第３２卷第１期 ２ ０ １ ６年３月 交通科学与工程 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２Ｏ１６ Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 文章编号：１６７４—５９９Ｘ（２０１６）０１—００６７—０５ 断层对小净距隧道稳定性的影响 谢俊杰 ，毛琼柳 ，凌同华 ，易 杨。，吴联迎 （１．苍南县公路管理局，浙江温州 ３２５８００；２．长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙４１９９０４； ３．广西高速公路投资有限公司，广西南宁 ５３００２１；４．福建省建筑科学研究院，福建福州 ３５００２８） 摘要：以温州市苍南县大坪尾隧道小净距穿越断层地带为工程背景，以Ⅲ级围岩为研究对象，建立隧 道与断层区域斜交的数值模型。通过分析隧道断面中断层破碎带不同位置和面积大小对隧道围岩位移 的影响，得到小净距隧道在穿越断层带时围岩位移的变化规律。该研究结果可为今后同类型工程施工 提供参考和借鉴。 关键词：断层；小净距隧道；稳定性；数值计算 中图分类号：Ｕ４５ 文献标识码：Ａ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅ ＸＩＥ Ｊｕｎ－ｊｉｅ ，ＭＡＯ Ｑｉｏｎｇ—ｌｉｕ ，ＬＩＮＧ Ｔｏｎｇ—ｈｕａ。，ＹＩ Ｙａｎｇ。，ＷＵ Ｌｉａｎ－ｙｉｎｇ （１．Ｃａｎｇｎａｎ Ｃｏｕｎｔｙ Ｈｉｇｈｗａｙ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｗｅｎｚｈｏｕ ３２５８００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００４，Ｃｈｉｎａ；３．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２１，Ｃｈｉｎａ；４．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５００２８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｆａｕｌｔ ａｒｅａ ｉＳ ｅｓｔａｂ— ｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｅ ｍ ｒｏｃｋ ｗａｌｌ ａｓ ａ ｓｔｕｄｙ ｏｂｊｅｃｔ，Ｗｅｎｚｈｏｕ Ｃａｎｇｎａｎ ｃｏｕｎｔｙ ｎｅｉｇｈ— ｂｏｒｈｏｏｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅ ｉｓ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｎ ｄｉｓａｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｒｒｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｃｌｅａｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒ— ｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｚｏｎｅ；ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ‘ 断层破碎带作为一种不良地质地段，往往是 隧道施工过程中围岩最不稳定的区段之一。因 对断层隧道施工这一课题进行了深入的研究。林 裕ｒ１ 为了研究断层破碎带对浅埋偏压隧道稳定性 此，设计人员在隧道选址的过程中都极力地避开 的影响，采用数值模拟软件模拟该隧道的施工方 法，得出双侧壁导坑能够对隧道洞内周边位移进 行有效控制的结论。黄生文【２ 等人运用有限元软 件，研究了断层对大跨度隧道围岩应力的影响，得 断层破碎带。但受到地形条件、线路形式以及工 程造价等因素的，隧道的选址不可避免地会 遇到穿越断层的情况。当隧道穿越断层时，隧道 围岩变形将显著增加而影响隧道稳定性。近些年 来，隧道穿越断层的工程实例屡见不鲜，许多学者 收稿日期：２０１５—０６—２９ 到大跨度隧道在断层条件下围岩应力的分布规 律。朱小明［３］通过研究断层角度对隧道纵向稳定 基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７８０７１；５１３０８０７２）；湖南省教育厅科学研究项目（１４Ｂ００７） 作者简介：谢俊杰（１９７７一），男，苍南县公路管理局高级工程师。 ６８ 交通科 学 与 工程 第３２卷 性的影响，得出断层角度对隧道纵向稳定性和应 力位移纵向分布规律有一定影响的结论。林克 昌［４ 等人运用数值模拟的方法，研究了断层宽度 对跨断层隧道错动反应特性的影响。欧阳秀 兰［５ 等人对模拟断层的Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ命令法和断层 弱化法展开研究，通过用２种方法进行对比分析， 认为断层弱化法能有效抑制网格变形并保持断层 两侧岩体的连续性，具有较好的模拟效果。虽然 对隧道穿越断层带的研究已经取得了一定的成 果，但在诸多隧道稳定性研究课题中，以断层条件 下的深埋小净距隧道稳定性研究还相对较少。针 对这一研究现状，作者以温州市苍南县大坪尾隧 道中的深埋小净距段穿越断层带为研究背景，拟 通过分析该小净距隧道在穿越断层带时位移变化 规律，得到小净距隧道在穿越断层带时的施工力 学特性，为同类型隧道的施工提供参考和借鉴。 １模型的建立 采用ＡＮＳＹＳ软件，根据大坪尾隧道的工程 实际尺寸，建立有限元模型。大坪尾隧道桩号： ＺＫ１５＋４６６～ＺＫ１５＋５２６和ＹＫ１５＋５１６～ＹＫ１５＋ ５７６为深埋小净距段，隧道断面宽度为１１．９ ｍ，高 度为９．６ ｍ，隧道埋深为２５７．１～２８６．６ ｍ，中夹岩 柱厚度为９ ｍ。根据隧道开挖对初始应力状态的 扰动规律，隧道爆破开挖的影响范围为开挖洞径的 ３～５倍。结合工程实际断面尺寸，计算模型上、下、 左和右宽度均取５０ ｍ，约为隧道开挖宽度的５倍。 计算模型整体尺寸为１３２．８ ｍ×１３２．８ ｍ×６Ｏ ｍ。 Ｆ６断层的厚度为２２ ｍ，与隧道掘进方向成４５。，与 水平面的倾角为８５。。本研究运用ＡＮＳＹＳ到 ＦＬＡＣ模型转化工具，将已经建好的有限元计算 模型转化为有限差分计算模型。隧道计算模型如 图１所示，其整体坐标系以水平向右的．１７轴为正 方向，垂直向上为 轴正方向，沿隧洞中心轴线为 ｚ轴负方向。 模型位移边界条件为：①模型前、后侧与左、 右侧分别施加法向约束，以保证法向位移为０ ｍ； ②底部为固定约束，即节点各方向的位移均为 ０ １１１；③顶部为自由边界。 荷载条件为：①不计地表荷载；②考虑岩体 自重。 图１三维数值计算模型 Ｆｉｇ．１ ３Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ １．１ 断层的模拟方法 对断层结构面的模拟方法有参数弱化法和接 触单元法２种。接触单元法的基本思想是先确定 断层和围岩的容重、弹性模量及内粘聚力等参数， 再对接触面之间的法向刚度和切向刚度进行定 义，以达到模拟断层的目的；参数弱化法则是通过 对模拟区域的数学统计分析，统计出断层结构面 分布的网格单元，并对这些单元进行单独赋值处 理，从而显著区别于其周围的岩体，以达到对断层 模拟的目的。已有的研究成果表明，参数弱化法 较之接触单元法有２个优点：①能确保断层与两 侧围岩之间的整体性和连续性；②能有效控制网 格发生畸变。本研究拟采用参数弱化的方法对断 层进行模拟。 １．２材料参数选取 依据设计规范和大坪尾隧道工程实际的地质 勘察结果选取材料参数，见表１。模型模拟隧道所 在区域的岩石为微风化含角砾玻屑熔结凝灰岩， 围岩等级为Ⅳ级。综合公路隧道设计规范和现场 勘探数据选取模型围岩物理力学参数，见表２。 ２模拟方案 因为大坪尾隧道穿越断层区域的开挖方法采 用的是单侧壁导坑法，所以，本研究模拟隧道开挖 时，也选择单侧壁导坑法进行开挖。其施工顺序 依次为：先左洞，后右洞。左洞的开挖顺序为：① 左侧上台阶开挖与支护；②左侧下台阶开挖与支 护；③右侧上台阶开挖与支护；④右侧下台阶开挖 与支护；⑤防水层及二衬施工。其中，上、下台阶 掌子面间距为５ ｍ，每循环进尺为２．５ ｍ。左、右 两侧掌子面的纵向距离为１０ ｍ。施工过程如图２ 所示。 第１期 谢俊杰，等：断层对小净距隧道稳定性的影响 ７１ 在有断层条件下，隧道左洞开挖５２ ｍ、右洞开 挖１６ ｍ时，断面Ｚ一－－４０ ｍ处竖向位移的分布如 图４（ｅ）所示。从图３（ｅ）中可以看出，此断面中断 层区域的位置已经离隧道断面较远。从图４（ｅ）中 可以看出，隧道位移分布稍稍朝右偏了一点，且最 大位移沉降为２．５７８ ５ ｍｍ。表明：随着断面中断 层的位置离隧道断面越来越远，对隧道稳定性的 影响也越来越小。 在有断层条件下，隧道左洞开挖６０ ｍ、右洞开 挖２４ ｍ时，断面Ｚ一一５０ ｍ处竖向位移的分布如 图４（ｆ）所示。此时，断层的位置离隧道断面已经有 了一定的距离。表明：当断层破碎带的位置到隧道 开挖面一定距离时，对隧道围岩稳定性的影响已经 可以忽略不计。 ４ 结论 １）断层破碎带的存在破坏了围岩的连续性和 整体性，使得水平和垂直应力分布失去了原有的 对称性。这种不对称性会使得隧道在开挖过程中 出现“偏压”，偏向断层破碎带一侧的围岩位移会 偏大，并使得隧道整体围岩位移呈增加趋势。 ２）隧道断面完全处于断层中时，隧道周边围 岩位移显著增加。但当断面两边的破碎带面积接 近时，能缓解“偏压”现象，使位移变化呈对称分 布。当断面另一边破碎带的面积比先前一边大 时，位移分布会朝断层区域面积更大的一侧围岩 偏移。 ３）隧道模型横断面中的断层破碎带到隧道断 面一定距离之后，不会再对隧道围岩的位移变化 产生影响。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： Ｅ１３林裕．包西铁路洞子崖隧道断层破碎带浅埋偏压段施 工数值模拟分析ＥＪ］．铁道标准设计，２０１１（１Ｏ）：９９— １０２．（ＬＩＮ Ｙｕ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｅｖｅｎｌｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅｄ ｓｈａｌｌｏｗ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｆａｕｌｔ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ ｏｆ ｄｏｎｇｚｉｙａ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ Ｂａｏｔｏｕ－Ｘｉ’ａｎ ｒａｉｌｗａｙ［＇Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２０１１（１０）：９９— １０２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［２］黄生文，司铁汉，陈文胜，等．断层对大跨度隧道围岩 应力影响的有限元分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００６，２５（２）：３５７—３６４．（ＨＵＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ—ｗｅｎ，ＳＩ Ｔｉｅ－ ｈａｎ，ＣＨＥＮ Ｗｅｎ－ｓｈｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｏｎ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔｒｅｓｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２５（２）：３５７—３６４．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ）） ［３］朱小明，刘明．断层角度对隧道纵向稳定性影响的数 值模拟［Ｊ］．徐州建筑职业技术学院学报，２００７，７（４）： １７—１９．（ＺＨＵ Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｍｉｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ— ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｆａｕｌｔ ａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ￣．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，７（４）：１７—１９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） －Ｉ４］林克昌，陈新民，左娟花，等．断层宽度对跨断层隧道 错动反应特性影响的数值模拟［Ｊ］．南京工业大学学 报：自然科学版，２０１３，３５（３）：６１—６５．（ＬＩＮ Ｋｅ－ ｃｈａｎｇ，ＣＨＥＮ Ｘｉｎ－ｍｉｎ，ＺＵＯ Ｊｕａｎ－ｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ｎｕｍｅｒｉ— ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆａｕｌｔ ｗｉｄｔｈ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃｓ ｏｆ ａｃｒｏｓｓ—ｆａｕｌｔ ｔｕｎｎｅｌ ｄｕｅ ｔｏ ｆａｕｌｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔｒＪ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２０１３，３５（３）：６１—６５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［５］欧阳秀兰，占文锋．断层模拟中Ｆ ＬＡ Ｃ模拟方法的 对比研究Ｉ－Ｊ］．北京工业职业技术学院学报，２００６， ５（４）：７７—８１．（０ＵＹＡＮＧ Ｘｉｕ－ｌａｎ，ＺＨＡＮ Ｗｅｎ－ｆｅｎｇ． Ａ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＦＬＡＣ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｆａｕｌｔＦＪ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２００６，５（４）：７７—８１．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ）） ［６］郑颖人，王永甫，王成，等．节理岩体隧道的稳定分析 与破坏规律探讨［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１１， ７（４）：６４９—６５６（ＺＨＥＮＧ Ｙｉｎｇ－ｒｅｎ，ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｆｕ， ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｒａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｌａｗ ｏｆ ｊｏｉｎｔｅｄ ｒｏｃｋ ｔｕｎｎｅｌＥＪ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２Ｏ１１，７（４）：６４９—６５６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ））
