方式会存在较长的施工时间。在拥有较高含水量的软岩破碎带，难以充分发挥帷幕注浆法的作用，所以在这种区域，应该在不改变施工方案的基础上，注重围岩自承能力的提升，可以对深孔预注浆措施进行合理利用。五是径向注浆施工。在开展隧道施工时，若是发现有呈破碎状态或者渗水滴水的情况在掌子面出现时，应该采取注浆的方式加固洞身径向小导管，使掌子面和围岩的稳定性得到提升，从而有效避免掌子面有失稳现象出现[10]。在这个过程中施工人员需要与施工图纸和围岩特性相结合对注浆施工的参数进行合理调整。

4 分析穿越断层破碎带时隧道掌子面稳定性

4.1 3DEC计算原理

3DEC是基于二维离散元软件UDEC优化而来的。离散单元法的计算原理是以牛顿第二定律为基础，假设岩石在经过节理裂隙切割后为刚体，与整个岩体的节理裂隙相结合岩石块体为互相镶嵌排列，每个岩块在空间中都为平衡状态且拥有独特的位置。在改变位移约束条件或外力时，在外力和自重的影响下块体将有转动和移动的情况产生，则会改变块体的空间位置，在这个过程中也会改变相邻块体的位置和受力，严重时还会致使块体重叠。随着时间延续或约束条件变化或外力变化，位置发生变化的块体将越来越多，完成各个块体转动和移动的模拟，甚至能够完成岩体损坏情景的模拟。

4.2 数值模拟分析

4.2.1 计算模型构建

数值模型确定以下的规模参数范围：Z=70 m，Y=62 m、X=72 m。同时，数值模型的宽度使用X表示，数值模型的纵向用Y表示，数值模型的高度用Z表示。断层大约拥有10 m的宽度、0°的倾向、60°的倾角。使用C30等级的混凝土完成衬砌施工，整体拥有0．4 m的厚度。另外，整个隧道拥有34．5 m的平均深程。

4.2.2 材料的参照系数选择

在开展计算数值模型的工作时，相关工作人员选择为Ⅴ级等级的围岩，同时选择1/4的Ⅴ级围岩作为断层材料参照系数，利用摩尔-库伦模型作为岩块块体的模型。在这个过程中，通过如下两个公式表示材料的剪切模量G和材料的体积模量K：

在以上公式中，围岩的弹性模量用E表示，泊松比用v表示。

最终在本次研究中使用表1所示的材料参照系数。

表1 材料的参照系数

4.3 分析数值模型计算结果

4.3.1 分析初始地应力状态

在获取隧道挖掘数值的过程中分析初始地应力状态非常重要，在对地应力状态进行判断时，首先应该保证最初的位移和最初地应力应该拥有为0的取值，而当拥有34．5 m左右的埋深时，在不断提升地层深度数值的过程中，也会不断提升地应力，这能够使实际的发展规律得到满足。而在正式挖掘前拥有取值为0的竖向位移，同样能够使计算的标准要求得到满足。

4.3.2 分析掌子面开挖时的位移情况

分析相关的断面位移云图可知，在断层区，在接近隧道中心位置的地点会出现最大的掌子面突出位移，并且出现位置大部分为与断层交接的位置。

4.3.3 对比断面开挖处掌子面位移情况

监测点设置在断面10 m、24 m、30 m、34 m、40 m、50 m处，然后记录数据与分析监测点位移变化情况，最终结果如下：①在真正进入断层前，也就是y取值为0～24时，掌子面拥有较为相似的变化规律，其中在隧道断面中心的位置会出现最为明显的位移。所以在作业过程中，应该尽量对预留核心土开挖施工手段进行合理利用，可以大幅度缩减掌子面位移程度，从而使工程变得更加稳定。②在断层位置，也就是y取值为24～34时，隧道掌子面会出现非常明显的位移，在断面为24 m时为最大值。同时，分析研究结果还发现，在相关人员不断推进隧道开挖进程时，会逐渐减少破碎地带开挖土量，在这个过程中也会渐渐降低断面监测点变形程度。所以，在不断推进隧道纵向开挖进程的过程中，会不断缩小各断面掌子面相对应监测点位移情况。但是，由于可能出现倾斜断面，导致各个掌子面和断层交接的位置大多为掌子面的脆弱位置，将会不断降低位移程度。由此可知，在施工的过程中，当工作人员需要处理断层破碎带问题时，首先应该对掌子面的稳定性开展综合考量，特别是需要充分重视掌子面和断层交接位置的稳定性。③在穿越断层后，也就是y取值为34～60时，与断层前的掌子面监测点位移相比，断层后位移拥有相似性，在隧道断面的中心位置存在最突出的位移情况。

5 结语

综上所述，在本次研究中借助数值模拟研究了穿越断层破碎带时掌子面稳定性的问题，最终得出了以下结论：①在没有处于断层区时，在断面的中心位置会发生最明显的位移情况，并且在不断推进开挖工作的过程中，与先开挖的掌子面相比，后开挖的掌子面明显拥有更大的位移。当拥有较弱的围岩强度时，在开展施工前应该利用合理的施工方法开展加固工作，如打锚杆、超前小导管等。②在处于断层区时，在断层与掌子面的交接位置会出现最明显的掌子面位移，并且相对来说拥有较大的位移值，正常情况下与断层区外相比会拥有高出1．5～4倍的位移值，需要相关人员充分重视，合理利用锚杆、超前支护等措施，能够为施工安全提供有效保障。