断层对隧道围岩稳定性影响的有限元分析
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断层对隧道围岩稳定性影响的有限元分析
李文华1，李昊1，古银城2，张一凡2
(1.江西高速公路投资集团有限责任公司，江西南昌330025；2.同济大学地下建筑与工程系，上海200092)
[摘要]为分析断层与隧道相对位置及断层倾角对隧道围岩稳定性的影响，以石吉高速五蜂山1号隧道为例，研究了基于断层特征下的围岩稳定性。结果表明，断层距离隧道2倍洞宽以内时，断层对围岩稳定性的影响较大。隧道两侧围岩位移的分布和变化趋势不再对称；隧道穿越断层对围岩稳定性影响最大，在拱肩时次之，在拱脚时较小；随着断层与隧道距离的减小，断层对围岩稳定性的影响增加：随着断层倾角的增加，断层上盘围岩测点竖向位移先减后增，下盘测点竖向位移先增后减。断层倾角为45°左右时，隧道围岩最为稳定。
内容摘抄：
1工程概况
1.1地质条件
石吉高速五峰山1号隧道区段属于山岭重丘区，地形切割强烈，山岭起伏、沟壑纵横，地表径流发育。区内出露地层为第四系覆土层（主要为亚黏土、碎石土等)及寒武系基岩地层（主要为变余砂岩，其次为长石砂岩、板岩等)。隧道区域的不良地质现象以断层破碎带为主。隧道穿越12条大型断层破碎带，其中2断层带裂隙发育，裂面严重铁染，结合差，岩体破碎，隧道施工极易失稳。岩体的物理力学参数参照地质勘察资料和隧道设计规范取值如表1所示，支护参数如表2所示。
2模型构建
2.1模型建立
计算采用理想弹塑性模型，D-P屈服准则。岩体按照均质、各向同性线弹性理想弹塑性进行有限元分析。围岩采用平面单元，衬砌采用梁单元，锚杆采用杆单元进行模拟。模型底部施加垂直约束，两侧施加水平方向的位移约束。洞室左、右各取3倍洞径(37.5m),底边界至洞底取3倍洞径，上边界至洞顶取5倍洞高，断层宽2m。有限元计算模型及其网格划分如图1所示。
3结果分析
通过有限元模拟计算，可得出不同工况下的位移场。其中，工况1,4竖向位移云图如图2所示。对比图2a,2b,断层破坏了原岩介质的连续性，使得围岩竖向位移分布失去了对称性。最大位移区域方向与断层垂直的方向偏移；和没有断层相比，断层存在使围岩整体位移增加，其中拱顶沉降、拱底隆起分别增加了17.2%，34.4%；断层使得围岩竖向位移受影响的范围增大，其中拱顶上方影响范围由没有断层时的1倍洞高增加到2倍洞高，隧道两侧影响范围也增加到3倍洞宽以外。
4结语
本文采用有限元数值模拟，对不同断层与隧道相对位置、距离、断层倾角变化情况下的围岩稳定性进行了研究，得出如下结论。
1)相对于无断层情况，隧道开挖时，断层使得围岩稳定性受影响的范围增大；隧道轴线两侧围岩位移的分布和变化趋势不再对称，且对断层上盘围岩稳定性的影响大于下盘围岩。
2)隧道穿越断层、断层在隧道拱肩时对围岩稳定性影响较大，而断层在拱脚分布时，对围岩稳定性影响较小。断层上盘挖洞更有利于围岩的稳定。
（略）
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