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随着交通基础设施的大规模建设,为了使线路有良好的运行条件,在地质条件复杂、不良地质现象严重的地段修建隧道在所难免。断层破碎带是隧道施工最常见的不良地质,往往会造成塌方、大变形、突涌水等施工地质灾害,隧道施工难度大,风险高。
大坪山隧道是一条分离式特长深埋隧道,隧址区受青峰断裂影响程度高,该断裂在大坪山形成数条逆冲断层、破碎带及韧性剪切带。经调查,有规模不等的10条断层以不同角度穿越隧道区,使隧道围岩局部变得较破碎,另外有两条断层未穿越隧道区,仅从隧道进口附近形成破碎带。其中最主要的为F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F26断层,断层均穿越隧道洞身,破碎带宽度较大,岩体破碎,且可能发育有微型~小型岩溶管道,对隧道影响较大。F4、F6断层特征比较特别,其倾角均较缓,表现为走滑断层,在本区地层上表现为将老地层覆盖于新地层之上,形成地层倒转的假象。且该系列断层下盘均为S1x页岩,在下部形成相对隔水层,上部均为灰岩、白云岩,易在断层带形成岩溶,并赋存一定量的岩溶水,与隧道相交时对隧道不利。
本文以青峰断裂影响下的大坪山隧道为背景,研究了大坪山隧道穿越断层破碎带的施工风险,分析了断层破碎带的一般特征以及断层破碎带对隧道稳定性的影响。在此基础上,建立了断层破碎带段隧道施工风险评估指标体系,并明确了指标分级标准。以隧道已经穿越的F6断层破碎带为例,进行风险分析与评估,并提出有针对性的风险控制措施。具体内容如下:
(1)查阅大量文献、资料,整理国内外学者关于隧道工程风险、断层破碎带隧道围岩稳定性分析、断层破碎带隧道预警预报以及断层破碎带隧道施工控制措施四个方面的研究;
(2)在详细了解断层破碎带一般特性的基础上,分析了断层破碎带对隧道施工稳定性的影响;
(3)根据地质勘察成果,熟悉大坪山隧道隧址区工程地质、水文地质及区域地质条件,并对隧址区进行广泛的地表地质调查,弄清了隧址区青峰断裂带的几何特征和构造变形特征;
(4)对大坪山隧道穿越断层破碎带的施工风险进行识别,识别出主要的风险事件(如塌方、突涌水),分析引起风险的主要影响因素及其相互之间的关系,以此建立断层破碎带施工风险评价指标体系;
(5)针对各评价指标的不同特点,建立定性与定量相结合的指标分级标准,然后确定权重与隶属度,进行模糊综合评价,得到风险水平等级;
(6)从超前地质预报、辅助施工措施、支护结构设计、开挖方案选择和监控量测几个方面入手,对大坪山隧道断层破碎带段的施工提出有效控制措施。对开挖方案选择时,采用Phase2有限元软件对CD法和台阶分部法进行分析对比。
本文的研究得到以下几点结论:
(1)断层破碎带对隧道稳定性的影响是毋庸置疑的,但是,不同性质的断层破碎带对隧道影响的程度区别很大,从其力学性质来看,张性、张扭性断层破碎带其稳定性最差;扭性或以扭性为主的断层主要由节理密集带等片石状构造岩组成,相对来说,其碎裂程度最低,碎裂岩块之间的胶结程度较好,其稳定性相对要好;压性、压扭性断层内介于两者之间。
(2)根据隧址区断层的构造形迹及出露特征,认为该处断层是逆冲断层,断裂带是由推覆构造的韧性剪切带,即属于压性断层破碎带。
(3)结合地质资料和工程设计资料,辨识出大坪山隧道穿越数条断层破碎带的施工可能会有塌方、突涌水地质灾害,以隧道穿越的F6断层破碎带为例,进行风险评价,评价结果表明,塌方、突涌水风险为Ⅱ级,即中度风险,风险可以接受,但需要加强重视,加以监测。
(4)风险评价过程中,评价指标分级标准的合理性与实用性是非常重要的,采用专家函询的风险发生概率与风险损失的模糊估计,影响了风险评价对现场施工指导的实用性。为了满足施工现场要求,从合理与实用的角度出发,建立了明确的、定性与定量相结合的评价指标分级标准。
(5)对于风险控制,需要制定综合、全面的处治方案。文章在针对F6断层破碎带的开挖方案优化时,采用Phase2有限元模拟对CD法和台阶分部法进行对比分析,结果表明,CD法和台阶分部法均能满足F6断层破碎带的施工要求。考虑到工期、经济性,建议优先考虑台阶分部法。