0 引言

　　随着工程建设的推进，不可避免地出现穿越断层破碎带等不良地质环境的隧道。加之西部山区降水丰富，地下水系错综复杂，使西部山岭隧道建设工程极易发生突水、突泥、塌方等工程地质灾害^[1,2,3]。

　　20世纪90年代前，由于国家隧道建设技术相对落后，缺乏监测手段和研究经验，大部分研究成果集中于对富水破碎带的施工治理及工法总结上，对富水破碎带隧道穿越过程中稳定性变化的研究较少，从而在围岩力学特性变化和施工措施间缺乏紧密联系，既有工程经验没有很好地应用到隧道工程中^[4,5,6]。

　　本文选择具有代表性的隧道工程作为工程背景，通过数值模拟方法研究隧道穿越破碎断层带时围岩的稳定性，并提出具体的施工方案。

　　1 工程概况

　　楚雄至大理高速九顶山隧道为分离式特长隧道，单洞长约7 597m，高16.3m，宽8.8m，最大埋深约730m。九顶山隧道隧址区位于川滇南北向构造带和青藏滇缅构造带间的构造斜交与复合地带，地质构造极为复杂，需克服岩性接触带、岩溶带、断层破碎带、涌水、岩爆等不良地质灾害，尤其是隧道穿越的花岗斑岩和灰岩断层破碎带(F2断层)、砂页岩和白云质灰岩断层破碎带(F3断层)。围岩强风化且极其破碎，富水性好、岩溶发育，极易发生严重的涌水涌泥灾害。

　　2 数值模拟

　　2.1 建立模型

　　将右线隧道穿越富水破碎带区域作为研究对象，研究隧道开挖对围岩稳定性的影响规律。为满足边界条件，模型选取100m长隧道，上下边界距隧道轮廓>2.5倍洞径。由于为双线隧道，考虑模型对称性，研究右线隧道中线右侧40m范围内的破碎岩体即可。在ANSYS中建立模型，导入FLAC3D中进行计算，模型总高70m、总宽40m、总长125m。模型中断层与隧道走向夹角为85°，水压设置为1.0MPa，断层交界面为Interface接触单元，为可滑动接触面，界面系数为0.7。模型四周及底部施加法向约束，顶部施加3.08MPa竖向压力代替剩余埋深^[7,8]。隧道穿越破碎断层数值模型如图1所示。

　　图1 隧道穿越破碎断层数值模型  

　　围岩本构模型采用应变软化模型，围岩物理力学参数如表1所示。隧道结构仅考虑初期支护，循环进尺为3m，单元设置为弹性模型，弹性模量为30GPa，泊松比为0.2。

　　表1 围岩物理力学参数 

　　表1 围岩物理力学参数

　　2.2 计算工况

　　数值模型计算考虑破碎带厚度、倾角及水头压力变化对围岩稳定性的影响，计算工况如表2所示。

　　3 计算结果分析

　　3.1 隧道开挖对断层破碎带围岩稳定性的影响

　　3.1.1 洞周围岩变形

　　随着隧道开挖，掌子面的位移如图2a所示。由图可知，当掌子面距断层破碎带9m以上时，断层对隧道掘进基本无影响，随着隧道掌子面向断层破碎带靠拢，其最大水平位移逐渐增大;隧道开挖揭露断层破碎带后，掌子面最大位移达0.4m。

　　表2 计算工况 

　　表2 计算工况

　　隧道拱顶表面围岩沉降随隧道掘进的变化曲线如图2b所示。当隧道未进入断层破碎带时，拱顶沉降变化趋势不明显，当隧道接近断层约4m时，沉降突然增大，直至进入断层后沉降不收敛，其变化总体较掌子面滞后，洞周围岩变形一定程度上受掌子面变形影响。

　　图2 围岩位移变化曲线  

　　当没有进行超前支护等工程补强时，隧道开挖通过断层破碎带一定会发生塌方和突水突泥事故。因此，加强段应向断层两侧较好的围岩处延伸9m。

　　3.1.2 塑性区

　　围岩塑性区随隧道掘进的变化过程如图3所示。当隧道距断层破碎带较远时，围岩塑性区因掌子面开挖产生临空面，导致围岩松动，塑性区集中于掌子面正前方及拱顶上方部分范围。当隧道掘进至距断层破碎带6m后，因开挖产生的塑性区与破碎带松动区相连，极易出现贯通的渗水通道，诱发涌水灾害，又由于围岩破碎程度高，涌水夹泥后将引发掌子面坍塌。

　　图3 隧道掘进过程中的塑性区变化  

　　当隧道穿越断层破碎带时，隧道洞周由于剪切滑移产生塑性区，范围达到40m，已彻底丧失稳定性。当隧道穿越断层破碎带后，塑性区维持原先最大水平，并不再受隧道掘进影响。

　　3.2 断层破碎带对隧道稳定性的影响

　　通过横向对比不同工况下隧道掘进过程中围岩的变形情况，可得到断层破碎带不同特征时对围岩稳定性的影响规律。

　　1)断层破碎带厚度当隧道未进入断层破碎带时，断层厚度基本不影响隧道及围岩稳定性。隧道进入断层破碎带后，断层厚度越大，最后形成的最大松动区范围越大。如图4所示，断层破碎带厚度增大对松动区的影响逐渐减小。

　　图4 破碎带厚度与围岩最大位移变化关系  

　　2)断层破碎带倾角隧道松动区的扩展在很大程度上受掌子面变形影响，因此可着重分析掌子面处的围岩稳定性。断层破碎带倾角对掌子面位移的影响规律如图5所示。隧道穿越断层时，当破碎带与隧道垂直，其对隧道掌子面产生的坍塌压力最大。

　　3)断层破碎带水头压力断层破碎带水头压力对围岩稳定性具有显著影响，水头压力越大，临空面围岩承受的不平衡力越大，越易发生坍塌涌水事故。如图6所示，隧道掌子面变形及最大围岩变形与水头压力基本呈线性关系，且水头压力对断层破碎带围岩的影响要远大于两侧较好围岩。

　　图5 破碎带倾角与围岩最大位移变化关系  

　　图6 破碎带水头压力与掌子面最大位移关系 

　　4 深埋隧道穿越富水断层破碎带施工措施

　　4.1 超前地质预报

　　超前地质预报作为地下工程判断前方水文地质的重要工具，在预防地质灾害发生、确定施工方案、保障施工安全方面具有重要作用。主要的超前地质预报方法如表3所示。

　　表3 超前地质预报方法 

　　表3 超前地质预报方法

　　在实际工程应用中，长距离的地质预报主要采用TSP设备，短距离地质预报以地质雷达和超前钻孔为主。本工程采用超前钻孔探测前方地质及地下水情况。

　　4.2 支护手段

　　采用超前帷幕注浆和超前小导管注浆作为辅助措施，对断层破碎带围岩进行堵水和加固。小导管采用42×4热轧无缝钢管，长4.5m，环向间距30cm，设置于衬砌拱部约120°范围。若超前钻孔探测显示前方存在承压水，应采用全断面超前帷幕注浆堵水方案，并在开挖后沿洞周设置一定数量的泄水孔。

　　隧道初期支护平均厚29cm，在拱顶及边墙设置4.5m长锚杆，锚杆间距60cm，钢架间距60cm处铺设双层8@150mm×150mm钢筋网。隧道采用CRD法施工，以机械开挖为主，开挖进尺≤1.0m。采用风钻修边，不宜采用钻爆法开挖。施工过程中应及时封闭隧道初期支护和二次衬砌，并加强隧道排水措施，如加密铺设环向排水盲管及横向排水管。

　　5 结语

　　通过模拟分析九顶山隧道穿越富水断层破碎带施工过程，得到围岩稳定性在隧道掘进过程中的变化规律，并以此提出超前地质预报方案和支护方案。

　　1)隧道掘进至破碎带内9m时，隧道洞周围岩变形急剧增大，并在进入破碎带后失稳崩塌。

　　2)隧道洞周塑性区在接近破碎带6m后，使破碎带松动区相连，形成涌水通道，大大增加坍塌、突水突泥风险。

　　3)破碎带厚度对围岩稳定性的影响体现在隧道进入破碎带后，影响破碎带最终的塑性区范围。破碎带与隧道走向夹角为90°时，围岩变形最大，随着破碎带内水头压力增大，隧道洞周变形呈线性增大。

　　4)本文提出隧道穿越富水破碎带施工技术，着重加强超前地质预报、超前支护及开挖过程中的排水措施。