斜穿不同倾向断层破碎带围岩变形特性分析

谢义正 陈林杰

（1.绵阳市涪城区市政工程建设维护中心，绵阳 621000；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

断层破碎带影响岩体的完整性，导致断层面和破碎带强度远低于基岩部位强度［1］。工程领域中，因为断层破碎带的强度低、压缩性大，易造成隧道支护的较大变形，同时也因为破碎带岩体的不均匀性，也容易在隧道施工过程中产生不均匀沉降。

许多学者在隧道穿越断层破碎带方面做了大量相关研究［2］，主要结合工程实践研究施工过程中围岩稳定性机理、应力应变特征及施工技术等方面。

也有部分学者针对断层的产状要素做了相关研究，焦鹏飞等［3］利用FLAC3D 有限差分软件，设计不同倾角模型组，分析由地震引发的逆断层错动作用对正交穿越断层的隧道结构影响理论分析。刘礼标等［4］分析不同断层走向时隧道在地震作用下的响应规律及破坏机理，研究隧道的加速度反应、动应变及围岩动土压力的变化规律和隧道的动态破坏形态。张云飞等［5］进行了断层错位量对跨断层隧道影响的模型试验，得出结论为：不同错位量下，隧道衬砌拱腰的纵向应变分布规律一致，隧道衬砌应变和位错量呈正相关；破碎带两侧不同盘处的隧道衬砌的应变呈现反对称分布；应变最大位置处即在断层破碎带处。蒋建平等［6］通过分析正断层倾角变化对其下盘隧道围岩的影响，得出倾角的变化对隧道围岩的位移、应力和稳定性都有重要的影响；在之后的两年，蒋建平［7］又分析了逆断层下盘开挖时距离对隧道围岩的影响，总结出随着隧道离断层距离的不同，断层对隧道围岩的影响也不同。卢伟等［8］针对隧道穿越断层破碎带时的围岩时空效应特征，通过数值模拟、现场监测、参数反演等理论分析方法，总结了断层破碎带隧道围岩变形的时空方程。刘学增等［9］通过进行模型试验，研究了逆断层黏滑动错动对断层隧道影响的机制。

但目前来看，学者们在断层面产状要素上的分析并不多，且大多集中在倾角方面，而倾向方面的研究还相对较少。此外，工程中隧道大多数是非正交状态下的穿越条件，由此开展隧道斜穿不同倾向条件下断层破碎带的研究，在工程领域的隧道发展中，有相当重大的现实工程意义。

1 项目概况

依托工程项目为贵州省纳雍至赫章高速公路某隧道，其为分离式隧道，起止桩号为ZK5+390～ZK9+477，全长4 087 m。

其中，ZK8+450～ZK8+950 段长500 m，埋深311.9～403.9 m，隧道围岩为中风化灰岩、白云岩、砂岩、泥岩夹炭质，局部夹劣质煤层，岩质软硬不均，岩石单轴饱和抗压强度Rc=15 MPa，岩体破碎，岩石完整性指标Kv=0.3，地下水影响修正系数K1=0.6，岩体修正质量指标［BQ］=160，围岩级别为Ⅴ级。该段隧道以305°纵断面方向穿越断层F2、影响波及可溶岩段，物探揭示多处低阻异常，施工过程中，易发生大变形及涌水、突泥等突发情况。

断层F2 产状为270∠70°～80°，岩体结构强度与完整性差，自承稳定性较低，在断层破碎带的影响区域内，岩体破碎，裂隙发育，有较好的储水性和导水性，施工中该区域采用台阶法开挖。

2 数值模拟内容及设计

2.1 模型假设

采用MIDAS GTS 有限元数值模拟软件进行分析，研究中所考虑的假定条件如下：

（1）由于断层破碎带内的岩体没有显著的方向和连续性，为简化计算，破碎带的力学行为考虑为各向同性的均质连续体，岩层均服从莫尔-库仑屈服准则，服从弹塑性本构模型。

（2）断层基岩为均质各向同性介质，为理想弹塑性体。

（3）围岩岩性不受开挖扰动和水文影响。

（4）隧道的围岩变形不考虑时空效应。

2.2 模型几何尺寸设计

依托隧道项目，考虑到隧道埋深较深，结合研究侧重点为断层面产状要素-倾向，由于断层的影响范围只是局限于断层上某一区域，因此依托项目该断层的其余参数，设置不同的倾向要素。

综合考虑，建立有限元模型，沿隧道轴线方向长度为300 m，横断面80 m×80 m，尺寸外上覆岩土体折算为压应力。考虑F2 断层倾角75°，破碎带带宽10 m，分别设倾向225、240、255、270、285和300共六组模型（设置原因如图4所示）。计算模型的具体几何参数如图1—图3所示（以项目断层F2倾向270为例），具体研究的参数见表1。

表1 工况参数表Table 1 Working condition parameter table

图1 模型整体几何尺寸Fig.1 Overall model geometry

图3 倾向270断层-隧道空间位置关系上视图Fig.3 Tendency to 270 fault-the upper view of the spatial position of the tunnel

图4 断层走向-断层倾向-隧道夹角α的空间位置关系Fig.4 Spatial position relationship between fault trend，fault tendency，tunnel angle α

由图4 所示的断层走向-断层倾向-隧道夹角α 的空间位置关系可以看出，倾向的指向为第一象限图（b）与第四象限图（d）时，对隧道的影响其实是对称关系；而对于第一象限图（b）倾向指向，若将图（b）倒过来看，可以发现其与第三象限图（c）隧道的不同之处，仅是隧道掘进线的方向相反，隧道与破碎带的斜交关系和断层上下盘的位置关系并没有变化。因而根据对称性质，研究对象可以将方向为360°的倾向条件简化为90°范围。

2.3 支护体系

断层F2 处隧道的支护体系中，初支采用喷锚钢筋网支护，采用C25 喷射混凝土，厚度24 cm，钢筋网采用Φ8，间距20 cm×20 cm；系统锚杆采用中空锚杆Φ25，长3.5m，间距100 cm×80 cm；超前支护采用小导管注浆，小导管为Φ42×4，长3.5 m，间距40 cm×240 cm；钢拱架采用型钢I18，间距80 cm；二次衬砌采用C45 钢筋混凝土，厚度为60 cm，主筋采用20 mmHRB400，间距25 cm，纵筋为12 mmHRB400，间距30 cm，箍筋为8 mmHPB235，间距20 cm×60 cm。

考虑到锚杆加固的效果，为简化模型计算量，参考黄锋等［10］的研究方法，将锚杆加固的模拟改为锚杆影响区的岩体加固效果，与真实作用较为相似。考虑锚杆加固区设置为锚杆长度为3.5 m，衬砌与设计资料相同，如图5所示。

图5 隧道锚杆支护效果Fig.5 Tunnel bolt support effect

2.4 计算参数

依托工程资料，设置隧道围岩及破碎带相关岩土体力学物理参数，均考虑为服从各向同性摩尔-库伦屈服准则，见表2。

表2 岩层材料参数Table 2 Rock formation material parameters

锚杆的受力特征主要表现为悬吊、组合梁及加固拱的效应，在安装耦合之后，将与围岩共同受力变形，具体则体现为岩体的弹性模量E和峰值抗压强度Rc的增加［9］。

由吴文平等［11］的解析式，锚杆-围岩复合结构体的变形参数中，围岩屈服前、后的弹性模量计算式见式（1）：

初期支护的钢筋结构，通过面积关系进行换算得到初期支护整体的弹性模量，解析式见式（2）：

由张军伟等［12］的研究结果，锚杆对掌子面核心土体的加固能够提高岩土力学指标，其中，黏聚力c能够提高约26.5%，摩擦角φ能够提高约66.9%，单抽抗压强度Rb能提高约13.0%。

考虑到超前支护采用小导管注浆的方式能够改善土体的力学参数，而围岩弹性模量的增加能有效提高支护效果，将小导管注浆和二衬里钢筋所增加的弹性模量忽略，作为隧道支护体系的后备安全。故综合考虑，隧道支护参数见表3。

表3 支护材料参数Table 3 Supporting material parameters

考虑到断层倾向条件改变隧道斜穿条件后，各工况的复杂性以及破碎带-隧道相接触的土方规律性不强，故根据表1 的工况，分别提取拱腰的破碎带长度与拱顶、拱底破碎带长度，依据式（3）—式（6）将其比值作为隧道破碎带腰顶比k、隧道破碎带腰底比h和破碎带拱顶延伸率g、破碎带拱底延伸率m，各参数的计算结果见表4。

表4 破碎带-拱腰与拱顶长度比Table 4 Broken Belt-Length Ratio of Waist to Vault

式中：k为隧道破碎带腰顶比；h为隧道破碎带腰底比；g为破碎带拱顶延伸率；m为破碎带拱底延伸率；ly为拱腰的破碎带长度；la为拱顶的破碎带长度；lb为拱底的破碎带长度；l0为破碎带带宽。

3 计算结构及分析

通过对表1 中隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下的数值模拟参数条件进行计算机运算分析，得到如图6 所示的纵断面方向上围岩竖直位移和水平位移云图。

图6 隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下纵断面方向的竖直和水平位移云图Fig.6 Vertical and horizontal displacement cloud map of longitudinal section direction under different inclination conditions of tunnel oblique fault fracture zone

3.1 拱顶沉降

图7 为隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下围岩拱顶沉降趋势图。

图7 不同倾向断层拱顶沉降Fig.7 Settlement of fault vaults with different inclinations

从图7 中可以知道，除倾向条件为225 和240外，其他条件下拱顶的沉降范围和位移值变化较小，而倾向225和240与其他条件下的区别在于沉降位移的影响范围更大，且倾向条件为225 时影响范围最大。此外结合表4 可以得出，断层倾向改变引起隧道拱顶处破碎带长度的增加，当控制拱顶延伸率g在155.6%以内（即走向线-隧道夹角α>40°），倾向改变所引起的拱顶沉降范围几乎不变；而当这个增加的拱顶延伸率g超过155.6%后（即走向线-隧道夹角α<40°），能够引起拱顶的沉降范围的明显变化。

图8 为图7 中所提取的围岩最大拱顶沉降峰值，和表4 中所提取的隧道不同倾向条件下的拱顶延伸率g的数据，通过处理作出隧道穿越断层破碎带不同倾向条件下的围岩沉降峰值与拱顶延伸率的比对趋势图。

图8 拱顶沉降峰值与拱顶延伸率gFig.8 Vault settlement peak and vault elongation（g）

从图8 中可以看出，倾向引起的拱顶破碎带长度变化的拱顶延伸率g对拱顶沉降的峰值呈现负相关的关系。在图8 所示的结果中，围岩的拱顶沉降峰值随着拱顶延伸率g的增加而减小。这是由于拱顶延伸率可以表示隧道-破碎带由正交状态（α=π2）到隧道-破碎带平行状态（α=0）的一种变化关系，而在g由1 变大的过程中，隧道受力由正交状态下破碎带围岩与支护共同的二维受力状态，逐步转变为破碎带围岩、支护与坚固基岩共同的三维受力状态，因而围岩拱顶沉降的峰值会随着拱顶延伸率g的增大而减小。

3.2 拱腰收敛

图9 为隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下围岩拱腰收敛的趋势图。

图9 不同倾向断层拱腰收敛Fig.9 Convergence of arch waist of faults with different dips

从图9 中可以发现，不同倾向条件下，隧道围岩拱腰收敛分布极其不均匀。相同之处是各曲线均在破碎带处出现了基岩-破碎带内围岩拱腰收敛分布不均匀的趋势；而不同之处不仅是数据的数值上的差异，在各个倾向条件下的围岩拱腰收敛峰值和影响范围也都有所不同。

图10 为图9 中围岩拱腰收敛的峰值与表4 中腰顶比k的数据绘制而成的：隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下的围岩拱腰收敛峰值与腰顶比k的对比趋势图。

图10 拱腰收敛峰值与腰顶比kFig.10 Convergence peak of waist arch to waist-to-ceiling ratio（k）

从图10 中可以看出，隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下围岩拱腰收敛与腰顶比k呈负相关。这是由于不同斜穿条件下，隧道与破碎带接触的尺寸有所变化，因而与图10 中所示的围岩拱顶沉降较为类似。主要原因是隧道随着腰顶比k的变化，会由破碎带围岩与支护的二维受力状态，逐步转变为破碎带围岩、支护与坚固基岩的三维受力状态，因而围岩拱腰收敛的峰值会随着而产生变化。值得注意的是，这种三维受力状态下的围岩拱腰收敛峰值在恰当的斜交条件下才能有最优的结果。

3.3 底鼓位移

图11 为不同倾向条件下位移的底鼓位移沿掘进线方向上的变化量趋势。

图11 不同倾向底鼓位移Fig.11 Kick drum displacement for different inclinations

从图11 中可以发现，各个工况条件围岩底鼓峰值几乎无明显变化。同时结合表4 可以发现底鼓位移变化量的影响范围，拱底延伸率m在122.1%以内时，底鼓位移量的影响范围无明显差异；而当拱底延伸率m超过122.1%时，底鼓位移量的影响范围出现明显差异，且底鼓位移量的影响范围随着走向-隧道α的增大而减小。

为进一步分析围岩底鼓位移的数值关系，考虑分析上、下盘的位移波动变化情况，采用后一段面位移量与前一断面位移量差值与前一断面位移量所得差值的比值作为位移的变化速率v，并以此来反映围岩不均匀位移的分布情况，见式（7）：

式中：v为位移变化速率；dB为后一段面位移值；dA为前一段面位移值。

通过式（7）处理图11中的数据，得到如图12所示的不同倾向条件下围岩底鼓位移的变化速率。

图12 不同倾向底鼓位移变化速率Fig.12 The rate of change of the displacement of the kick drum with different inclinations

为研究其分布规律，考虑围岩底鼓位移的变化速率v超过±0.5%作为围岩底鼓位移不均匀变化的标准，得到如表5、图13所示的隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下的围岩底鼓速率影响范围表和趋势图。此外，依据表4中所示的结果，绘制出如图14所示的隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下隧道结构与破碎带接触的腰底比h趋势图。

表5 不同倾向-底鼓位移变化速率的影响范围Table 5 Different inclinations-the range of influence of the rate of change in the displacement of the kick drum

图13 不同倾向底鼓位移不均匀变化影响范围Fig.13 The influence range of the uneven displacement of the kick drum with different inclinations

图14 不同倾向腰底比hFig.14 Different tendencies waist to bottom ratio h

对比图13与图14可以发现，在不同倾向条件下，底鼓位移变化速率的影响范围与腰底比h呈正相关，底鼓位移变化速率的影响范围随着倾向改变后隧道与破碎带接触面的腰底比h的增加而增加。

4 结论

基于隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件下的围岩变形规律，通过分析相关参数的特性，得出的主要结论如下：

（1）隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件时，由于隧道不同角度的斜穿接触条件，导致隧道与破碎带接触的土方和尺寸均不一致，因而隧道围岩变形存在着较大差异。

（2）隧道斜穿条件时，由正交状态下破碎带围岩与支护的二维受力变形状态，逐步转变为破碎带围岩、支护与坚固基岩的三维受力变形状态，因而围岩位移的数值与范围变化会发生较大差异。

（3）围岩拱顶沉降在隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件时，围岩拱顶沉降峰值与隧道-破碎带接触的拱顶延伸率g呈负相关。

（4）围岩拱腰收敛在隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件时，围岩拱腰收敛峰值与隧道-破碎带接触的腰顶比k呈负相关。

（5）围岩底鼓位移在隧道斜穿断层破碎带不同倾向条件时，围岩底鼓位移的不均匀变化影响范围与隧道-破碎带接触的腰底比h呈正相关。