杨成忠， 杨 鹏， 王 威， 曾孟文， 廖 磊

(1. 华东交通大学 土木建筑学院， 江西 南昌 330013； 2.赣东公路设计院， 江西 抚州 344000)

1 概述

软岩隧道在穿越或靠近断层破碎带时，由于开挖扰动和破碎岩体本身的不稳定性，软岩隧道在施工过程中较易出现诸如围岩大变形、失稳、涌水等现象，这给施工带来了较大的安全隐患。近年来，许多专家学者针对隧道涌水机理及治理方面做了大量研究[1-2]。对因断层破碎带而引起的隧道涌水塌方问题的研究也在持续当中[3-4]，李生杰[5]等对乌鞘岭隧道穿越断层而发生的涌水塌方事故进行了研究，得出该事故是由断层破碎带引发的泥砾石型突涌灾害。范威[6]等通过利用钻探、水化学分析和试验等方法，对某隧道突涌水来源和途径做了深入的研究，并得到断层是该隧道主要的涌水途径。

在数值模拟方面，隧道涌水和围岩稳定受断层影响的研究较多[7-9]，吴义[10]等建立相关模型分析不同断层工况下对隧洞围岩稳定的影响，得出小角度单断层下倾角越大突水速度和涌水量也越大；刘学增[11]等建立的模型当中，考虑在不同断层错动位移下对围岩稳定的影响，得到断层错动位移越大围岩压力总趋势是增加的。在上述研究中，考虑了断层对隧道涌水及围岩稳定的影响，但均是在控制断层的单一因素变化进行的分析，未对断层破碎带多因素影响下的软岩隧道涌水敏感性问题进行分析，为此，本文依据正交试验原理设计试验方案，建立针对断层破碎带影响因素的数值模型，以此分析研究断层破碎带各影响因素对隧道涌水及围岩稳定的敏感度问题，此外结合数值试验结果具体分析了佛头岭隧道涌水塌方的工程地质原因。

2 正交试验设计

正交试验是以数理统计为基础，通过预设的正交表安排试验，从而达到既能减少试验次数，又能得到较好的统计结果。常见过程为：选取试验因素、水平及指标，选取合适的正交表安排试验，依据正交表进行试验并得到试验结果，对相关结果进行极差或方差分析。

2.1 正交因素、水平及指标

目前对考虑断层影响下的隧道开挖稳定性研究较多，主要是通过加入断层因素来达到对比的目的，考虑相关断层的因素有：断层错动、断层宽度、高地应力断层破碎带、断层倾角、正断层及逆断层等，在数值分析中考虑上述因素并形成单一变化的计算方案就可以达到因素对比的目的。考虑计算方案的简易性及佛头岭隧道断层的实际产状情况，选取以下4类影响因素：断层破碎带倾角(A)、断层破碎带宽度(B)、断层破碎带至隧道净距(C)、断层破碎带充填物力学性质(D)。

为研究断层破碎带相关因素对隧道涌水及围岩稳定的影响程度大小，在断层影响因素水平取值合理性的问题上，同样综合考虑模型建立简易性及佛头岭隧道断层破碎带的实际产状情况，相关水平取值如表1所示。数值计算基于FLAC3D中流固耦合分析板块，考虑水岩相互作用的影响，选取断面涌水量和断面变形比值来分析隧道涌水及稳定情况。

表1 正交因素及水平取值表Table 1 Orthogonal factors and level table水平断层倾角A/(°)断层宽度B/m断层至隧道净距C/m断层充填物力学性质D1055Ⅰ类2451010Ⅱ类3902020Ⅲ类

2.2 正交因素、水平及指标

依据表1，本次试验共4类因素及每类因素下分3种水平，为此选取正交表中的L9(34)，将相关因素及水平代入正交表中，得到断层破碎带相关影响因素下软岩隧道涌水及围岩稳定性分析的试验方案(见表2)。

表2 正交试验方案Table 2 Orthogonal test scheme试验断层倾角A/(°)断层宽度B/m断层至隧道净距C/m断层充填物力学性质D1055Ⅰ类201010Ⅱ类302020Ⅲ类445510Ⅲ类5451020Ⅰ类645205Ⅱ类790520Ⅱ类890105Ⅲ类9902010Ⅰ类

为研究断层破碎带相关因素对软岩隧道涌水及围岩稳定的影响程度大小，采用2种指标进行评价，分别为隧道监测断面最大涌水量指标和监测断面变形速率比值指标，前者对隧道可以直接反应出隧道在开挖过程涌水量的大小，后者则反应隧道围岩变形是否收敛稳定，具体评价标准见表3。

表3 评价指标及标准Table 3 Evaluation indicators and standards试验指标评价指标评价标准涌水类断面涌水量越小越好50%及以上为“不稳定”围岩稳定类变形速率比值20%左右为“待加强支护”5%～10%及以下为“稳定”

3 数值试验

3.1 计算模型及参数

采用FLAC3D进行建模计算，依据典型软岩隧道工程概况，将三维模型体划分为上中下3层，岩性主要为全风化砂岩、强风化砂岩及微风化砂岩。模型两侧和底部取5倍洞径，隧道埋深为80 m，隧道纵向取为60 m。部分模型网格划分及相关监测断面，见图1。数值计算范围为：100 m×60 m×130 m(长×宽×高)。

图1 部分模型网格划分及断层与隧道位置关系Figure 1 Finite element mesh and the relationship between fault and tunnel location

隧道围岩体本构模型选用Mohr-Coulomb，初期支护是实体单元结构且支护没有堵水功能，边界条件方面，对前后、左右、底面施加法向约束，不透水边界为前后及底面。参考典型软岩隧道资料并结合笔者文献[12]取得相关计算参数，见表4。

表4 材料物理力学参数Table 4 Physical and mechanical parameters of materials名称容重/(kN·m-3)弹性模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/(°)全风化砂岩20.00.500.270.0526强风化砂岩21.51.200.240.1234微风化砂岩23.01.500.210.1945断层Ⅰ16.00.060.410.0121断层Ⅱ18.00.150.350.0525断层Ⅲ20.00.570.300.1231支护26.026.000.20——

3.2 正交试验结果及分析

表5列出了正交试验的相关结果，其中涌水量为监测断面开挖后最大值，变形速率v0、v分别为开挖完成时最大变形速率和支护完成后变形速率，依据文献[13]将变形速率比值作为隧道围岩动态稳定的指标，评价标准见表3。

本文采用正交分析中的极差分析法，在极差分析中，极差等于某个因素下的试验结果最大与最小值差，当极差越大时表示该因素对相关试验指标影响较大，即重要程度高。相关分析结果见表6及表7，表中Kmn表示对m个指标评价时，水平n试验结果的平均值,其中，m=1，2；n=1，2，3。

由极差分析表可知，针对涌水量评价指标，整体上各类因素涌水量大小相差不大，其中因素A水平2、因素B水平1、因素C水平1和因素D水平1为有利于增大断面涌水的水平。各因素极差分别为：断层破碎带倾角(90.53 m3/d)、断层破碎带宽度(29.93 m3/d)、断层破碎带至隧道净距(67.23 m3/d)、断层破碎带充填物力学性质(54.32 m3/d)，因此，断层破碎带倾角、至隧道净距、充填物力学性质为影响施工断面涌水的重要因素，断层破碎带宽度为一般因素。

针对稳定类评价指标变形速率比值，整体上各类因素变形速率比值相差不大，其中因素A水平2、因素B水平2、因素C水平2和因素D水平4比值大小均超过20%，相比下说明该类水平为不利于围岩稳定的水平。各因素极差分别为：断层破碎带倾角(15.06%)、断层破碎带宽度(5.81%)、断层破碎带至隧道净距(15.11%)、断层破碎带充填物力学性质(7.79%)，因此，断层破碎带至隧道净距、倾角、充填物力学性质为影响施工断面围岩稳定的重要因素，断层破碎带宽度为一般因素。

综上分析，认为断层破碎带影响软岩隧道稳定的重要因素有：断层破碎带倾角、断层破碎带至隧道净距、断层破碎带充填物力学性质。

表5 正交试验结果Table 5 Orthogonal test results试验号断层破碎带因素各指标试验结果ABCD涌水量/(m3·d-1)开挖完成时最大变形速率v0/(m·s-1)支护完成后变形速率v/(m·s-1)(v/v0)比值/%11111909.31-1.89×10-5-7.81×10-74.1421222811.46-6.40×10-6-1.38×10-621.5931333788.90-6.98×10-6-8.51×10-712.2042123961.28-9.45×10-6-3.98×10-642.0952231902.69-1.16×10-5-2.93×10-625.2862312917.31-1.91×10-5-3.01×10-615.7373132831.33-6.45×10-6-7.34×10-711.3883213897.97-9.29×10-6-1.60×10-617.1993321911.08-9.16×10-6-1.71×10-618.70

表6 涌水分析Table 6 The water gushing analysism3/d来源K11K12K13极差因素主次顺序因素A836.56927.09880.1390.53因素B900.64870.71872.4329.93A→C→D→B因素C908.20894.61840.9767.23因素D907.69853.37882.7254.32

表7 变形速率比值分析Table 7 Deformation rate ratio analysis%来源K11K12K13极差因素主次顺序因素A12.6427.7015.7615.06因素B19.2021.3515.545.81C→A→D→B因素C12.3527.4616.2915.11因素D16.0416.2323.837.79

4 工程实例

G316改建工程佛头岭隧道位于江西省资溪县境内，隧道围岩体主要为寒武系片岩(见图2)，片理构造，节理裂隙发育，岩体破碎，岩体完整性和风化程度差异较大，施工时围岩稳定性较差。

图2 隧道部分区段纵向剖面图Figure 2 Sectional section of tunnel section

2017年7月底隧道开挖至Ⅴ级围岩段，施工现场掌子面岩体破碎，水流从裂隙及钻孔大量涌出并伴有小型冲刷岩块(见图3)，已施工完成的初支渗漏水及围岩变形量较大，局部地段拱顶沉降达20 mm。

图3 冲刷石块及水流Figure 3 Scour stones and water flow

进入8月，由于大范围降雨，隧道K425+805右侧拱腰处出现突涌水，有2股涌水从已完成的初支面喷出，预埋的Φ140 mm排水管无法及时排水，由于水压力较大，水流往拱顶方向及四周蔓延。而后经过压注混凝土和打孔压注双浆液K425+805涌水情况得到基本处治。监测数据显示该处拱顶沉降达43 mm，拱腰位置向洞内塑性鼓出，并还伴有小股流水(见图4)。

图4 围岩塑性鼓出Figure 4 Plastic failure of surrounding rock

根据事故现场情况、涌水成因及区段复杂的工程地质，判断其为断层破碎带被开挖扰动而引发的地质灾害。破碎的围岩体，富含在断层破碎带中的压碎岩体、岩块，角砾岩及断层泥等胶结程度差、自稳能力差的岩土体构成了涌水物赋存和运移空间的物质条件。而在隧址断层破碎带区段裂隙极为发育，形成的层状裂隙带及地下水流动管道，为地下水的渗流通道的形成创造了条件。

经分析隧道已施工至Ⅴ级围岩段且靠近前方的软弱破碎带，该断层破碎带倾向为174°，倾角在57°左右，破碎带宽约50～80 m，带内岩体破碎且地下水发育。开挖扰动及开挖形成的临空面可能贯通了破碎带及掌子面周边裂隙，地下水进一步流通，介于地下水的软化作用及对洞周岩土体会产生的冲击作用，导致软弱围岩的变形量进一步增大[14]。

依据前文分析结果，结合该隧道现场情况，认为断层破碎带倾角(57°左右)、断层破碎带至隧道净距(施工掌子面靠近断层破碎带)、断层破碎带充填物力学性质(带内岩体破碎且地下水发育)等3类断层破碎带影响因素对隧道涌水及围岩稳定均为不利，即该断层破碎带会对隧道稳定产生重要影响，而这与实际现场情况(现场出现掌子面涌水量和围岩变形过大的情况)相符。

5 结论

a. 对软岩隧道涌水量大小的重要影响因素为断层破碎带倾角(90.53 m3/d)、至隧道净距(67.23 m3/d)、充填物力学性质(54.32 m3/d)，断层破碎带宽度(29.93 m3/d)为一般因素；而断层破碎带至隧道净距(15.11%)、倾角(15.06%)、充填物力学性质(7.79%)是影响施工断面围岩稳定的重要因素，断层破碎带宽度(5.81%)为一般因素。

b. 综合断面涌水量和断面变形比值两类评价指标，认为断层破碎带影响隧道涌水及围岩稳定的主要影响因素为断层破碎带倾角、至隧道净距及带内充填物力学性质。

c. 佛头岭隧道施工中出现的涌水及过大围岩变形量为施工区段内断层破碎带受开挖扰动而引发的地质灾害，结合数值试验结果，分析认为断层破碎带倾角、至隧道净距及带内充填物力学性质等3类因素对佛头岭隧道涌水及围岩稳定均为不利，隧道施工出现的涌水及围岩变形量大与这3类因素息息相关。