1. 引言
自改革开放以来，我国交通基础设施投资规模持续增长，路网覆盖水平显著提升。至2024年底，全国铁路营业里程已达16.2万公里，其中高速铁路里程达4.8万公里[1]。随着路网不断延伸，隧道工程所面临的地质条件日趋复杂，其中软弱围岩隧道施工问题尤为突出。受施工扰动、地质环境等多重因素影响，该类隧道常出现变形大、稳定性差等问题，导致施工进度延误、工期难以控制，并造成人力资源与材料成本的严重浪费[2]-[5]。例如，拉萨至林芝铁路某隧道在穿越多条断层破碎带时发生突水、突泥和塌方等地质灾害[6]；贵州某隧道因处于断层影响带内，围岩破碎、自稳能力差，施工中发生大规模涌水与突泥现象[7]。因此，开展含断层软弱围岩隧道开挖稳定性的系统研究，对保障工程安全、控制施工风险具有重要理论与工程意义。
近年来，国内外学者通过室内试验、数值模拟等多种手段，围绕软弱围岩隧道变形机理与稳定性控制开展了广泛研究[8]-[13]。梁宸等[14]采用UDEC软件模拟开挖扰动下裂隙围岩的塌方演化过程，揭示了该类围岩的失稳机制。刘辉等[15]从断层间距角度分析其对隧道稳定性的影响，发现断层间距越小，围岩稳定性越差。陈鉴光等[16]基于MIDAS软件对比不同开挖工法下围岩应力场、位移场及支护结构响应，指出减少单次开挖扰动可有效控制隧道变形与支护结构受力。此外，不少学者通过物理模型试验，从节理产状、隧道尺寸等因素研究软弱围岩变形规律[17]-[19]。Myung等[20]通过三轴试验与离散元模拟，研究不同节理倾角条件下岩体破坏与节理面滑移特征，发现随倾角减小岩体损伤区域逐渐扩大。Nader等[21]通过物理模型研究层理倾角、隧道断面尺寸及结构面间距对破坏机制的影响，指出低应力条件下隧道稳定性受岩体结构与开挖几何参数控制显著。Liang等[22]通过模型试验分析初期支护的实际受力性能，表明断层产状、围岩级别与埋深对隧道稳定性具有重要影响。
综上所述，现有研究多集中于一般地质条件，对含断层软弱围岩在动态开挖过程中的响应机制研究较少。本文以相山隧道为工程背景，基于FLAC 3D有限差分软件，建立含断层隧道三维数值模型，深入研究动态开挖过程中围岩位移演化与塑性区分布规律，对比不同开挖工法对围岩稳定性的影响，为相关工程支护提供参考。
2. 工程概况
2.1. 地形与地貌
相山隧道位于相山山脉西北部，穿越区中心高程为342.8 m，属剥蚀丘陵地貌。山体总体呈北北东走向，地势略有起伏，相对高差30 m~144 m。区域基岩以碳酸盐岩夹碎屑岩为主，构造形态多为单斜地形。沿线岩溶地貌发育，可见溶沟、石芽等典型形态。地表基岩出露较好，主要岩性为寒武系中薄层白云质灰岩与泥质粉砂岩。第四系覆盖层主要分布于山体东侧斜坡及隧道出口丘谷地带，洞身段覆盖层极薄，可忽略不计，下伏基岩岩性复杂，以寒武系岩层为主体。
2.2. 地质条件
地质调绘与钻探结果表明，隧址区不良地质现象主要包括岩溶、人工采空区、危岩落石及断层破碎带。其中，桩号DK6+123-DK6+230段为岩溶强发育段，洞身围岩裂隙发育强烈、溶蚀现象显著，对隧道施工安全构成显著风险，易引发洞顶塌落、涌水、涌泥及支护结构悬空等灾害。
隧道围岩等级以Ⅳ、Ⅴ级为主，长度分别为450 m和686 m，其余为Ⅲ级围岩。整体洞身稳定性一般。沿线穿越5处断层破碎带及褶皱构造，进口段因历史采石活动导致山体受损，造成DK4+950-DK5+160段形成浅埋隧道条件；出口段岩溶中等至强烈发育，地表冲沟发育，其下伏存在大型溶洞。相山断层为区域主干逆断层，断距10 m~20 m，挤压带岩体破碎，西侧褶皱发育强烈。隧址范围内识别出背斜与向斜各2处。施工中需加强岩溶探查、实时稳定性监测与超前地质预报。
2.3. 水文条件
(1) 地表水
隧址区邻近萧滩新河，河床高程约35 m，低于隧道底板高程(60 m)，因此近期内地表水对隧道工程无直接影响。然而，隧道主体附近分布有一处落水洞，在雨季可能成为地表水优势下渗通道，对围岩产生潜蚀作用。
(2) 地下水
地下水类型以基岩裂隙水为主，主要接受大气降水补给。由于隧道位于第四系覆盖的平原区，土层渗透性良好，补给量较大，导致地下水径流交替强烈，对隧道开挖过程中的涌水风险具有显著影响。
3. 数值模拟
3.1. 模型建立
为深入研究含断层隧道在动态施工过程中的稳定性与围岩变形机理，本研究选取相山隧道典型软弱围岩段(桩号DK5+160~DK5+210)作为研究对象，采用FLAC 3D数值分析软件建立三维计算模型。该段隧道埋深约40 m，岩性复杂，节理发育，围岩等级为V级。模型尺寸设定为70 m (X) × 30 m (Y) × 40 m (Z)，其中Y方向为隧道掘进方向，X方向为水平向，Z方向为竖向。模型共计生成50699个单元与9580个网格节点。根据工程地应力场特征，模型侧压力系数取为0.5。边界条件设置如下：模型底部约束X、Y、Z三个方向的位移；模型四周边界施加法向位移约束；模型顶部为自由表面，模拟实际地表条件。模型计算示意图与三维网格划分如图1、图2所示。
Figure 1. Diagram of calculation model
图1. 模型计算示意图
Figure 2. 3D calculation model diagram
图2. 三维计算模型图
在该模型中，岩土体采取Mohr-Coulomb本构模型，采用shell壳单元命令模拟临时支护钢拱架以及隧道的初期锚喷支护，并将支护施工中的钢网混凝土等统一并入到壳体单元shell中，二次衬砌采用线弹性本构模型。岩土体及其衬砌结构物理力学参数如表1所示。
Table 1. Physical and mechanical parameters of materials
表1. 材料物理力学参数
名称 |
密度 |
体积模量 |
剪切模量 |
粘聚力 |
内摩擦角 |
V级围岩 |
2000 kg/m3 |
1.5 GPa |
0.563 GPa |
0.1 MPa |
25˚ |
断层 |
法向刚度 |
切向刚度 |
粘聚力 |
抗拉强度 |
内摩擦角 |
|
20 MPa |
20 MPa |
0.1 MPa |
0 |
15˚ |
名称 |
密度 |
体积模量 |
剪切模量 |
弹性模量 |
泊松比 |
初次支护 |
2300 kg/m3 |
11.7 GPa |
8.75 GPa |
21 GPa |
0.2 |
衬砌 |
2600 kg/m3 |
17.5 GPa |
13.1 GPa |
31.5 GPa |
0.2 |
3.2. 开挖方法与监测点布设
隧道开挖工法的选择需综合考量断面尺寸、工程地质条件、环境控制要求及工期等因素。对于软弱围岩隧道，为控制围岩变形并确保施工安全，常采用台阶法、CD法、CRD法及双侧壁导坑法等分部开挖工法。本研究基于相山隧道工程实际地质条件与设计断面，为系统比较不同施工工法对围岩稳定性的控制效果，在数值模型中分别对全断面法、台阶法及CD法三种工法进行了模拟计算。各工法的数值模拟实施步骤如图3所示：
Figure 3. Excavation simulation diagram of different construction methods
图3. 不同工法开挖模拟图
监测点示意图如图4所示：
Figure 4. Diagram of monitoring point location
图4. 监测点位置示意图
3.3. 模拟结果
3.3.1. 地表沉降
图5展示了随开挖进程的地表沉降曲线。从图中可以看出，地表沉降随开挖推进呈现典型的三阶段变化规律：先行缓慢增长阶段、开挖通过时的急剧增大阶段以及后续趋于稳定的阶段。全断面法、台阶法、CD法对应的最终地表沉降值分别为11.69 mm、10.54 mm和10.97 mm，差异并不显著。这表明在不同开挖工法对控制地表沉降的效果影响有限，这可能是因为地表监测点距隧道开挖区域有一定距离，使得不同工法引起的沉降差异被一定程度地抵消。从控制地表沉降的效果来看，全断面法引起的沉降最大，CD法次之，台阶法最优。
Figure 5. Surface subsidence map
图5. 地表沉降图
3.3.2. 拱顶与拱底变形
Figure 6. Settlement map of the arch at the fault and monitoring points
图6. 断层处与监测点拱顶沉降图
图6与图7分别表示断层区与一般区域监测点的起伏曲线。不同工法下的断层区与一般区段的位移变化趋势基本一致。全断面法、台阶法与CD法施工下，断层区相较于一般区段的拱顶沉降值分别增大了1.6 mm、1.6 mm和7.42 mm，仰拱隆起值分别增大了2.71 mm、1.5 mm和1.77 mm。结果表明，受断层破碎带的软弱及易变形特性影响，该区段围岩的位移响应明显大于其他区段。此外，在断层影响区内，三种工法对控制竖向位移的效果差异相对较小，说明相较于施工工法选择，断层自身的不良工程地质特性对隧道稳定性的影响更为显著。综合对比位移结果与工程可行性，台阶法在控制隧道周边围岩变形方面表现相对较优。
Figure 7. Map of uplift at the arch bottom of faults and monitoring points
图7. 断层处与监测点拱底隆起图
3.3.3. 围岩塑性区
不同开挖工法对应的围岩塑性区分布如图8所示。通过对比分析可知，相较于全断面法，台阶法与CD法采用分步开挖方式，有效减小了对围岩的瞬时扰动，使塑性区得以逐步、可控地发展。在整个开挖过程中，台阶法所引发的塑性区范围最小，表现出更优的围岩稳定性控制效果。在断层影响区段，三种工法下隧道洞周均出现了显著的塑性区发育。如图8(a)~(c)所示，洞室拱顶、拱肩及仰拱部位均出现拉伸破坏区，且开挖面前后方一定范围内也分布有规模不等的塑性区。其中，全断面法施工时塑性区分布范围最大，表明其对断层带围岩的扰动最为显著。结果表明，在穿越断层破碎带时，必须采取一系列的支护措施，并且优先选用分步数目较多、扰动较小的开挖工法，如台阶法、CD法等，以有效保障施工期隧道的长期稳定性。
Figure 8. Longitudinal cross-section of plastic zone in different construction methods
图8. 不同工法塑性区截面图
4. 结论
本文依托相山隧道工程实例，基于有限差分原理，采用FLAC3D软件建立了含断层软弱围岩隧道的三维数值模型，系统研究了全断面法、台阶法及CD法三种开挖工法在动态施工过程中对地表沉降、围岩位移及塑性区分布的影响规律，主要结论如下：
(1) 地表沉降位移随开挖进程呈现三阶段变化规律：未达到掌子面前的线性位移，掌子面附近的挤出位移，掌子面开挖后的后方位移。这三者对于不同工法的变化规律均相同：先行位移缓慢增加，挤出位移急速增大，后方位移缓慢增加至稳定。不同工法下的变化规律一致，表明开挖卸荷是围岩响应的内在机制。
(2) 在控制拱顶沉降方面，CD法因其中隔墙的临时支撑作用及分步开挖方式，限制了围岩松动范围，效果较好；在控制底板隆起方面，除台阶法外，其余工法隆起量均大于沉降量，表明底板更易发生回弹变形，施工中需高度重视并采取抑拱措施，防止底鼓破坏。
(3) 断层带附近围岩位移及塑性区范围显著大于一般区段，拱顶、边墙及仰拱均出现不同程度拉伸破坏。全断面法扰动最大，塑性区发育最广；台阶法分步开挖控制效果最优，塑性区范围相对最小。因此穿越断层时应采取加强支护、实时监测等针对性措施，防范局部失稳。
综合施工安全、变形控制、工期与经济效益，建议在类似含断层软弱围岩隧道工程中优先选用台阶法施工。
基金项目
中国铁路上海局集团有限公司科研项目(2024141, 2024140)，中铁十六局集团有限公司科技计划项目(K2023-6B)。