穿越富水断层破碎带隧道塌方机理分析与预防

　　摘 要 穿越山岭隧道常遇到断层破碎带。由于缺乏断层复杂岩体稳定性机理的研究与理解，隧道施工曾导致多起大变形甚至塌方事故。本文使用理论分析、离散元数值模拟方法，结合现场监测结果，对江西某高速铁路隧道过断层施工案例进行综合分析。在考虑断层破碎带地下水影响的前提下，开展富水断层破碎带施工过程中围岩失稳塌方的内在机理研究。研究得出：隧道穿越富水断层破碎带时，岩体结构面发育，且结构面间多充填碎屑或黏土充填物。随着施工扰动引发结构面发生错动，流动的地下水进一步对结构面形成冲刷，从而降低围岩的完整性与力学强度。断层破碎带抗剪强度越低，围岩松动范围越大，塌方概率与范围越大。根据“防水排水，强化围岩”的思路，本文提出了穿越断层破碎带防塌方的措施：设置迂回导坑、地层预加固、增加支护强度、优化施工工法及加强监控量测，可为此类隧道工程的安全施工提供参考。

　　本文源自杨建辉; 沈恺; 周杰; 薛亚东， 工程地质学报 发表时间：2021-05-13《工程地质学报》是我国工程地质学科综合性的高级学术期刊。《工程地质学报》办刊宗旨是加强学术交流，促进工程地质科学的了理论、应用和技术的发展，使工程地质学科更好地为国民经济建设服务。主管单位：中国科学院。

　　关键词 铁路隧道;塌方;离散元;机理分析;断层破碎带

　　0 引 言

　　近年来，随铁路隧道建设规模不断增大，隧道施工遭遇软弱围岩、岩溶、断层破碎带等不良地质的情况越来越多见，致使突水涌泥、隧道塌方等安全事故频发(吴学智等，2016;魏雪斐等，2019)。大断面隧道不利于承受荷载，穿越断层破碎带时易发生塌方事故，因此，对大断面隧道塌方机理开展研究具有重要的工程意义。

　　目前，国内外学者将隧道塌方影响因素归纳为地质条件、地下水影响、降雨影响及设计施工影响(Mete Kun et al.，2013;丰明海等，2014;尚彦军等，2018;杨成忠等，2018)，采用模型试验和数值分析等研究方法研究隧道塌方机理。数值分析方法种类繁多，目前适用于隧道塌方研究的主要有有限差分法、有限单元法、离散元法及非连续变形法。吴强(2009)等通过 FLAC3D 研究隧道塌方形成过程中围岩变形特征和初支受力情况。刘利生等(2019)通过 FLAC3D 和现场监测研究了隧道塌方的力学机制。徐前卫等(2016)利用数值模拟和室内试验相结合的方法，认为断层破碎带会降低隧道围岩稳定性。Zhong et al.(2020)通过 Abaqus 软件模拟了断层破碎带走滑运动及断层倾角对隧道的影响。基于连续介质力学的有限差分法和有限元法在模拟隧道塌方过程存在局限性，而离散元法由于在模拟岩石断裂过程中不需要对单元重新划分，能更好的模拟非连续介质大变形运动(薛亚东等，2020)。汪成兵(2008)等通过 PFC2D 模拟了隧道塌方全过程，提出大断面隧道高跨比越小，隧道塌方程度越严重。 Huang et al.(2020)运用 PFC2D 对比了断层比邻隧道和断层穿越隧道两种情况，认为断层穿越隧道时，对隧道影响更为显著。高峰等(2018)采用 UDEC 离散元法分别模拟了不同埋深、不同岩石结构和不同围岩级别隧道的塌方过程，认为围岩等级越高，塌方范围越大。Vazaios et al.(2019)通过有限离散元法讨论了天然节理的空间分布对开挖时围岩稳定性的影响。

　　在塌方处治措施研究中，张学文(2018)采用真空降水、双层大管棚等措施解决了富水粉细砂塌体的围岩二次变形、开挖困难等问题。李志厚等(2008)采用了洞内+洞外综合处治措施，以期从根本上预防塌方事故的发生。Zhang et al.(2019)通过注浆、排水等措施，对坍塌地层进行快速修复，并对坍塌段进行了现场监测，结果表明这些措施能有效地稳定塌方段地层。Wang et al.(2019)采取了改善围岩应力状态、提高支护承载力及调整开挖方式的方法处理塌方段施工。

　　目前，模拟隧道塌方过程的离散元分析以二维模型为主，不能直观、系统地研究穿越断层破碎带时隧道塌方空间规律。本文针对江西省某铁路隧道塌方事故，对塌方影响因素进行系统分析，并结合现场监测数据研究塌方前隧道围岩变形特征，同时采用三维接触算法离散元软件 MatDEM 模拟穿越断层破碎带时塌方全过程，在塌方机理的研究基础上，提出了针对性预防措施。

　　1 工程概况

　　江西省某铁路隧道为双线隧道，全长 10 240.225m，最大埋深约 580m。隧道地质构造及水文地质条件复杂，以变质砂岩、花岗岩、砂岩、石英砂岩等地层为主，围岩级别为Ⅱ~Ⅴ级，共发育 11 处断裂带。为便于表述，取掌子面里程为 K0+000，从洞内向洞外排定相对空间位置。

　　1.1 F8-1 断层破碎带地质概况

　　如图 1 所示，隧道穿越 F8-1 断层破碎带长度约 65m，起讫里程 K0+012~+077，产状 66°∠40°。 F8 断层破碎带为压性断裂，受旋扭作用影响，不同部位断裂面倾向不一，性质互异。由图 2 可见，掌子面揭示岩性为变质砂岩，灰黑色，局部褐黄色，全风化夹强风化，节理裂隙发育，岩体破碎，结构面间夹杂泥沙，为Ⅴ级围岩。根据地勘报告显示，断层破碎带富含承压水，洞身水压达 0.5MPa，最大涌水量为 5998.04m3 /d，为强富水区。

　　1.2 施工工况

　　塌方段 K0+057~K0+74 施工采用三台阶法，开挖跨度 14.96m，开挖高度 12.64m，断面面积 158.25m2，属大断面隧道。预支护采用φ89 洞身长管棚注浆，初期支护全环采用 HW175 型钢，纵向间距 0.6m，采用φ22 连接筋连接;拱墙设置φ6 钢筋网，网格间距 20×20cm;拱部采用φ22 组合中空锚杆，长度 4m，纵向和横向间距均为 1.5m;喷 C25 混凝土，厚度 28cm;边墙采用φ22 砂浆锚杆，长度 4m，纵向和横向间距分别为 1.2m 和 1.0m，隧道断面与支护参数如图 3 所示。

　　1.3 塌方过程

　　2019 年 10 月 11 日上台阶开挖至 K0+077 时拱脚位置发生涌水，并在 40min 内淹没至仰拱面，初始涌水量约 460m3 /h，之后涌水量逐步减小，最终稳定在 25m3 /h。14 日，揭示掌子面围岩为变质砂岩，涌水量稳定在 50～70m3 /h，水质浑浊，见图 4。10 月 31 日，对 K0+063.6 进行开挖。12 月 6 日，K0+061 拱顶至左侧边墙初支面上出现一条环向细裂纹。为防止初支进一步变形开裂，在 K0+060~065 中台阶边墙位置采用锚杆钻机打设φ89 管进行初支加固，钢管间距为 60cm，左右各打 8 根，打入长度 5m，钢管采用 L 筋与初支钢架焊接，并用槽钢与各根钢管纵向焊接为同一结构整体。

　　12 月 21 日对 K0+072~K0+077 处仰拱基底进行注浆加固，加固深度 5~9 m。12 月 27 日，在对 K0+000 上台阶初支进行局部补喷时， K0+063.6 处拱顶及左侧边墙发生坍塌(见图 5)。塌方段埋深约 110.21m，如图 6 所示，拱顶塌方范围约为 15m，坍体体积约 2000m3，预估塌腔体为帽型。

　　2 塌方前隧道围岩变形监测

　　选取了塌方段前后 7 个监测断面(K0+072、 K0+067、K0+062、K0+057、K0+052、K0+047 及 K0+042)，时间从 K0+072 初支施作完毕(2019 年 10 月 29 日)至塌方事故发生当天(2019 年 12 月 27 日)，共计 60d，监测频率为 1 次/ d。围岩变形时程曲线见图 7。

　　由图 7 可见，截止塌方当天，7 个监测断面均未表现出收敛的趋势，曲线以线性形式增长，说明隧道围岩受富水断层破碎带影响，围岩长时间仍较难达到稳定。拱顶下沉最大值 57.37mm 出现在 K0+072 处，拱顶下沉速率最大值 3.50mm/d 出现在 K0+062 处，边墙收敛最大值 54.96mm 出现在 K0+062 处，边墙收敛速率最大值 3.86mm/d 出现在 K0+052 处，表明塌方与围岩变形存在相关性，收敛量大且收敛速率快的段落塌方风险较高。K0+072 处距离涌水点位置最近，拱顶下沉量最大，但却并未塌方，塌方发生在 K0+63.6 处，说明塌方事故产生的原因不仅与断层破碎带、地下水等地质因素有关，也与施工、支护等因素有关。K0+062 处初期支护相较于其他断面支护薄弱，存在施工不到位的可能，加之上台阶 K0+57.8 处开挖爆破振动及机械振动的影响，诱发了本次塌方事故。

　　3 MatDEM 离散元模拟

　　MatDEM 是采用 GPU 矩阵计算法和三维接触算法的离散元软件(Liu 等，2017 朱晨光等，2019)，适用于模拟基于离散介质力学法的非连续材料在静载或动载作用下的力学响应过程。本研究通过 MatDEM 构建三维隧道施工模型利用颗粒间弹簧的法向刚度、切向刚度及抗剪强度来模拟结构面，进而模拟出隧道塌方全过程，分析塌方机理。

　　3.1 模型参数及 3D 建模

　　根据图 1 隧道塌方段，结合地质勘测资料，运用 MatDEM 离散元软件建立 110m×60m×55m 的全尺寸隧道模型，隧道模型见图 8。模型中，颗粒半径为 0.6m，总共 267794 个颗粒，四周边界采用固定约束，上边界采用应力约束，应力取 1MPa。支护方案基于文献(谷拴成等，2018)换算为支护与围岩等效锚固体并根据实际塌方情况进行了一定修正，围岩与锚固体宏观参数由室内试验及根据设计资料确定，微观参数通过转换公式(刘春等，2019，见附录 A)由宏观参数计算得出，具体参数见表 1，根据材料性质，模拟时间步确定为 5.0×10-5 s。

　　3.2 塌方过程模拟

　　隧道开挖前后围岩的应力状态见图 9，可以直观得出：隧道开挖前，断层破碎带与地层处于稳定状态，隧道开挖后，围岩应力二次重分布，断层破碎带及隧道周边出现了明显的应力集中。开挖后相较于开挖前，断层破碎带边界所受剪应力增大，隧道围岩压应力减小，而隧道围岩处于临空状态，导致岩块之间结构面法向力减小。由图 10 可见，当隧道开挖至断层破碎带处时，拱顶和边墙产生了应力集中，且左侧边墙应力大于右侧，与隧道在拱顶与左侧边墙处发生塌方的事实吻合。

　　由图 11(a)可见，隧道开挖后，断层破碎带内的软弱岩体产生了大范围松动，围岩位移最大值 1.12m 位于掌子面前方 30m 处，和现场塌方位置接近。上台阶和中台阶产生了一定的隆起，因此在掌子面开挖后应尽早施作初支，且闭合成环。由图 11 (b)可见，拱肩上部岩体位移较大，拱脚处位移较小，是隧道塌方后围岩应力释放导致。当颗粒间弹簧作用力为 0 时，可视作塌方，经计算塌方量为 2640m3，与现场坍塌体体积基本吻合。从隧道横剖面和纵剖面变形图可以看出，围岩最大松动范围在 13~17m，这与预估塌腔范围相符，并且可以观察到塌落拱的大致形状。

　　3.3 富水断层带模拟分析

　　基于现场调查与理论分析，地下水对断层带的影响主要表现为断层破碎带内岩体结构面抗剪强度的弱化，考虑两种极端抗剪强度(0.1 倍，2 倍)条件下，计算围岩最大位移量和塌方量，以研究地下水对隧道开挖带来的影响。由图 13 可见，围岩松动范围受结构面抗剪强度影响，取 0.1 倍抗剪强度时，围岩最大松动范围在 20 ~23m，塌方量为 13500m3，围岩最大位移 2.51m;采用实际抗剪强度时，围岩最大松动范围在 13~17m，塌方量 2640 m3，围岩最大位移 1.12m;取 2 倍抗剪强度时，围岩最大松动范围在 4~7m，塌方量为 16.7m3，围岩最大位移 0.80m。表明富水断层破碎带中结构面抗剪强度低，围岩松动范围大，出现围岩失稳塌方的概率与规模越大。

　　4 塌方机理分析

　　断层破碎带节理裂隙发育，岩体强度主要受结构面影响。结构面组数多，软、硬结构面混杂且排列无序导致断层破碎带岩体强度低，受地下水软化、泥化和润滑作用的进一步影响易发生塌方事故。地质构造及地下水因素是隧道塌方的主要因素及客观因素，支护及施工措施不到位是隧道塌方的次要因素及主观因素。通过 MatDEM 数值模拟计算结果，以及现场勘测的实际情况，对隧道塌方机理展开分析。

　　4.1 断层破碎带影响

　　断层破碎带结构面的性质主要由法向变形、剪切变形及抗剪强度三方面组成。隧道开挖后，受断层破碎带影响的浅部岩体出现应力集中现象，岩体产生两种破坏形式：岩体沿结构面法向张拉破坏、岩体沿结构面切向剪切破坏。为研究结构面法向变形能力和剪切变形能力，Goodman 提出了法向变形刚度