断层破碎带是山岭隧道施工和设计的一大难题, 目前国内外很多学者都开展了对断层破碎带隧道的研究, 也取得一定进展^[1,2,3,4]。在断层破碎带存在的情况下, 如何进行支护方法的优化, 以往研究大多采用工程类比法或经验法取得。大多数学者主要研究断层分布对断层端部应力及位移分布规律的影响^[5], 然而对断层破碎带特大断面隧道支护方法优化研究较少。

台州湾大桥及接线工程合同段内的大沙湾隧道, 由于地质条件复杂, 围岩条件较差, 工期紧, 给隧道施工带来很大影响。为总结快速安全通过F3断层破碎带的技术措施, 本文依托大沙湾隧道F3断层破碎带, 首先研究锚杆长度、初喷混凝土的厚度对模拟结果的影响规律, 进一步研究注浆加固的合理范围对模拟结果的影响。在此基础上提出合理改进后的支护方案, 最后通过现场监控量测的数据验证改进方案的可行性。研究结果可为断层破碎带特大断面隧道围岩稳定性评价及支护方法优化提供参考。

大沙湾隧道位于浙江省三门县六敖镇, 采用分离式隧道结构, 隧道左线长1 004m, 里程桩号为ZK101+047—ZK102+051;右线长988m, 里程桩号为K101+070—K102+058。设计为双向6车道高速公路, 设计速度100km/h, 单洞设计尺寸17.02m (宽) ×11.5m (高) 。本隧道位于浙东沿海侵蚀剥蚀丘陵区, 所处山体海拔高程5.000～143.500m, 相对高差约100m。隧道区丘陵沟谷较发育, 局部沟谷切割较深, 顺沟向长大节理发育, 向下风化较深, 雨季有水流。进洞口风化较强烈, 植被发育;出洞口所处斜坡自然坡角为30°～35°, 强～中风化基岩直接裸露, 植被相对较少。隧道区地层主要为第四系残坡积 (Q^el+dl) 含碎石粉质黏土、黏性土碎石;侏罗系上统高坞组 (J₃g) 晶屑熔结凝灰岩、熔结凝灰岩, 灰色、青灰色, 块状构造, 具黄铁矿化, 岩质坚硬。地层参数如表1所示。

大沙湾隧道在左线ZK101+600—ZK101+627、右线K101+580—K101+600与断层斜交, 地质条件较差, 且地下水较丰富, 施工过程中可能出现坍塌、突水, 另外大沙湾隧道进出口段存在较厚的软弱土层, 隧道施工过程中可能出现坍塌、塌方等问题。断层破碎带隧道采用三台阶法开挖, 减小掘进循环进尺, 采用人工配合机械开挖尽量减少爆破对围岩的影响, 维护围岩的稳定性, 防止大范围坍塌。加强支护, 支护紧跟开挖掌子面, 二衬和仰拱及时跟进。

三台阶施工工序为: (1) 上台阶开挖支护→ (2) 开挖左中台阶并支护→ (3) 开挖右中台阶并支护→ (4) 开挖左下台阶并支护→ (5) 开挖右下台阶并支护→ (6) 开挖预留核心土→ (7) 仰拱开挖支护 (见图1) 。

由于隧道断层破碎带地质条件差, 围岩级别为V级且通常地下水较丰富, 应釆用较强的支护形式并结合完善的辅助施工措施, 以保证施工阶段及衬砌结构的安全。在隧道施工方面, 在开挖前, 施作超前短管棚或超前注浆小导管, 对掌子面前方岩体进行预支护, 然后釆用三台阶法开挖施工, 以防止坍塌;对于水量丰富地段, 还应事先釆取预注浆方式进行封闭, 以防止突水、突泥等灾害性事故发生。初期支护参数如表2所示。

隧道属于细长的构筑物, 在围岩应力作用下只会在断面内发生变形, 并不会沿着隧道轴向发生变形, 所以在隧道数值模拟过程中可将变形问题简化为平面应变问题。

依据理论研究和工程实践表明, 隧道开挖后的应力和应变仅出现在隧道周围, 距隧道中心3～5倍洞径范围存在影响^[6]。本文的模型边界为4倍洞径, 模型宽取144m, 高取96m。在AutoCAD中画出典型断面, 导入Solid works后进行拉伸, 最后将文件导入ANSYS Workbench进行网格划分, 以此解决FLAC3D建模难的缺点。将建好的模型导入FLAC3D进行计算, 如图2所示。

由于岩体的物理力学参数对数值模拟计算的准确性有很大影响, 模型参数的选取很重要。本次模拟的模型参数来源于地质勘察资料, 具有较高的准确性。本次模拟选用莫尔-库仑模型^[7], 将围岩看作各向同性的弹塑性体。采用提高参数的办法处理围岩加固区^[8], 通过提高围岩的黏聚力和内摩擦角仿真模拟。喷射混凝土采用shell单元模拟, 钢拱架等效到喷射混凝土中, 钢筋网作为安全储备考虑。锚杆采用cable单元模拟, 超前小导管采用等效的方法予以考虑, 将超前小导管的弹性模量折算到地层^[9]。具体参数如表3所示。

原设计中断层破碎带隧道施工采用三台阶七步开挖法, 开挖顺序如图1所示, 支护参数如表2所示。在数值模拟过程中, 限制左、右位移为0, 底面位移为0, 上端为自由面。首先对模型进行初始化, 使模型达到原岩应力状态, 后将模型的初始位移及速度清零。开挖1步后进行初期支护, 直至1个循环结束。将FLAC3D的文件导入Tecplot软件进行后处理, 得到开挖后围岩的竖向位移等值线图, 如图3所示;锚杆轴力如图4所示。从图中可以看出, 靠近断层破碎带的拱肩位移明显大于其他位置, 锚杆在左侧拱肩轴力突然增大, 锚杆极可能发生破坏, 此处需加强支护。隧道最大竖向位移为16.807mm, 锚杆轴力最大值为278.5kN, 应力集中现象较显著, 隧道可能出现冒顶等事故, 支护结构可能发生破坏。

监控量测断面布置在ZK101+630断面, 由于受断层破碎带的影响, 掌子面节理发育, 围岩较破碎, 围岩等级为Ⅴ级。开挖掌子面揭露情况如图5所示。围岩拱顶沉降监测结果如图6所示。从拱顶沉降变化曲线看出拱顶沉降较大, 沉降没有达到稳定, 并有增大趋势。监测后沉降达到16.96mm, 数值模拟计算得出的最大竖向位移为16.807mm, 监控量测结果和数值模拟结果基本一致, 说明通过数值模拟的方法进行分析可行。

为了研究锚杆长度的影响, 选取锚杆长度分别为3, 3.5, 4, 4.5, 5m进行研究, 其他参数选取原设计参数。当锚杆长度为5m时, 最大竖向位移为16.709mm, 最大竖向应力为13.692MPa;锚杆长度为3m时, 最大竖向位移为16.976mm, 最大竖向应力为13.816MPa, 与原设计的16.807mm和13.786MPa相差不大。

原设计使用的喷射混凝土厚度为250mm, 为了研究喷射混凝土厚度的影响, 保持其他参数不变, 取喷射混凝土的厚度分别为200, 220, 240, 260, 280mm。模拟结果表明:当喷层厚度为280mm时, 最大竖向位移为16.247mm, 最大竖向应力为13.783MPa;喷层厚度为200mm时, 最大竖向位移为17.994mm, 最大竖向应力为13.709MPa。喷层厚度对模拟结果影响较大。

原设计中预在断层破碎带使用超前小导管、管棚、超前锚杆进行超前支护, 但未对支护的范围进行研究。本次研究选取距离隧道最近的断层破碎带区域进行加固, 宽度分别为2.5, 7.5, 12.5m, 模型如图7所示 (图中只截取模型一部分) 。当注浆范围为2.5m时, 隧道最大竖向位移为16.942mm, 最大竖向应力为13.227MPa;当注浆范围为7.5m时, 隧道最大竖向位移为14.283mm, 最大竖向应力为13.052MPa;当注浆范围为12.5m时, 隧道最大竖向位移为14.157mm, 最大竖向应力为12.967MPa。注浆加固区的范围对模拟结果影响很大。

通过数值模拟分析, 提出支护方案的优化方式:喷层厚度增大为280mm, 注浆范围取7.5m, 其他参数选取原设计参数。模拟结果表明:隧道围岩的最大竖向位移为14.562mm, 最大竖向应力为12.852MPa, 锚杆受力情况有所改善。改进后的方案与原设计支护方案相比取得不错效果, 没有出现大变形现象。优化后的竖向位移等值线和水平位移等值线如图8所示。

通过对原设计方案的改进, 在F3断层破碎带的进一步施工中采用改进后的方案。施工后对隧道进行监控量测, 采用改进方案后, 隧道的拱顶沉降和两帮收敛如图9所示。拱顶沉降达到16.89mm时, 围岩变形趋于稳定;两帮收敛达到17.98mm时, 围岩变形趋于稳定。

通过现场监控量测和数值模拟结果对比可以看出, 拱顶沉降的大小分别为14.562, 14.99mm, 两帮收敛分别为17.029, 17.98mm。改进后的支护模拟结果和数值模拟结果一致。改进支护方案后隧道的应力集中现象减弱, 隧道的拱顶沉降和两帮收敛减小, 隧道未发生安全事故。

1) 现场监控量测表明, 原设计支护方法存在围岩变形大及支护结构受力大的问题, 需对支护方法进行优化研究。通过对大沙湾隧道断层破碎带支护参数进行FLAC3D数值模拟研究, 得出锚杆长度、喷层厚度及注浆范围对隧道围岩变形与受力的影响规律。锚杆长度对模拟结果影响较小, 喷层厚度及注浆范围对模拟结果影响较大。

2) 结合数值模拟结果及现场实际情况, 优化方法为:喷层厚度由250mm调整为280mm;对断层破碎带进行注浆加固, 注浆加固范围为7.5m。对优化后方案进行现场监控量测, 量测结果表明, 优化后方案有效缓解应力集中现象, 减小围岩变形。