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、離散元數值模擬方法，結合現場監測結果，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塌方的內在機理研究。研究得出：隧道穿越富水斷層破碎帶時，巖體結構面發育，且結構面間多充填碎屑或黏土充填物。隨著施工擾動引發結構面發生錯動，流動的地下水進一步對結構面形成沖刷，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“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：設置迂回導坑、地層預加固、增加支護強度、優化施工工法及加強監控量測，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， 工程地質學報 發表時間：2021-05-13《工程地質學報》是我國工程地質學科綜合性的高級學術期刊。《工程地質學報》辦刊宗旨是加強學術交流，促進工程地質科學的了理論、應用和技術的發展，使工程地質學科更好地為國民經濟建設服務。主管單位：中國科學院。

　　關鍵詞 鐵路隧道;塌方;離散元;機理分析;斷層破碎帶

　　0 引 言

　　近年來，隨鐵路隧道建設規模不斷增大，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(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，國內外學者將隧道塌方影響因素歸納為地質條件、地下水影響、降雨影響及設計施工影響(Mete Kun et al.，2013;豐明海等，2014;尚彥軍等，2018;楊成忠等，2018)，采用模型試驗和數值分析等研究方法研究隧道塌方機理。數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 和現場監測研究了隧道塌方的力學機制。徐前衛等(2016)利用數值模擬和室內試驗相結合的方法，認為斷層破碎帶會降低隧道圍巖穩定性。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。基于連續介質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介質大變形運動(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、不同巖石結構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理的空間分布對開挖時圍巖穩定性的影響。

　　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+洞外綜合處治措施，以期從根本上預防塌方事故的發生。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場監測，結果表明這些措施能有效地穩定塌方段地層。Wang et al.(2019)采取了改善圍巖應力狀態、提高支護承載力及調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、系統地研究穿越斷層破碎帶時隧道塌方空間規律。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分析，并結合現場監測數據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。隧道地質構造及水文地質條件復雜，以變質砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層為主，圍巖級別為Ⅱ~Ⅴ級，共發育 11 處斷裂帶。為便于表述，取掌子面里程為 K0+000，從洞內向洞外排定相對空間位置。

　　1.1 F8-1 斷層破碎帶地質概況

　　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，性質互異。由圖 2 可見，掌子面揭示巖性為變質砂巖，灰黑色，局部褐黃色，全風化夾強風化，節理裂隙發育，巖體破碎，結構面間夾雜泥沙，為Ⅴ級圍巖。根據地勘報告顯示，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。

　　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，初期支護全環采用 HW175 型鋼，縱向間距 0.6m，采用φ22 連接筋連接;拱墻設置φ6 鋼筋網，網格間距 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 時拱腳位置發生涌水，并在 40min 內淹沒至仰拱面，初始涌水量約 460m3 /h，之后涌水量逐步減小，最終穩定在 25m3 /h。14 日，揭示掌子面圍巖為變質砂巖，涌水量穩定在 50～70m3 /h，水質渾濁，見圖 4。10 月 31 日，對 K0+063.6 進行開挖。12 月 6 日，K0+061 拱頂至左側邊墻初支面上出現一條環向細裂紋。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構整體。

　　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 處拱頂及左側邊墻發生坍塌(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測

　　選取了塌方段前后 7 個監測斷面(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)至塌方事故發生當天(2019 年 12 月 27 日)，共計 60d，監測頻率為 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 個監測斷面均未表現出收斂的趨勢，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定。拱頂下沉最大值 57.37mm 出現在 K0+072 處，拱頂下沉速率最大值 3.50mm/d 出現在 K0+062 處，邊墻收斂最大值 54.96mm 出現在 K0+062 處，邊墻收斂速率最大值 3.86mm/d 出現在 K0+052 處，表明塌方與圍巖變形存在相關性，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，塌方發生在 K0+63.6 處，說明塌方事故產生的原因不僅與斷層破碎帶、地下水等地質因素有關，也與施工、支護等因素有關。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力學法的非連續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構面，進而模擬出隧道塌方全過程，分析塌方機理。

　　3.1 模型參數及 3D 建模

　　根據圖 1 隧道塌方段，結合地質勘測資料，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實際塌方情況進行了一定修正，圍巖與錨固體宏觀參數由室內試驗及根據設計資料確定，微觀參數通過轉換公式(劉春等，2019，見附錄 A)由宏觀參數計算得出，具體參數見表 1，根據材料性質，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定狀態，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，導致巖塊之間結構面法向力減小。由圖 10 可見，當隧道開挖至斷層破碎帶處時，拱頂和邊墻產生了應力集中，且左側邊墻應力大于右側，與隧道在拱頂與左側邊墻處發生塌方的事實吻合。

　　由圖 11(a)可見，隧道開挖后，斷層破碎帶內的軟弱巖體產生了大范圍松動，圍巖位移最大值 1.12m 位于掌子面前方 30m 處，和現場塌方位置接近。上臺階和中臺階產生了一定的隆起，因此在掌子面開挖后應盡早施作初支，且閉合成環。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，經計算塌方量為 2640m3，與現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

　　基于現場調查與理論分析，地下水對斷層帶的影響主要表現為斷層破碎帶內巖體結構面抗剪強度的弱化，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，圍巖松動范圍受結構面抗剪強度影響，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構面抗剪強度低，圍巖松動范圍大，出現圍巖失穩塌方的概率與規模越大。

　　4 塌方機理分析

　　斷層破碎帶節理裂隙發育，巖體強度主要受結構面影響。結構面組數多，軟、硬結構面混雜且排列無序導致斷層破碎帶巖體強度低，受地下水軟化、泥化和潤滑作用的進一步影響易發生塌方事故。地質構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 數值模擬計算結果，以及現場勘測的實際情況，對隧道塌方機理展開分析。

　　4.1 斷層破碎帶影響

　　斷層破碎帶結構面的性質主要由法向變形、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應力集中現象，巖體產生兩種破壞形式：巖體沿結構面法向張拉破壞、巖體沿結構面切向剪切破壞。為研究結構面法向變形能力和剪切變形能力，Goodman 提出了法向變形剛度