深埋隧道断层段循环进尺优化模拟研究

? 深埋隧道断层段循环进尺优化模拟研究 深埋隧道断层段循环进尺优化模拟研究

凌同华，周 凯，谢伟华，何 瀚

(长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410004)

摘 要：以苍南县石塘隧道为研究对象,采用FLAC3D有限差分软件，对深埋隧道断层段不同循环进尺施工过程进行数值模拟，分析隧道推进过程中的监测断面围岩变形、应力大小及塑性区分布规律，对实际工况进行验证和优化。研究结果表明:本工程3种不同循环进尺均能保证开挖断层时结构的稳定，符合施工安全要求；进尺长度的减小使得围岩扰动次数增加,对断层处围岩位移变形和塑性区分布的影响较大。而断层处开挖引起监测断面的位移占总位移的比例无明显区别，断层处开挖失稳可能性相似，施工时宜采用3 m循环进尺开挖。

关键词：深埋隧道；断层；循环进尺；数值模拟

当前，有许多学者针对隧道开挖循环进尺对围岩稳定性的影响进行了研究[1-4]，而对特殊地质(如：含断层和软弱夹层等)的隧道尚无成熟的工程经验，李树才[5-8]等人就软岩隧道位移、应力及塑性区的稳定性影响进行了研究，得出了围岩变形规律。李文华[9-11]等人研究了断层隧道的循环开挖进尺对断层处围岩施工安全的影响。但这些研究缺乏对隧道开挖循环进尺的优化，而合理的开挖进尺对控制断层处围岩的变形尤其重要。

隧道围岩变形规律研究最直接的方式是现场监测，但需在施工过程中进行，不能提前反映隧道开挖前围岩施工响应。作者拟采用FLAC3D软件，对石塘隧道断层段不同循环进尺的施工过程进行模拟，分析隧道开挖对断层处围岩位移、应力及塑性区的变化规律。结合现场监测，分析实际循环进尺长度是否合理，优化进尺长度，为该工程以及相似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

石塘隧道位于浙江省苍南县，断层位于隧道左线隧道桩号ZK18+236～ZK18+248和右线隧道桩号YK18+257～YK18+272，埋深为63～101 m，断层产状171∠70°，带宽12 m(属中型断层破碎带),并与隧道斜交。断层岩体为破碎的中风化熔结凝灰岩，节理裂隙发育，两侧围岩岩体较破碎，综合判定为Ⅳ级围岩。由于开挖过程中围岩性质变化较大，为避免频繁转换施工方法，采用全断面法施工。同时，在施工安全的前提下，须对隧道开挖循环进尺进行优化分析，以达到减小工程投资和施工工期的目的。

2 模型建立

2.1 基本假定

为了便于FLAC3D软件的数值模拟，假定：①断层前(后)岩体性质为连续、均质及各向同性，且不考虑地下水影响；②隧道断层拟用弱化参数法、围岩条件和性质的确定参考规范相关建议值，从而达到显著区别断层前、后岩体，确保断层前、后围岩整体性和连续性的目的；③不考虑构造应力，初始地应力场为自重应力场，即σz=γH。

2.2 模型参数的选取

隧道开挖毛洞最大宽度为12.1 m，最大高度为9.8 m，埋深为100 m。模型宽111.1 m，边墙距左、右边界均为50 m(约为4倍洞径)，在左、右边界限制X方向的位移。隧道模型长度为80 m，在前、后边界约束Y方向位移。底部边界距隧道仰拱36.25 m(约3倍洞径)，在上、下边界限制Z方向的位移。断层宽度为12 m(断层段位于Y=24～36 m)，走向与隧道轴线方向夹角为81°，与水平面的倾角为75°，隧道开挖部分网格加密(每单元长度为1 m)，如图1所示。

图1 有限差分模型

Fig.1 Finite difference models

采用ANSYS，建立网格模型。将数据导入到FLAC3D中进行计算，其中：隧道围岩材料特性采用Mohr-Coulomb屈服准则，按均质弹塑性进行考虑；初期支护中喷射混凝土采用Shell单元模拟；锚杆采用Cabel单元模拟；岩体采用Solid单元模拟。

依据《公路隧道设计规范》(JTG-D70-2004)和该隧道地质勘察的建议值，并结合开挖过程，选取材料参数(见表1)，确定围岩状态。

2.3 开挖和支护方法

本研究特殊地质属于无水中型断层破碎带，适用工法为：两台阶法、预留核心土台阶法及3台阶+临时仰拱法。由于隧道埋深较大，整体隧道Ⅲ～Ⅵ围岩长度占总长度的80%。为充分发挥围岩自承能力，施工方实际施工方法变更为全断面 3 m 循环进尺，同时，隧道存在断层，应以小进尺开挖掘进(常见长度为1,2和3 m)，其施工工序：①隧道穿越断层前开挖支护；②隧道穿越断层时开挖支护；③隧道穿越断层后开挖支护；④隧道开挖完成(如图2所示)。通过杀死单元的方法，模拟围岩开挖，并以开挖过程中围岩的位移、主应力及塑性区域分布等因素确定最优循环进尺。

表1 隧道围岩力学参数

Table 1 Mechanical parameters of the surrounding rock

材料密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比/μ粘聚力/MPa内摩擦角/(°)拉应力/kPa断层前(后)200030.300.503921断层170010.400.212730注浆加固210020.300.703340C15喷层230026.00.201.00301400锚杆-450.30---初期支护-210.25---

图2 施工工序示意

Fig.2 The construction process diagram

3 循环进尺的优化

监测断面设置于Y=26 m断层处，采集监测断面不同开挖循环进尺(断层开挖适用小进尺，故本研究采用进尺长度为1,2和3 m)条件下的围岩位移、应力及塑性区变形(分别见表2～4)，通过对比围岩位移和塑性区分布，确认最优循环进尺。

表2 不同开挖进尺下断层Y=26 m处围岩位移变化

Table 2 Tapping different excavation surrounding rock displacement in the fault Y=26 m of change

开挖距离/m拱顶沉降/mm1m2m3m周边收敛/mm1m2m3m00.000.000.000.000.000.0018-0.51-0.43-0.310.260.180.1324-1.280.61-0.450.570.470.4036-10.80-9.41-9.157.707.577.5048-11.22-10.17-9.627.888.307.9666-12.96-11.80-11.618.428.498.2180-13.41-12.23-12.068.878.768.69

注：拱顶下沉和仰拱隆起的数值为负，表示向下沉降；周边位移的数值为正，表示向洞外扩张。

表3 监测断面Y=26 m围岩拱顶位移释放比例

Table 3 Monitoring section of Y=26 m release of vault displacement of surrounding rock

进尺长度/m沉降量/mm断层处围岩开挖全部围岩开挖释放比例/%19.5213.4171.028.8012.2371.938.7012.0672.3

表4 监测断面Y=26 m围岩周边收敛释放比例

Table 4 The proportion of monitoring cross section of Y=26 m surrounding rock convergence around the release

进尺长度/m沉降量/mm断层处围岩开挖全部围岩开挖释放比例/%17.138.8780.3827.108.7681.0537.108.6981.70

3.1 围岩位移变化分析

由表2可知：①隧道开挖完成之后，监测断面Y=26 m处拱顶最大下沉值与边墙和拱肩周边最大收敛值分别为13.41和8.87 mm(循环进尺为1.0 m)。②在3 m循环进尺、掌子面到达Y= 36 m (断层段位于Y=24～36 m)时，监测断面拱顶下沉较2和1 m进尺下的分别减少0.26和 1.75 mm。 ③在3 m循环进尺、掌子面到达Y=36 m(断层段位于Y=24～36 m)时，监测断面边墙收敛较2和1 m进尺下的分别减少0.07和 0.20 mm。 分析结果表明：较长的循环进尺可减少对断层处围岩的扰动。

在不同开挖循环进尺条件下，围岩位移存在的变化规律为：①掌子面未到达监测断面时，监测断面周边围岩已发生先行变化；②监测断面与掌子面距离Y相同时，循环进尺越大，监测断面总的拱顶沉降和边墙收敛越小。通过分析可知，循环进尺为3 m时，断层处围岩位移变化较循环进尺为2和1 m时的小，即在围岩保证稳定的前提下，断层处围岩的开挖可采用较大的循环进尺。

由表3,4可知，在进尺长度为3 m时，断层处围岩开挖导致的监测断面拱顶沉降和周边收敛分别占全部围岩开挖的72.3%和81.70%;在进尺长度为2 m时，断层处围岩开挖导致的监测断面拱顶沉降和周边收敛分别占全部围岩开挖的71.4%和81.05%；在进尺长度为1 m时，断层处围岩开挖导致的监测断面拱顶沉降和周边收敛分别占全部围岩开挖的74.4%和81.06%，即较大的进尺长度导致拱顶沉降和周边收敛围岩释放比例较小，进尺长度较大。

通过对拱顶沉降、周边收敛以及变形比例的分析可知，在埋深为100 m、断层长度为12 m时，循环进尺为3 m可保证围岩的稳定性，且对断层处的围岩扰动均小于循环进尺为2和1 m的。最优循环进尺应选取3 m。

3.2 围岩应力状态分析

采用3 m循环进尺完成隧道的开挖后，隧道最大、小主应力分布云图如图3所示。由图3可知：① 断层处围岩在拱顶、拱肩及仰拱等处出现应力集中现象；② 断层前、后围岩应力释放完全，拱顶和仰拱处应力分布较为匀称，无应力集中现象。分析结果表明：在断层处支护结构强度须提高，以避免断层处围岩在开挖时出现拱顶沉降过大和周边收敛侵限等问题；对断层前、后围岩的开挖可采用全断面法。

监测断面(Y=26 m)处主应力峰值显示：在不同循环进尺下(进尺长度分别为1,2和3 m)，所承受最大主应力的最大值分别为0.038,0.052和 0.065 MPa，所承受最小主应力的最小值分别为 -0.31,-0.30和-0.29 MPa。从峰值大小来看，开挖循环进尺长度增加，使得断层处释放的应力稍大，这也是造成围岩位移有所差别的原因。

图3 隧道最大、小主应力分布云图(循环进尺3 m)

Fig.3 Tunnel maximum,minor principal stress contours(3 m cycling footage)

3.3 围岩塑性区分析

采用不同循环开挖进尺，隧道开挖对断层处围岩的扰动范围如图4所示。

由图4可知：①无论采用何种进尺方案，断层处围岩受开挖扰动影响最大，且塑性区有沿断层延伸的迹象，断层前、后围岩塑性区的面积较断层处的小些，即受开挖扰动较小。②采用3 m循环进尺开挖对隧道拱底6 m范围和拱肩3 m范围内围岩剪切破坏范围明显小于2和1 m循环进尺时对围岩剪切破坏范围。其原因是3 m循环进尺对围岩扰动的次数均小于2和1 m循环进尺对围岩扰动的次数。由于循环进尺为3 m时断层处围岩受扰动次数、监测断面位移、围岩应力及塑性区面积较循环进尺为2和1 m的有所减小，且较长的循环进尺亦保证了开挖断层处围岩时隧道的稳定性，满足安全和经济要求，因此，建议施工时，采用3 m循环进尺。

4 现场监测

为及时掌握围岩和支护的动态，以便采取相应的技术措施，断层带施工更应加强隧道监控测量，按设计要求进行布点观测，及时将观测数据进行分析，并指导施工。在选取3 m最优循环进尺条件下，进行隧道断层段开挖。峒室开挖后，地应力得到释放。围岩应力重新分布后，需及时在开挖支护2 h内布设监测设备，记录围岩开挖后的初始读数，按照规定频率进行常规测量。

图4 不同进尺塑性区分布云图

Fig.4 Different footage of plastic zone contours

4.1 断层处监控内容

断层监控量测内容包括洞内(外)观察、净空水平收敛量测及拱顶下沉量测。将隧道测点布置为3个拱顶下沉点和2条净空水平收敛量测线组成的一个量测断面，纵向间距5～10 m。拱顶下沉采用水平仪测量，净空收敛量采用道坑收敛剂测量。及时对量测数据进行分析，并指导施工，量测频率应该符合规范要求。采用的仪器有精密水准仪、塔尺、挂尺量测、数显式收敛计及地质罗盘。

4.2 断层处监控数据分析

将监测断面设置在左洞ZK18+230,ZK18+238和ZK18+256，分别位于断层段前、中、后 (Y=18,26和42 m)处，与实际模型断面布设类似，能反映实际工况。监测断面的最终拱顶下沉数据和最终边墙收敛位移变化曲线如图5所示。

图5 监测断面开挖围岩位移变形曲线

Fig.5 Monitoring section of excavation surrounding rock displacement

由图5可知：

1) 从竖向位移来看,隧道拱顶沉降收敛沿着掌子面的推进逐渐增加,而后趋于稳定。竖向位移变化较大的区域分布在断层ZK18+238处，拱顶沉降的最大值为11.67 mm。开挖过程中，监测断面ZK18+230,ZK18+238和ZK18+256的拱顶位移变化速率较快，此时应加强监控量测。

2) 从水平位移来看，隧道水平位移的边墙两侧变化规律同竖向位移的相似，水平位移边墙最大收敛值为8.02 mm。

3) 断层处围岩竖向位移和水平位移的变化明显大于断层前(后)围岩的，这是因为断层处围岩与前(后)围岩性质存在着差异，位移变化总体为拱顶下沉，边墙收敛应重视施工过程，提高支护 参数。

4) 将实测监控量测数据与隧道数值模拟数据进行对比，发现它们的变形相似，故采用3 m循环进尺能保证断层处开挖围岩的稳定。

5 结论

1) 结合现场监测发现，采用3种不同循环进尺(进尺长度为1,2和3 m)进行隧道断层段开挖，均能保证断层处开挖围岩和结构稳定。

2) 经现场监测发现，隧道断层段围岩开挖，其围岩变形集中在断层处，与模型模拟结果相同，应加强断层处围岩支护。

3) 通过数值模拟发现，不同循环进尺(进尺长度为1,2和3 m)条件下，监测断面与掌子面距离Y相同时，循环进尺为3 m的拱顶沉降、周边收敛变形及塑性区扰动范围较循环进尺为2和1 m时的小，而开挖引起的监测断面围岩释放比例无明显差别。施工时，选取3 m循环进尺为最佳方案。

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Study on the optimization simulation for cyclic drilling footage of deep tunnel fault

LING Tong-hua,ZHOU Kai,XIE Wei-hua,HE Han

(School of Civil Engeneering and Architecture,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410004,China)

Abstract：Based on Shitang tunnel in Cangnan county as a research object,FLAC3D is used for numerical simulation of the tunnel construction process under fault conditions.Based on real verified optimization,the process of monitoring cross section of tunnel surrounding rock displacement effect is analyzed.The results show that 3 different cycle footages can ensure the excavation works fault structure to be stabile,and safe.When the footage length is less,the disturbance of the surrounding rock increased.When the fault plastic district of surrounding rock displacement and impact is greater,fault excavation monitoring section of the total displacement ratio has no significant difference,and the fault of excavation instability is similar.Construction date is excavated by 3 m cycling footage.

Key words：buried deep tunnel;fault;cycling footage;numerical simulation

收稿日期：2016-02-29

基金项目：国家自然科学基金项目(51278071；5130872)；湖南省教育厅科学研究项目(14B007)

作者简介：凌同华(1968-)，男，长沙理工大学教授，博士生导师。

文章编号：1674-599X(2016)02-0073-06

中图分类号：U455

文献标识码：A