穿越富水斷層破碎帶隧道塌方機理分析與預防

　　摘 要 穿越山嶺隧道常遇到斷層破碎帶。由于缺乏斷層復雜巖體穩(wěn)定性機理的研究與理解，隧道施工曾導致多起大變形甚至塌方事故。本文使用理論分析、離散元數(shù)值模擬方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對江西某高速鐵路隧道過斷層施工案例進行綜合分析。在考慮斷層破碎帶地下水影響的前提下，開展富水斷層破碎帶施工過程中圍巖失穩(wěn)塌方的內(nèi)在機理研究。研究得出：隧道穿越富水斷層破碎帶時，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且結(jié)構(gòu)面間多充填碎屑或黏土充填物。隨著施工擾動引發(fā)結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯動，流動的地下水進一步對結(jié)構(gòu)面形成沖刷，從而降低圍巖的完整性與力學強度。斷層破碎帶抗剪強度越低，圍巖松動范圍越大，塌方概率與范圍越大。根據(jù)“防水排水，強化圍巖”的思路，本文提出了穿越斷層破碎帶防塌方的措施：設(shè)置迂回導坑、地層預加固、增加支護強度、優(yōu)化施工工法及加強監(jiān)控量測，可為此類隧道工程的安全施工提供參考。

　　本文源自楊建輝; 沈愷; 周杰; 薛亞東， 工程地質(zhì)學報 發(fā)表時間：2021-05-13《工程地質(zhì)學報》是我國工程地質(zhì)學科綜合性的高級學術(shù)期刊?！豆こ痰刭|(zhì)學報》辦刊宗旨是加強學術(shù)交流，促進工程地質(zhì)科學的了理論、應用和技術(shù)的發(fā)展，使工程地質(zhì)學科更好地為國民經(jīng)濟建設(shè)服務。主管單位：中國科學院。

　　關(guān)鍵詞 鐵路隧道;塌方;離散元;機理分析;斷層破碎帶

　　0 引 言

　　近年來，隨鐵路隧道建設(shè)規(guī)模不斷增大，隧道施工遭遇軟弱圍巖、巖溶、斷層破碎帶等不良地質(zhì)的情況越來越多見，致使突水涌泥、隧道塌方等安全事故頻發(fā)(吳學智等，2016;魏雪斐等，2019)。大斷面隧道不利于承受荷載，穿越斷層破碎帶時易發(fā)生塌方事故，因此，對大斷面隧道塌方機理開展研究具有重要的工程意義。

　　目前，國內(nèi)外學者將隧道塌方影響因素歸納為地質(zhì)條件、地下水影響、降雨影響及設(shè)計施工影響(Mete Kun et al.，2013;豐明海等，2014;尚彥軍等，2018;楊成忠等，2018)，采用模型試驗和數(shù)值分析等研究方法研究隧道塌方機理。數(shù)值分析方法種類繁多，目前適用于隧道塌方研究的主要有有限差分法、有限單元法、離散元法及非連續(xù)變形法。吳強(2009)等通過 FLAC3D 研究隧道塌方形成過程中圍巖變形特征和初支受力情況。劉利生等(2019)通過 FLAC3D 和現(xiàn)場監(jiān)測研究了隧道塌方的力學機制。徐前衛(wèi)等(2016)利用數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，認為斷層破碎帶會降低隧道圍巖穩(wěn)定性。Zhong et al.(2020)通過 Abaqus 軟件模擬了斷層破碎帶走滑運動及斷層傾角對隧道的影響。基于連續(xù)介質(zhì)力學的有限差分法和有限元法在模擬隧道塌方過程存在局限性，而離散元法由于在模擬巖石斷裂過程中不需要對單元重新劃分，能更好的模擬非連續(xù)介質(zhì)大變形運動(薛亞東等，2020)。汪成兵(2008)等通過 PFC2D 模擬了隧道塌方全過程，提出大斷面隧道高跨比越小，隧道塌方程度越嚴重。 Huang et al.(2020)運用 PFC2D 對比了斷層比鄰隧道和斷層穿越隧道兩種情況，認為斷層穿越隧道時，對隧道影響更為顯著。高峰等(2018)采用 UDEC 離散元法分別模擬了不同埋深、不同巖石結(jié)構(gòu)和不同圍巖級別隧道的塌方過程，認為圍巖等級越高，塌方范圍越大。Vazaios et al.(2019)通過有限離散元法討論了天然節(jié)理的空間分布對開挖時圍巖穩(wěn)定性的影響。

　　在塌方處治措施研究中，張學文(2018)采用真空降水、雙層大管棚等措施解決了富水粉細砂塌體的圍巖二次變形、開挖困難等問題。李志厚等(2008)采用了洞內(nèi)+洞外綜合處治措施，以期從根本上預防塌方事故的發(fā)生。Zhang et al.(2019)通過注漿、排水等措施，對坍塌地層進行快速修復，并對坍塌段進行了現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明這些措施能有效地穩(wěn)定塌方段地層。Wang et al.(2019)采取了改善圍巖應力狀態(tài)、提高支護承載力及調(diào)整開挖方式的方法處理塌方段施工。

　　目前，模擬隧道塌方過程的離散元分析以二維模型為主，不能直觀、系統(tǒng)地研究穿越斷層破碎帶時隧道塌方空間規(guī)律。本文針對江西省某鐵路隧道塌方事故，對塌方影響因素進行系統(tǒng)分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究塌方前隧道圍巖變形特征，同時采用三維接觸算法離散元軟件 MatDEM 模擬穿越斷層破碎帶時塌方全過程，在塌方機理的研究基礎(chǔ)上，提出了針對性預防措施。

　　1 工程概況

　　江西省某鐵路隧道為雙線隧道，全長 10 240.225m，最大埋深約 580m。隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復雜，以變質(zhì)砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層為主，圍巖級別為Ⅱ~Ⅴ級，共發(fā)育 11 處斷裂帶。為便于表述，取掌子面里程為 K0+000，從洞內(nèi)向洞外排定相對空間位置。

　　1.1 F8-1 斷層破碎帶地質(zhì)概況

　　如圖 1 所示，隧道穿越 F8-1 斷層破碎帶長度約 65m，起訖里程 K0+012~+077，產(chǎn)狀 66°∠40°。 F8 斷層破碎帶為壓性斷裂，受旋扭作用影響，不同部位斷裂面傾向不一，性質(zhì)互異。由圖 2 可見，掌子面揭示巖性為變質(zhì)砂巖，灰黑色，局部褐黃色，全風化夾強風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，結(jié)構(gòu)面間夾雜泥沙，為Ⅴ級圍巖。根據(jù)地勘報告顯示，斷層破碎帶富含承壓水，洞身水壓達 0.5MPa，最大涌水量為 5998.04m3 /d，為強富水區(qū)。

　　1.2 施工工況

　　塌方段 K0+057~K0+74 施工采用三臺階法，開挖跨度 14.96m，開挖高度 12.64m，斷面面積 158.25m2，屬大斷面隧道。預支護采用φ89 洞身長管棚注漿，初期支護全環(huán)采用 HW175 型鋼，縱向間距 0.6m，采用φ22 連接筋連接;拱墻設(shè)置φ6 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距 20×20cm;拱部采用φ22 組合中空錨桿，長度 4m，縱向和橫向間距均為 1.5m;噴 C25 混凝土，厚度 28cm;邊墻采用φ22 砂漿錨桿，長度 4m，縱向和橫向間距分別為 1.2m 和 1.0m，隧道斷面與支護參數(shù)如圖 3 所示。

　　1.3 塌方過程

　　2019 年 10 月 11 日上臺階開挖至 K0+077 時拱腳位置發(fā)生涌水，并在 40min 內(nèi)淹沒至仰拱面，初始涌水量約 460m3 /h，之后涌水量逐步減小，最終穩(wěn)定在 25m3 /h。14 日，揭示掌子面圍巖為變質(zhì)砂巖，涌水量穩(wěn)定在 50～70m3 /h，水質(zhì)渾濁，見圖 4。10 月 31 日，對 K0+063.6 進行開挖。12 月 6 日，K0+061 拱頂至左側(cè)邊墻初支面上出現(xiàn)一條環(huán)向細裂紋。為防止初支進一步變形開裂，在 K0+060~065 中臺階邊墻位置采用錨桿鉆機打設(shè)φ89 管進行初支加固，鋼管間距為 60cm，左右各打 8 根，打入長度 5m，鋼管采用 L 筋與初支鋼架焊接，并用槽鋼與各根鋼管縱向焊接為同一結(jié)構(gòu)整體。

　　12 月 21 日對 K0+072~K0+077 處仰拱基底進行注漿加固，加固深度 5~9 m。12 月 27 日，在對 K0+000 上臺階初支進行局部補噴時， K0+063.6 處拱頂及左側(cè)邊墻發(fā)生坍塌(見圖 5)。塌方段埋深約 110.21m，如圖 6 所示，拱頂塌方范圍約為 15m，坍體體積約 2000m3，預估塌腔體為帽型。

　　2 塌方前隧道圍巖變形監(jiān)測

　　選取了塌方段前后 7 個監(jiān)測斷面(K0+072、 K0+067、K0+062、K0+057、K0+052、K0+047 及 K0+042)，時間從 K0+072 初支施作完畢(2019 年 10 月 29 日)至塌方事故發(fā)生當天(2019 年 12 月 27 日)，共計 60d，監(jiān)測頻率為 1 次/ d。圍巖變形時程曲線見圖 7。

　　由圖 7 可見，截止塌方當天，7 個監(jiān)測斷面均未表現(xiàn)出收斂的趨勢，曲線以線性形式增長，說明隧道圍巖受富水斷層破碎帶影響，圍巖長時間仍較難達到穩(wěn)定。拱頂下沉最大值 57.37mm 出現(xiàn)在 K0+072 處，拱頂下沉速率最大值 3.50mm/d 出現(xiàn)在 K0+062 處，邊墻收斂最大值 54.96mm 出現(xiàn)在 K0+062 處，邊墻收斂速率最大值 3.86mm/d 出現(xiàn)在 K0+052 處，表明塌方與圍巖變形存在相關(guān)性，收斂量大且收斂速率快的段落塌方風險較高。K0+072 處距離涌水點位置最近，拱頂下沉量最大，但卻并未塌方，塌方發(fā)生在 K0+63.6 處，說明塌方事故產(chǎn)生的原因不僅與斷層破碎帶、地下水等地質(zhì)因素有關(guān)，也與施工、支護等因素有關(guān)。K0+062 處初期支護相較于其他斷面支護薄弱，存在施工不到位的可能，加之上臺階 K0+57.8 處開挖爆破振動及機械振動的影響，誘發(fā)了本次塌方事故。

　　3 MatDEM 離散元模擬

　　MatDEM 是采用 GPU 矩陣計算法和三維接觸算法的離散元軟件(Liu 等，2017 朱晨光等，2019)，適用于模擬基于離散介質(zhì)力學法的非連續(xù)材料在靜載或動載作用下的力學響應過程。本研究通過 MatDEM 構(gòu)建三維隧道施工模型利用顆粒間彈簧的法向剛度、切向剛度及抗剪強度來模擬結(jié)構(gòu)面，進而模擬出隧道塌方全過程，分析塌方機理。

　　3.1 模型參數(shù)及 3D 建模

　　根據(jù)圖 1 隧道塌方段，結(jié)合地質(zhì)勘測資料，運用 MatDEM 離散元軟件建立 110m×60m×55m 的全尺寸隧道模型，隧道模型見圖 8。模型中，顆粒半徑為 0.6m，總共 267794 個顆粒，四周邊界采用固定約束，上邊界采用應力約束，應力取 1MPa。支護方案基于文獻(谷拴成等，2018)換算為支護與圍巖等效錨固體并根據(jù)實際塌方情況進行了一定修正，圍巖與錨固體宏觀參數(shù)由室內(nèi)試驗及根據(jù)設(shè)計資料確定，微觀參數(shù)通過轉(zhuǎn)換公式(劉春等，2019，見附錄 A)由宏觀參數(shù)計算得出，具體參數(shù)見表 1，根據(jù)材料性質(zhì)，模擬時間步確定為 5.0×10-5 s。

　　3.2 塌方過程模擬

　　隧道開挖前后圍巖的應力狀態(tài)見圖 9，可以直觀得出：隧道開挖前，斷層破碎帶與地層處于穩(wěn)定狀態(tài)，隧道開挖后，圍巖應力二次重分布，斷層破碎帶及隧道周邊出現(xiàn)了明顯的應力集中。開挖后相較于開挖前，斷層破碎帶邊界所受剪應力增大，隧道圍巖壓應力減小，而隧道圍巖處于臨空狀態(tài)，導致巖塊之間結(jié)構(gòu)面法向力減小。由圖 10 可見，當隧道開挖至斷層破碎帶處時，拱頂和邊墻產(chǎn)生了應力集中，且左側(cè)邊墻應力大于右側(cè)，與隧道在拱頂與左側(cè)邊墻處發(fā)生塌方的事實吻合。

　　由圖 11(a)可見，隧道開挖后，斷層破碎帶內(nèi)的軟弱巖體產(chǎn)生了大范圍松動，圍巖位移最大值 1.12m 位于掌子面前方 30m 處，和現(xiàn)場塌方位置接近。上臺階和中臺階產(chǎn)生了一定的隆起，因此在掌子面開挖后應盡早施作初支，且閉合成環(huán)。由圖 11 (b)可見，拱肩上部巖體位移較大，拱腳處位移較小，是隧道塌方后圍巖應力釋放導致。當顆粒間彈簧作用力為 0 時，可視作塌方，經(jīng)計算塌方量為 2640m3，與現(xiàn)場坍塌體體積基本吻合。從隧道橫剖面和縱剖面變形圖可以看出，圍巖最大松動范圍在 13~17m，這與預估塌腔范圍相符，并且可以觀察到塌落拱的大致形狀。

　　3.3 富水斷層帶模擬分析

　　基于現(xiàn)場調(diào)查與理論分析，地下水對斷層帶的影響主要表現(xiàn)為斷層破碎帶內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度的弱化，考慮兩種極端抗剪強度(0.1 倍，2 倍)條件下，計算圍巖最大位移量和塌方量，以研究地下水對隧道開挖帶來的影響。由圖 13 可見，圍巖松動范圍受結(jié)構(gòu)面抗剪強度影響，取 0.1 倍抗剪強度時，圍巖最大松動范圍在 20 ~23m，塌方量為 13500m3，圍巖最大位移 2.51m;采用實際抗剪強度時，圍巖最大松動范圍在 13~17m，塌方量 2640 m3，圍巖最大位移 1.12m;取 2 倍抗剪強度時，圍巖最大松動范圍在 4~7m，塌方量為 16.7m3，圍巖最大位移 0.80m。表明富水斷層破碎帶中結(jié)構(gòu)面抗剪強度低，圍巖松動范圍大，出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)塌方的概率與規(guī)模越大。

　　4 塌方機理分析

　　斷層破碎帶節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強度主要受結(jié)構(gòu)面影響。結(jié)構(gòu)面組數(shù)多，軟、硬結(jié)構(gòu)面混雜且排列無序?qū)е聰鄬悠扑閹r體強度低，受地下水軟化、泥化和潤滑作用的進一步影響易發(fā)生塌方事故。地質(zhì)構(gòu)造及地下水因素是隧道塌方的主要因素及客觀因素，支護及施工措施不到位是隧道塌方的次要因素及主觀因素。通過 MatDEM 數(shù)值模擬計算結(jié)果，以及現(xiàn)場勘測的實際情況，對隧道塌方機理展開分析。

　　4.1 斷層破碎帶影響

　　斷層破碎帶結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)主要由法向變形、剪切變形及抗剪強度三方面組成。隧道開挖后，受斷層破碎帶影響的淺部巖體出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，巖體產(chǎn)生兩種破壞形式：巖體沿結(jié)構(gòu)面法向張拉破壞、巖體沿結(jié)構(gòu)面切向剪切破壞。為研究結(jié)構(gòu)面法向變形能力和剪切變形能力，Goodman 提出了法向變形剛度