ISSN 1003-8035 CN 11-2852/P
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含断层偏压隧道围岩变形机理及支护方案优化

刘晓龙, 孙闯, 王慧, 张维明, 郑兴炫, 王毅婷

刘晓龙,孙闯,王慧,等. 含断层偏压隧道围岩变形机理及支护方案优化[J]. 中国地质灾害与防治学报,2025,36(1): 108-118. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202306014
引用本文: 刘晓龙,孙闯,王慧,等. 含断层偏压隧道围岩变形机理及支护方案优化[J]. 中国地质灾害与防治学报,2025,36(1): 108-118. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202306014
LIU Xiaolong,SUN Chuang,WANG Hui,et al. Deformation mechanism and optimum supporting structures in fault-bearing biased tunnels[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2025,36(1): 108-118. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202306014
Citation: LIU Xiaolong,SUN Chuang,WANG Hui,et al. Deformation mechanism and optimum supporting structures in fault-bearing biased tunnels[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2025,36(1): 108-118. DOI: 10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.202306014

含断层偏压隧道围岩变形机理及支护方案优化

详细信息
    作者简介:

    刘晓龙(2001—),男,山西吕梁人,硕士研究生,主要从事隧道工程数值计算方面的研究工作。E-mail:lxl321433714@163.com

    通讯作者:

    孙 闯(1983—),男,辽宁阜新人,教授,主要从事隧道及地下工程稳定性控制方面的研究工作。E-mail:sunchuang88@163.com

  • 中图分类号: U451+.2;P694

Deformation mechanism and optimum supporting structures in fault-bearing biased tunnels

  • 摘要:

    为探明复杂地质条件下隧道围岩变形机理,制定相适应的围岩变形控制技术,以清泉隧道为工程依托,对偏压隧道洞口段围岩变形进行分析,基于FLAC3D研究有无断层条件下不同支护状态围岩稳定性,明确围岩变形机理并提出控制措施。研究表明:(1)偏压效应下后行洞开挖扰动使上覆围岩与断层带相交层面张开、层间岩体弯折破裂,围岩应力重分布且断层破碎带进一步恶化,导致围岩变形严重;(2)软弱围岩自稳能力差,二次应力作用使得小净距隧道顶拱、边墙围岩产生可持续塑性变形,伴随着时间效应,对支护结构逐渐产生挤压变形,现有支护方案不能提供足够的支护强度和刚度以抵抗围岩变形;(3)提出的坡面锚索+深埋侧抗滑桩复合控制措施,可有效控制围岩变形,减弱断层破碎带恶化对围岩稳定性影响,数值计算结果与现场监测结果较为吻合。研究结果可为类似复杂地质条件下隧道围岩变形控制提供参考。

    Abstract:

    To explore the deformation mechanisms of tunnel surrounding rock under complex geological conditions and develop appropriate technologies for controlling surrounding rock deformation, this study analyzes the deformation of surrounding rock at the mouth section of a biased tunnel, using the Qingquan Tunnel as a case study. Based on FLAC3D, stability of surrounding rock under different support conditions with and without faults is studied to clarify the deformation mechanism of the surrounding rock and propose effective control measures. The study shows that: (1) Excavation disturbances during backward hole excavation under biased conditions cause tensional interaction between the overlying surrounding rock and fault zones, leading to the interlayer rock body bending, rupturing, and stress redistribution, exacerbating the fragmentation of fault zones and resulting in significant surrounding rock deformation. (2) Weak surrounding rock exhibits limited self-stabilization capacity; secondary stress induces sustainable plastic deformation in small clear span tunnel roofs and sidewalls, gradually causing squeezing deformation in support structures over time. Existing support schemes fail to provide sufficient strength and stiffness to resist surrounding rock deformation. (3) Proposed composite control measures of slope surface anchors and deep-buried lateral anti-sliping piles effectively control surrounding rock deformation, mitigate the adverse impact of fractured fault zones on rock stability, and numerical calculation results align closely with on-site monitoring results. The findings provide valuable insights for deformation control of tunnel surrounding rock under similar complex geological conditions.

  • 我国中西部地区地形复杂,隧道工程建设常遇荷载不对称等复杂地质条件,导致隧道结构出现偏压现象。相比于无偏压隧道,偏压隧道受力更为复杂,施工风险更高,若支护设计或施工方案不合理,极易引起安全事故,尤其是在坡体较陡或存在断层破碎带的区域[14]。因此,开展含断层破碎带偏压隧道围岩变形机理研究具有重要的科学价值和工程意义。

    针对含断层破碎带偏压隧道的围岩变形机理研究,国内外学者开展了大量工作并取得了丰硕的成果。学者们主要从围岩岩性、物理力学特性及水文地质条件等方面出发研究围岩压力变化规律[58],采用极限平衡法求解隧道深、浅埋侧滑动阻力及水平侧压力系数,进而建立围岩压力计算公式[910];邵江等[11]研究了不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响;董建华等[12]将简化计算方法应用于洞口段浅埋偏压隧道防护结构措施的方案参考;Li等[13]针对围岩变形过程中将产生的一系列岩石裂隙,分析了围岩变形微震b值及其时间变化特征,为围岩变形预警提供了重要参考;Ma[14]利用FLAC3D模拟了隧道施工过程中,各围岩体参数对地表沉降的影响,给出了隧道施工不均匀沉降的经验公式;孔超等[15]通过数值模拟分别计算了偏压隧道拱顶及边墙处的围岩特征曲线,并建立了隧道支护变形失稳模型,研究了支护承载及失稳机理。

    目前有关围岩变形机理的研究多集中于单一或多层岩性地质条件如文献[1516],针对含断层破碎带偏压小净距隧道围岩变形机理及控制研究较少。本文以清泉含断层带偏压小净距公路隧道为工程依托,采用现场调研和变形监测数据统计分析方法,对现场隧道围岩破坏机理进行研究;利用FLAC3D模拟有无断层及不同支护状态下隧道围岩变形破坏规律;在此基础上提出洞口段坡面锚索+深埋侧抗滑桩的复合支护形式,分析该支护系统对隧道围岩稳定性的影响,通过与现场监测数据进行对比分析,验证该支护方案的可行性。

    清泉隧道位于甘肃省天水市境内,小净距双洞短隧道净宽为14 m,净高为5 m,最大埋深约90 m。现场调查及钻孔揭示地层情况如图1所示,坡体上部以黄土为主,垂直节理发育;中部为破碎的片麻岩,节理裂隙发育;坡体内存在易沿倾向塌落、抗风化及自稳能力极差的条带状片麻岩捕虏体;下部为花岗岩,裂隙发育。隧道进口处表层为强风化花岗岩及石英片岩,大部分基岩裸露,节理裂隙发育,地形条件差。

    图  1  地质剖面图
    Figure  1.  Geological cross-section profile

    施工期间,隧道进口处仰坡坡面上部平台出现多条裂缝,并有增大趋势,如图2(a)所示;边坡防护工程及便道处也发生多次小范围溜塌,如图2(b)所示;后行洞(以下简称左洞)出口处原状山体在未施工扰动的情况下出现连续的坍塌,后期出洞存在较大的坍塌风险,且有继续向上扩展的趋势,如图2(c)所示。

    图  2  洞口段坡面破坏
    Figure  2.  Slope damage at the tunnel cave section

    先行洞(以下简称右洞)贯通后施加支护结构,左洞施工进尺89 m,右洞二衬及仰拱出现不同程度裂纹,如图2(d)所示;洞口仰拱出现裂缝后,裂缝持续发展,且新增裂缝数量较多;洞内伞状临时支撑发生变形,深埋侧临时支撑竖梁弯曲变形严重,如图2(e)所示。左洞进口边仰坡出现裂缝后,仰坡临时防护出现了多条不同程度的贯通裂缝,进洞口套拱出现斜向开裂,深埋侧边墙拱脚位置出现多处边墙混凝土脱落,部分拱脚钢筋受挤压外露。

    根据现场实际情况,利用FLAC3D数值软件建立含断层偏压隧道精细化模型(图3),模拟小净距隧道开挖对隧道荷载分布的影响,分析含断层隧道开挖情况下围岩变形演化规律。模型边界设置为弹性边界,隧道左右土层尺寸取开挖宽度的4倍,下部土层尺寸取隧道高度的3倍,上部土层延伸到地表。X方向垂直于隧道掘进方向,Y方向为隧道掘进方向,Z方向为竖直方向。为真实反映偏压隧道支护结构变形破坏特征,选用可破裂式衬砌结构单元[17]

    图  3  三维模型示意图
    Figure  3.  Schematic diagram of the 3D model

    基于本文工程背景及复杂地质条件下应用GSI围岩评级系统在小净距隧道数值模拟中能够有效模拟现场破坏情况[18],结合上述现场勘查及掌子面观测,针对TRT勘测结果,采取隧道围岩量化评级方法,估算该区段围岩峰值GSI指标在39~45之间,峰后残余GSI指标在27~33之间。现场对隧道围岩进行取样,加工岩体试件为圆柱形,根据规范试件高度与直径比H/R=2~2.5,取试件尺寸为半径r=25 mm,高H=100 mm,试件及试验设备如图4所示。通过室内单轴压缩试验,获得围岩单轴压缩试验结果后依据等效节理岩体应变软化模型参数处理如式(1)—(12),计算模型力学参数结果如表1所示。

    图  4  试件及试验装置
    Figure  4.  Test specimens and experimental setup
    表  1  计算模型力学参数
    Table  1.  Mechanical parameters of the computational model
    材料 E/GPa υ $m_{\mathrm{b}}^{\mathrm{p}} $ sp/(10−3 mbr sr/(10−3 η*
    黄土 3.02 0.25 0.83 0.4 0.69 0.2 0.012
    片麻岩 4.89 0.25 1.17 1.3 0.73 0.3 0.0038
    花岗岩 8.66 0.25 1.68 3.9 0.82 0.4 0.002
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    基于H-B屈服准则[19],即:

    $$ {\sigma }_{1}={\sigma }_{3}+{\sigma }_{{\mathrm{ci}}}\left({m}_{{\mathrm{b}}}\frac{{\sigma }_{3}}{{\sigma }_{{\mathrm{ci}}}}+s\right)^{a} $$ (1)

    式中:σ1σ3——掩体破坏时最大、最小主应力;

    σci——岩块单轴抗压强度;

    mbsa——均为常数,其中mbmi折算值,反映 岩体破坏程度,取值范围在0~1之间。

    mbsa由式(2)—(5)得出:

    $$ \left. \begin{gathered} {m_{\text{b}}} = {m_i}\exp \left(\frac{{GSI - 100}}{{28 - 14D}}\right) \\ s = \exp \left(\frac{{GSI - 100}}{{9 - 3D}}\right) \\ a = \frac{1}{2} + \frac{1}{6}\left({{\mathrm{e}}^{ - GSI/15}} - {{\mathrm{e}}^{ - 20/3}}\right) \\ \end{gathered} \right\} $$ (2)

    若假设H-B常数中的mbsη值线性衰减,通过最大主塑性应变和最小主塑性应变的差值获得的软化参数η定义为塑性剪切应变,则可得到H-B应变软化模型,其关系式为:

    $$ \omega (\eta ) = \left\{ \begin{gathered} {\omega ^{\mathrm{p}}} - \frac{{{\omega ^{\mathrm{p}}} - {\omega ^{\mathrm{r}}}}}{{{\eta ^ * }}}\eta ,\mathop {}\nolimits^{} 0 < \eta < {\eta ^ * } \\ {\omega ^{\mathrm{r}}},\mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} \mathop {}\nolimits^{} \eta \geqslant {\eta ^ * } \\ \end{gathered} \right. $$ (3)
    $$ {\gamma ^{{\mathrm{p}}}} = \eta = \varepsilon _1^{\mathrm{p}} - \varepsilon _3^{\mathrm{p}} $$ (4)

    式中:ωp——峰值参数;

    ωr——残余参数;

    ω可以代替H-B模型中的mbs常数;

    γp——塑性剪切应变;

    $\varepsilon _1^{\mathrm{p}}$、$\varepsilon _3^{\mathrm{p}}$——最大、最小塑性应变。

    岩体最大主塑性应变可表示为:

    $$ \varepsilon _1^{\mathrm{p}} = \varepsilon _1^{{\mathrm{peak,e}}} + \varepsilon _1^{{\mathrm{drop}}} - \varepsilon _1^{\mathrm{e}} $$ (5)

    式中:$\varepsilon _1^{{\mathrm{peak,e}}}$——峰前弹性最大主应变;

    $\varepsilon _1^{{\mathrm{drop}}}$——峰后软化应变;

    $\varepsilon _1^{\mathrm{e}}$——弹性最大主应变。

    其中,

    $$ \left. \begin{gathered} \varepsilon _1^{{\mathrm{peak,e}}} = \frac{{\sigma _1^{\mathrm{p}}({\sigma _3})}}{E} \\ \varepsilon _1^{{\mathrm{drop}}} = \frac{{\sigma _1^{\mathrm{p}}({\sigma _3}) - \sigma _1^r({\sigma _3})}}{{ - M}} \\ \varepsilon _1^{\mathrm{e}} = \frac{{\sigma _1^{\mathrm{r}}({\sigma _3})}}{E} \\ \end{gathered} \right\} $$ (6)

    式中:$\sigma _1^{\mathrm{p}}$——峰值主应力;

    $\sigma _1^{\mathrm{r}}$——残余主应力;

    E——节理岩体弹性模量。

    在考虑剪胀角ψ时,$\varepsilon _3^{\mathrm{p}}$可表示为:

    $$ \varepsilon _3^{\mathrm{p}} = - \frac{1}{2}{k_\psi } \cdot \varepsilon _1^{\mathrm{p}} $$ (7)

    其中,

    $$ {K_\psi } = \frac{{1 + \sin \psi }}{{1 - \sin \psi }} $$ (8)

    ψ=0时,式(7)可变为:

    $$ \varepsilon _3^{\mathrm{p}} = - \frac{1}{2}\varepsilon _1^{\mathrm{p}} $$ (9)

    软化曲线斜率M是控制节理岩体软化过程的关键,本文采用Alejano等[20]提出的考虑围压变化及岩体质量等级的公式,即:

    $$ M = - \xi \cdot E $$ (10)

    其中,当$\dfrac{{{\sigma _3}}}{{\sqrt {{s^{\mathrm{p}}}} {\sigma _{{\mathrm{ci}}}}}} \leqslant 0.1$时;

    $$ \xi = \left[ {0.004\;6{{\mathrm{e}}^{0.076\;8GS{I^{\mathrm{p}}}}}} \right]{\left( {\frac{{{\sigma _3}}}{{\sqrt {{S^{\mathrm{p}}}} {\sigma _{{\mathrm{ci}}}}}}} \right)^{ - 1}} $$ (11)

    当$\dfrac{{{\sigma _3}}}{{\sqrt {{s^{\mathrm{p}}}} {\sigma _{{\mathrm{ci}}}}}} \geqslant 0.1$时;

    $$ \xi = \left[ {0.004\;6{{\mathrm{e}}^{0.076\;8GS{I^{\mathrm{p}}}}}} \right]{\left( {\frac{{{\sigma _3}}}{{2\sqrt {{S^{\mathrm{p}}}} {\sigma _{{\mathrm{ci}}}}}} + 0.05} \right)^{ - 1}} $$ (12)

    采用上述模型参数开展小净距隧道台阶法开挖数值计算,对有无断层及不施加支护结构和现有支护结构等方案计算结果进行对比,计算结果如图5所示。由数值计算结果可得,隧道开挖后围岩沿坡面倾向产生位移变形趋势;无支护状态下含断层情况对围岩变形影响明显大于无断层情况,最终变形量稳定在120~155 mm。含断层现有支护条件下,右洞中线至浅埋侧产生较大的变形,左洞偏压变形较缓,拱顶位置竖向沉降量大于右洞,且施加现有支护方案后,围岩变形抑制效果未达到要求。

    图  5  计算结果位移云图
    Figure  5.  Displacement contour map of simulation results

    有无断层及不同支护方案下洞口断面拱顶围岩变形降监测如图6所示,监测点拱顶沉降随计算时间增加先逐渐增大后趋于稳定。无支护方案下有无断层的计算结果如图6(a)所示,无断层情况下左洞洞口断面拱顶沉降速率大于右洞,拱顶最大沉降量为129.79 mm,右洞初期应力平衡后拱顶最大沉降量为49.32 mm,在左洞开挖扰动下围岩再次发生变形,最终沉降量为101.17 mm。含断层情况下左洞洞口断面拱顶最大沉降量为154.85mm,右洞初期应力平衡后拱顶最大沉降量为60.24 mm,在左洞开挖扰动下围岩再次发生变形,最终沉降量为123.38 mm。洞口断面围岩内含断层带地质条件下现有支护方案计算结果如图6(b)所示,左洞未开挖时右洞拱顶沉降缓慢增加且最后趋于稳定,拱顶最大沉降量为51.87 mm;左洞施工后,右洞围岩进一步发生变形,最后沉降量稳定在111.17 mm;左洞沉降速率大于右洞,并在右洞沉降变形稳定后趋于稳定,最大沉降量为119.77 mm。不同支护条件下数值计算结果如图6(c)所示,采用现有支护方案后,右洞单独开挖拱顶最大沉降量差值为8.37 mm;左洞采用现有支护方案后拱顶最大沉降量降低了35.08 mm,右洞采用现有支护方案后最终拱顶沉降量降低了12.21 mm。

    图  6  沉降监测曲线
    Figure  6.  Settlement monitoring curve

    无支护与现有支护方案两种工况数值计算结果收敛变形趋势一致,由图7(a)结果显示,左洞在有无断层情况下,收敛变形量差值为4.81 mm;在有无支护情况下,收敛变形量差值为0.99 mm。由图7(b)结果显示,右洞有无断层情况下,最终收敛变形量差值为11.23 mm;在有无支护情况下,收敛变形量差值为3.18 mm。右洞径向变形在左洞开挖后增加,各监测点均随左洞的开挖产生明显位移增量。

    图  7  收敛监测曲线
    Figure  7.  Convergence monitoring curve

    由上述围岩变形特征可知,右洞支护结构前期受力以围岩自重为主,初期支护能够提供足够的约束反力以抵抗围岩变形;左洞施工后,偏压效应导致洞口断面再次变形,并且最终变形量超过预留变形量,表现为围岩失稳。含断层偏压小净距隧道围岩变形机理可总结为:

    (1)据现场原位测试以及数值计算结果分析可知,现场断层破碎带呈东南倾向25°~45°倾斜,存在围岩软、硬互层及完整、破碎交错的情况,由于断层破碎带内节理裂隙发育、围岩性状及自稳能力差的特点,开挖卸荷进一步使断层带围岩破碎化,导致顶拱、边墙围岩显著变形等现象。

    (2)偏压效应下左洞开挖扰动使上覆围岩与断层破碎带相交层面张开、层间岩体弯折破裂,隧道断面产生不可逆的挤压变形。左洞开挖后导致隧洞围岩应力重分布,引起不可逆的围岩变形,与断层破碎带交叉影响作用于顶拱、边墙等位置,进一步加剧变形。

    (3)偏压效应使得围岩在左洞开挖扰动下出现应力集中,并产生可持续塑性变形。隧道上覆围岩自稳能力差,受偏压作用和开挖卸荷影响,产生了围岩松动变形,随着时间增长,对支护结构产生挤压,导致拱顶支护整体沉降,出现严重的扭曲变形,拱腰处出现二次衬砌开裂,仰拱处发生回填隆起。

    (4)由于现有支护方案未能提供足够的支护强度和刚度,在上覆围岩发生持续变形时,施加U型钢后浇筑混凝土支护无法较好地控制围岩变形,导致隧道在围岩压力作用下产生支护结构变形侵限、失效。

    总结现有支护破坏特征及隧道开挖数值计算结果,原隧道支护设计方案无法提供足够的约束反力来抵抗围岩变形,对含断层偏压隧道适用性较差,应对洞口段围岩变形采取相应的控制措施,并调整后行洞开挖参数。

    基于含断层偏压小净距隧道围岩变形的诱发因素及变形特征,针对现阶段左洞开挖引起的围岩不稳定变形加剧现象,提出相应的治理方案,以控制围岩变形。

    根据隧道左右洞口段支护破坏情况及数值计算结果,预设计围岩变形控制方案,设计材料参数及数值计算结果如表23图8所示,采用坡面锚索控制岩体的位移,防止断层导致的滑坡;埋设抗滑桩以支挡滑动力及偏压效应下应力分布不均匀情况,并采用数值计算验证其可行性。

    表  2  各控制方案及数值计算模型
    Table  2.  Various control schemes and numerical calculation models
    模拟工况 支护参数 支护模型图
    支护方案A 现行隧道支护方案+坡面锚索
    支护方案B 现行隧道支护方案+深埋侧抗滑桩(间距8 m)
    支护方案C 现行隧道支护方案+坡面锚索(倾角15°)+深埋侧抗滑桩(间距8 m)
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    表  3  材料参数表
    Table  3.  Table of material parameters
    材料 γ/(kN∙m−3 E/MPa v c/kPa φ/(°)
    抗滑桩 25.0 32500 0.2
    锚索 22.0 1800 0.35 30 25
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    图  8  计算结果位移云图
    Figure  8.  Displacement contour map of simulation results

    不同控制方案下数值计算位移云图如图8所示,围岩变形规律基本一致,偏压现象明显,右洞浅埋侧拱脚围岩变形范围比深埋侧大,围岩变形集中在左洞拱顶位置及右洞与断层带接触位置。对比分析不同控制方案数值计算结果可知:

    (1)单独采用抗滑桩或锚索控制时效果如图8(a)、(b)所示,围岩变形集中于左洞拱顶位置及右洞上覆断层位置,且向深部扩展明显。在未施加控制措施时,上覆围岩内含断层带整体稳定性较差,在卸荷回弹应力重分布的影响下,即使施加二衬仰拱等支护结构,洞口段围岩也会沿竖向发生明显变形,围岩稳定性较差。

    (2)复合控制效果如图8(c)所示,围岩变形范围逐渐减小且变形区域更加均匀,上覆围岩由拱顶沉降的集中变形发展至隧道周边的围岩分散变形,其原因可归纳为复合控制方案显著增强了断层带施加给围岩的挤压应力,使围岩的整体强度得到有效发挥。值得注意的是,虽然复合控制方案能显著改善上覆断层带引发的局部失稳,但整体围岩变形的不均匀性依旧明显,主要表现为拱顶沉降显著大于两帮变形。

    图9(a)可知:在隧道洞口段施加抗滑桩、锚索以及复合控制措施后,前期围岩变形趋势一致,坡面锚索控制下左洞拱顶沉降量差值为85.87 mm,右洞拱顶沉降量差值为59.58 mm;施加抗滑桩后左洞拱顶沉降量差值为95.47 mm,右洞拱顶沉降量差值为59.62 mm;复合控制方案施作后左洞拱顶沉降量差值为103.47 mm,右洞拱顶沉降量差值为68.89 mm;复合控制方案下围岩变形控制效果最好。围岩变形随断层分布呈偏压式分布,表明在层状复合围岩条件下,含断层破碎带隧道围岩产生的大变形更加明显。断层破碎带影响应力分布,通过改善支护结构受力条件,施加抗滑桩+锚索复合控制措施,有效减小围岩的不均匀变形。

    图  9  不同围岩变形支护方案下拱顶沉降量
    Figure  9.  Settlement amount at the arch crown under different surrounding rock deformation control schemes

    进一步优化上述复合控制措施参数,通过改变锚固角度、长度、预应力等,与抗滑桩共同作用,选取最优材料参数应用于工程,支护参数及围岩变形结果如表4所示。抗滑桩长为25m时,拱顶沉降量达到预定控制效果,改变抗滑桩参数后变形控制效果不明显,故选用4号支护参数。

    表  4  不同支护参数拱顶沉降量对比表
    Table  4.  Comparison of vault settlement at the arch crown with different control parameters
    支护
    参数
    抗滑桩
    桩长/m
    锚索
    倾角/(°)
    锚固段
    长度/m
    锚索预
    应力/kN
    后行洞拱顶
    沉降/mm
    1 10 15 6 50 68.3
    2 15 20 9 100 65.7
    3 20 25 12 150 59.4
    4 25 30 15 200 53.5
    5 30 35 18 250 51.3
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    基于所选取的参数,沿隧道进线坡面走向设立锚索+深埋侧抗滑桩如图10所示,抗滑桩设于后行洞据中线深埋侧11.5 m位置处。抗滑桩截面尺寸均为2.5×3.0 m,桩长为25 m,相邻桩中线间距为5 m,共设计4根锚固桩,桩身采用C35钢筋混凝土。锚索长选为45 m,倾角30°,以断层带为界,根据断层倾向设置台阶式分布设计,上部锚固段长为20 m,自由段长度为20 m,加设预应力大小为200 kN。针对断层位置,通过改变锚固段长度达到锚固断层破碎带的目的,设计锚固段长度为15 m,自由段长度为30 m,加设300 kN的预应力。

    图  10  控制方案设计
    Figure  10.  Schematic diagram of the design for control schemes

    由如图5(d)与图11的数值计算结果对比可知,未施加复合控制方案时,围岩变形集中于左洞拱顶位置、右洞上覆断层位置,隧道偏压现象明显;施加复合控制措施后,偏压范围大幅度减小,围岩最大变形逐渐减小,且断层破碎带对应力重分布影响减弱,隧道拱顶沉降逐渐趋于稳定,且在现行支护结构预留变形量范围内。

    图  11  施加最优控制方案后围岩变形控制效果
    Figure  11.  Effect of the surrounding rock deformation control after implementing the optimal control scheme

    施加坡面锚索+深埋侧抗滑桩后,有效增加了滑动区域摩擦力,使互层结构岩面更加结合紧密;在深埋侧设立抗滑桩有效支挡了滑体的滑动力;高地应力偏压+断层破碎带导致隧道开挖过程中围岩破坏严重,施加复合控制结构后对穿透破碎带围岩稳定影响显著。中下部预应力锚索与深埋侧抗滑桩对围岩变形起关键作用,较好地控制隧道偏压区,限制了隧道开挖过程中由断层破碎带及高应力卸荷扰动造成的变形破坏。

    将上述控制方案应用于现场施工,如图12所示,现场实时监测后行洞已成型洞口、新开挖断面及其相邻位置的围岩变形情况,验证预应力锚索+抗滑桩结构作用于含断层破碎带小净距隧道开挖的施工效应。

    图  12  现场施工效果
    Figure  12.  On-site construction effect

    施加围岩变形复合控制系统后,对后行洞新开挖断面及相邻断面继续监测其累计沉降变形量,如图13所示。监测结果与数值计算结果较为吻合,各监测点位置沉降量逐渐减小,左洞洞口断面拱顶位置沉降量最大差值为87.91 mm,右洞洞口断面拱顶位置沉降量最大差值为52.37 mm,新开挖断面及相邻断面随着支护结构施工完成,沉降量趋于稳定。峰值沉降量稳定在80.00 mm以内,符合规范要求。

    图  13  现场洞口断面沉降监测曲线
    Figure  13.  Settlement monitoring curve at the on-site tunnel cave section

    对比分析数值计算结果及现场监测结果可知,浇筑抗滑桩和施加预应力锚索法在控制围岩变形方面具有可行性,通过抗滑桩的设置有效减弱小净距隧道高应力卸荷扰动造成应力分布不均匀带来的影响;施加预应力锚索用于控制断层破碎带,避免了开挖卸荷及围岩破碎引发的岩体失稳破坏,保证了施工安全,减少了高地应力偏压及断层破碎带对隧道衬砌结构的破坏,更加有效地控制了隧道围岩的稳定性。

    通过对清泉含断层偏压小净距隧道变形量测数据统计分析,针对围岩变形机理研究总结并提出控制措施,得出结论如下:

    (1)偏压效应下左洞开挖扰动使上覆围岩与断层破碎带相交层面张开、层间岩体弯折破裂,且围岩应力产生重分布;开挖卸荷使断层破碎带进一步恶化,二次应力作用使得软弱围岩在后行洞开挖扰动下产生可持续塑性变形;对比分析现场支护破坏及数值计算结果可知,含断层情况下,左、右洞拱顶的沉降量相比于无断层情况下增大15~25 mm,隧道洞口段深埋侧边坡在高应力偏压卸荷扰动下产生坍塌、滑坡等现象,加速支护结构变形。

    (2)通过数值计算分析隧道现场支护方案下围岩变形规律,小净距隧道沉降和收敛随时间发展的趋势基本一致,沉降变形大于收敛变形,稳定时间也相对较短。上部围岩自重与断层破碎带周围岩体的层间相对滑动对隧道变形影响增大,在断层破碎带及高地应力偏压效应下,围岩自重对洞口断面产生挤压,使得支护结构所承受的约束力大于极限承载力,造成隧道洞口断面失稳变形。

    (3)选取25 m长抗滑桩+倾角30°、预应力200 kN锚索复合支护控制围岩变形,控制前后左洞拱顶沉降量差值为87.91 mm,右洞新开挖断面最大沉降量为52.37 mm,处于安全控制范围,坡面锚索的施加使得断层破碎带得到了有效控制,深埋侧抗滑桩有效支挡了隧道洞口边坡的滑动力,支护效果显著,满足安全生产要求,可为类似含断层带隧道围岩变形控制提供参考。

  • 图  1   地质剖面图

    Figure  1.   Geological cross-section profile

    图  2   洞口段坡面破坏

    Figure  2.   Slope damage at the tunnel cave section

    图  3   三维模型示意图

    Figure  3.   Schematic diagram of the 3D model

    图  4   试件及试验装置

    Figure  4.   Test specimens and experimental setup

    图  5   计算结果位移云图

    Figure  5.   Displacement contour map of simulation results

    图  6   沉降监测曲线

    Figure  6.   Settlement monitoring curve

    图  7   收敛监测曲线

    Figure  7.   Convergence monitoring curve

    图  8   计算结果位移云图

    Figure  8.   Displacement contour map of simulation results

    图  9   不同围岩变形支护方案下拱顶沉降量

    Figure  9.   Settlement amount at the arch crown under different surrounding rock deformation control schemes

    图  10   控制方案设计

    Figure  10.   Schematic diagram of the design for control schemes

    图  11   施加最优控制方案后围岩变形控制效果

    Figure  11.   Effect of the surrounding rock deformation control after implementing the optimal control scheme

    图  12   现场施工效果

    Figure  12.   On-site construction effect

    图  13   现场洞口断面沉降监测曲线

    Figure  13.   Settlement monitoring curve at the on-site tunnel cave section

    表  1   计算模型力学参数

    Table  1   Mechanical parameters of the computational model

    材料 E/GPa υ $m_{\mathrm{b}}^{\mathrm{p}} $ sp/(10−3 mbr sr/(10−3 η*
    黄土 3.02 0.25 0.83 0.4 0.69 0.2 0.012
    片麻岩 4.89 0.25 1.17 1.3 0.73 0.3 0.0038
    花岗岩 8.66 0.25 1.68 3.9 0.82 0.4 0.002
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    表  2   各控制方案及数值计算模型

    Table  2   Various control schemes and numerical calculation models

    模拟工况 支护参数 支护模型图
    支护方案A 现行隧道支护方案+坡面锚索
    支护方案B 现行隧道支护方案+深埋侧抗滑桩(间距8 m)
    支护方案C 现行隧道支护方案+坡面锚索(倾角15°)+深埋侧抗滑桩(间距8 m)
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    表  3   材料参数表

    Table  3   Table of material parameters

    材料 γ/(kN∙m−3 E/MPa v c/kPa φ/(°)
    抗滑桩 25.0 32500 0.2
    锚索 22.0 1800 0.35 30 25
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    表  4   不同支护参数拱顶沉降量对比表

    Table  4   Comparison of vault settlement at the arch crown with different control parameters

    支护
    参数
    抗滑桩
    桩长/m
    锚索
    倾角/(°)
    锚固段
    长度/m
    锚索预
    应力/kN
    后行洞拱顶
    沉降/mm
    1 10 15 6 50 68.3
    2 15 20 9 100 65.7
    3 20 25 12 150 59.4
    4 25 30 15 200 53.5
    5 30 35 18 250 51.3
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  • [1] 付君宜,陈发达,沈志平,等. 岩溶山区城市地下隧道工程地质灾害风险分析[J]. 中国地质灾害与防治学报,2023,34(3):100 − 108. [FU Junyi,CHEN Fada,SHEN Zhiping,et al. Risk analysis of the geological hazards during urban tunnel construction in mountainous Karst areas[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2023,34(3):100 − 108. (in Chinese with English abstract)]

    FU Junyi, CHEN Fada, SHEN Zhiping, et al. Risk analysis of the geological hazards during urban tunnel construction in mountainous Karst areas[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2023, 34(3): 100 − 108. (in Chinese with English abstract)

    [2] 昝文博,赖金星,曹校勇,等. 漂卵石隧道围岩力学响应与失稳破坏机制[J]. 岩石力学与工程学报,2021,40(8):1643 − 1653. [ZAN Wenbo,LAI Jinxing,CAO Xiaoyong,et al. Mechanical responses and instability failure mechanisms of surrounding rock of tunnels in boulder-cobble mixed stratum[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2021,40(8):1643 − 1653. (in Chinese with English abstract)]

    ZAN Wenbo, LAI Jinxing, CAO Xiaoyong, et al. Mechanical responses and instability failure mechanisms of surrounding rock of tunnels in boulder-cobble mixed stratum[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(8): 1643 − 1653. (in Chinese with English abstract)

    [3] 岳中琦. 梅大高速公路路基边坡失稳条件与滑坡机理初探[J]. 中国地质灾害与防治学报,2024,35(4):1 − 12. [YUE Zhongqi. Study on the instability condition and landslide mechanism of subgrade slope in Mei–Da Expressway[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2024,35(4):1 − 12. (in Chinese with English abstract)]

    YUE Zhongqi. Study on the instability condition and landslide mechanism of subgrade slope in Mei–Da Expressway[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2024, 35(4): 1 − 12. (in Chinese with English abstract)

    [4] 胡炜, 谭信荣, 蒋尧, 等. 深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例[J]. 水文地质工程地质,2020,47(3):60 − 68. [HU Wei, TAN Xinrong, JIANG Yao, et al. A study of the mechanism and regularity of failures in the surrounding rock of a deep buried bias tunnel embedded in geologically bedding strata: Taking one tunnel of the Zhengwan line as an example[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2020,47(3):60 − 68. (in Chinese with English abstract)]

    HU Wei, TAN Xinrong, JIANG Yao, et al. A study of the mechanism and regularity of failures in the surrounding rock of a deep buried bias tunnel embedded in geologically bedding strata: Taking one tunnel of the Zhengwan line as an example[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2020, 47(3): 60 − 68. (in Chinese with English abstract)

    [5] 杜建明,房倩. 考虑黏聚力与内摩擦角的变坡面浅埋偏压隧道围岩压力计算方法[J]. 湖南大学学报(自然科学版),2022,49(1):165 − 173. [DU Jianming,FANG Qian. Calculation method of surrounding rock pressure of shallow-buried and asymmetrical pressure tunnel under variable slopes considering cohesion and internal friction angle[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences),2022,49(1):165 − 173. (in Chinese with English abstract)]

    DU Jianming, FANG Qian. Calculation method of surrounding rock pressure of shallow-buried and asymmetrical pressure tunnel under variable slopes considering cohesion and internal friction angle[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2022, 49(1): 165 − 173. (in Chinese with English abstract)

    [6] 康永水,耿志,刘泉声,等. 我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展[J]. 岩土力学,2022,43(8):2035 − 2059. [KANG Yongshui,GENG Zhi,LIU Quansheng,et al. Research progress on support technology and methods for soft rock with large deformation hazards in China[J]. Rock and Soil Mechanics,2022,43(8):2035 − 2059. (in Chinese with English abstract)]

    KANG Yongshui, GENG Zhi, LIU Quansheng, et al. Research progress on support technology and methods for soft rock with large deformation hazards in China[J]. Rock and Soil Mechanics, 2022, 43(8): 2035 − 2059. (in Chinese with English abstract)

    [7] 严涛,李坤杰,牟智恒,等. 变坡条件下浅埋偏压隧道围岩压力解析法[J]. 西南交通大学学报,2020,55(3):531 − 536. [YAN Tao,LI Kunjie,MOU Zhiheng,et al. Analytical method for calculation of surrounding rock pressure of shallow-buried and unsymmetrically loaded tunnel adjacent to variable slope[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2020,55(3):531 − 536. (in Chinese with English abstract)]

    YAN Tao, LI Kunjie, MOU Zhiheng, et al. Analytical method for calculation of surrounding rock pressure of shallow-buried and unsymmetrically loaded tunnel adjacent to variable slope[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(3): 531 − 536. (in Chinese with English abstract)

    [8] 池建军,刘登学,丁秀丽,等. 第三系泥岩隧洞围岩大变形成因及应对措施[J]. 长江科学院院报,2022,39(10):88 − 96. [CHI Jianjun,LIU Dengxue,DING Xiuli,et al. Causes and countermeasures of large deformation in a tunnel with tertiary mudstone[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2022,39(10):88 − 96. (in Chinese with English abstract)] DOI: 10.11988/ckyyb.20211286

    CHI Jianjun, LIU Dengxue, DING Xiuli, et al. Causes and countermeasures of large deformation in a tunnel with tertiary mudstone[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2022, 39(10): 88 − 96. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.11988/ckyyb.20211286

    [9] 张广泽,邓建辉,王栋,等. 隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法[J]. 工程科学与技术,2021,53(1):1 − 12. [ZHANG Guangze,DENG Jianhui,WANG Dong,et al. Mechanism and classification of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnels[J]. Advanced Engineering Sciences,2021,53(1):1 − 12. (in Chinese with English abstract)]

    ZHANG Guangze, DENG Jianhui, WANG Dong, et al. Mechanism and classification of tectonic-induced large deformation of soft rock tunnels[J]. Advanced Engineering Sciences, 2021, 53(1): 1 − 12. (in Chinese with English abstract)

    [10] 杜建明,房倩,海路,等. 地表变坡下浅埋偏压隧道围岩压力计算方法[J]. 中南大学学报(自然科学版),2021,52(11):4088 − 4098. [DU Jianming,FANG Qian,HAI Lu,et al. Calculation method for surrounding rock pressure of shallow tunnel with asymmetrical pressure of variable slopes[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2021,52(11):4088 − 4098. (in Chinese with English abstract)]

    DU Jianming, FANG Qian, HAI Lu, et al. Calculation method for surrounding rock pressure of shallow tunnel with asymmetrical pressure of variable slopes[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2021, 52(11): 4088 − 4098. (in Chinese with English abstract)

    [11] 邵江,朱宝龙,李涛. 不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征[J]. 西南交通大学学报,2021,56(6):1214 − 1221. [SHAO Jiang,ZHU Baolong,LI Tao. Stress characteristics of tunnel lining structures under landslides with different angles of sliding zone[J]. Journal of Southwest Jiaotong University,2021,56(6):1214 − 1221. (in Chinese with English abstract)]

    SHAO Jiang, ZHU Baolong, LI Tao. Stress characteristics of tunnel lining structures under landslides with different angles of sliding zone[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2021, 56(6): 1214 − 1221. (in Chinese with English abstract)

    [12] 董建华,颉永斌,李建军,等. 洞口段浅埋偏压隧道新型防护结构及其简化计算方法[J]. 中国公路学报,2018,31(10):339 − 349. [DONG Jianhua,XIE Yongbin,LI Jianjun,et al. New protective structure for shallow-buried bias tunnel at portal section and its simplified calculation method[J]. China Journal of Highway and Transport,2018,31(10):339 − 349. (in Chinese with English abstract)] DOI: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.10.034

    DONG Jianhua, XIE Yongbin, LI Jianjun, et al. New protective structure for shallow-buried bias tunnel at portal section and its simplified calculation method[J]. China Journal of Highway and Transport, 2018, 31(10): 339 − 349. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.3969/j.issn.1001-7372.2018.10.034

    [13]

    LI Biao,DING Quanfu,XU Nuwen,et al. Characteristics of microseismic b-value associated with rock mass large deformation in underground powerhouse Caverns at different stress levels[J]. Journal of Central South University,2022,29(2):693 − 711. DOI: 10.1007/s11771-022-4946-4

    [14]

    MA Lin. Analysis of shallow bias tunnel influence factors in mountain area[J]. International Congress of Mathematicans,2015.

    [15] 孔超,张俊儒,王海彦,等. 深埋软岩大变形隧道支护变形特征及承载机理研究[J]. 中国铁道科学,2021,42(6):103 − 111. [KONG Chao,ZHANG Junru,WANG Haiyan,et al. Study on deformation characteristics and bearing mechanism of support in large deformation tunnel with deep buried soft rock[J]. China Railway Science,2021,42(6):103 − 111. (in Chinese with English abstract)] DOI: 10.3969/j.issn.1001-4632.2021.06.11

    KONG Chao, ZHANG Junru, WANG Haiyan, et al. Study on deformation characteristics and bearing mechanism of support in large deformation tunnel with deep buried soft rock[J]. China Railway Science, 2021, 42(6): 103 − 111. (in Chinese with English abstract) DOI: 10.3969/j.issn.1001-4632.2021.06.11

    [16] 陈秋雨, 黄璐, 潘虎, 等. 径向让压系统对软岩隧道围岩力学特性影响研究[J]. 水文地质工程地质,2024,51(4):146 − 156. [CHEN Qiuyu, HUANG Lu, PAN Hu, et al. Enhancing mechanical characteristics of soft rock tunnel surrounding rock through radial yield pressure system[J]. Hydrogeology and Engineering Geology,2024,51(4):146 − 156. (in Chinese with English abstract)]

    CHEN Qiuyu, HUANG Lu, PAN Hu, et al. Enhancing mechanical characteristics of soft rock tunnel surrounding rock through radial yield pressure system[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2024, 51(4): 146 − 156. (in Chinese with English abstract)

    [17] 陈东旭. 新奥法隧道支护结构约束效应及破裂失效模型研究[D]. 阜新:辽宁工程技术大学,2021. [CHEN Dongxu. Study on constraint effect and rupture failure model of new Austrian method tunnel support structure[D]. Fuxin:Liaoning Technical University,2021. (in Chinese with English abstract)]

    CHEN Dongxu. Study on constraint effect and rupture failure model of new Austrian method tunnel support structure[D]. Fuxin: Liaoning Technical University, 2021. (in Chinese with English abstract)

    [18] 孙闯,敖云鹤,张家鸣. 弱节理小净距隧道合理净距及围岩稳定性研究[J]. 公路交通科技,2020,37(5):108 − 115. [SUN Chuang,AO Yunhe,ZHANG Jiaming. Study on reasonable clear distance and surrounding rock stability of weak jointed small clear distance tunnel[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2020,37(5):108 − 115. (in Chinese with English abstract)]

    SUN Chuang, AO Yunhe, ZHANG Jiaming. Study on reasonable clear distance and surrounding rock stability of weak jointed small clear distance tunnel[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2020, 37(5): 108 − 115. (in Chinese with English abstract)

    [19]

    HOEK E,BROWN E T. Practical estimates of rock mass strength[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(8):1165 − 1186. DOI: 10.1016/S1365-1609(97)80069-X

    [20]

    ALEJANO L R,RODRIGUEZ-DONO A,ALONSO E,et al. Ground reaction curves for tunnels excavated in different quality rock masses showing several types of post-failure behaviour[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(6):689 − 705. DOI: 10.1016/j.tust.2009.07.004

图(13)  /  表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-09
  • 修回日期:  2023-12-04
  • 录用日期:  2024-06-17
  • 网络出版日期:  2024-06-24
  • 刊出日期:  2025-02-24

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