深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的多維度解析與保障策略

深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的多維度解析與保障策略一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，深埋隧道作為交通、水利等領(lǐng)域的關(guān)鍵工程形式，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量日益增長。在交通領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)山區(qū)、海底等復(fù)雜地形條件下的高效連通，深埋隧道成為了縮短路線長度、提高運(yùn)輸效率的重要手段。例如，在山區(qū)高速公路和鐵路建設(shè)中，深埋隧道能夠克服地形障礙，減少路線展線長度，提高線路的平順性和運(yùn)行速度，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)區(qū)域間的聯(lián)系具有重要意義。在水利工程方面，深埋輸水隧洞能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的跨區(qū)域調(diào)配，解決水資源分布不均的問題，滿足城市供水、農(nóng)田灌溉等需求，為保障地區(qū)的水資源合理利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，當(dāng)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，情況變得異常復(fù)雜?；顒?dòng)斷裂帶是地殼運(yùn)動(dòng)的活躍區(qū)域，其地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地應(yīng)力分布不均，且存在潛在的斷層活動(dòng)和地震風(fēng)險(xiǎn)。在這樣的地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道施工，圍巖的穩(wěn)定性面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。圍巖的失穩(wěn)可能導(dǎo)致隧道坍塌、變形、涌水、突泥等災(zāi)害，不僅會(huì)延誤工程進(jìn)度，增加工程成本，還可能對(duì)施工人員的生命安全構(gòu)成威脅，給社會(huì)帶來巨大的損失。以云南華麗高速公路程海湖1號(hào)隧道為例，該隧道長約5.2公里，最大埋深613米，屬特長隧道，是華麗高速公路全線重點(diǎn)控制性工程。隧道穿越程海—賓川斷裂帶，該斷裂帶每年以2毫米的速度左旋移動(dòng)，具備發(fā)生7級(jí)地震的潛力。建設(shè)期間，隧道陸續(xù)出現(xiàn)大變形病害，初期支護(hù)鋼架扭曲、折疊、斷裂，仰拱開裂和隆起，襯砌崩裂剝落，邊墻強(qiáng)烈內(nèi)擠收斂，鋼拱架甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的“Z”或“S”形扭曲變形，這些變形問題一度成為了工程推進(jìn)的重大障礙。同樣，新建深圳至江門鐵路珠江口隧道最大埋深106米，盾構(gòu)機(jī)先后穿越17條斷裂帶，斷裂帶及分支區(qū)間長達(dá)490米，施工過程中極易出現(xiàn)掌子面坍塌、盾構(gòu)機(jī)前艙堆積滯排、刀具異常碰撞損壞、卡刀盤、盾尾密封失效等風(fēng)險(xiǎn)。因此，深入研究深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的理論和實(shí)際意義。從理論層面來看，研究活動(dòng)斷裂帶對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響機(jī)制，有助于揭示復(fù)雜地質(zhì)條件下巖體的力學(xué)行為和變形破壞機(jī)制，豐富和完善巖石力學(xué)的理論體系，為地下工程的設(shè)計(jì)和分析提供更加準(zhǔn)確的理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過對(duì)圍巖穩(wěn)定性的研究，可以為深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工提供科學(xué)合理的參數(shù)，優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方案，有效控制圍巖的變形，保障隧道施工過程中的安全穩(wěn)定，同時(shí)也能確保隧道在運(yùn)營期間的長期可靠性，降低維護(hù)成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在深埋隧道圍巖穩(wěn)定性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作。早期的研究主要基于經(jīng)驗(yàn)和工程類比法，通過對(duì)已建隧道的觀測(cè)和分析，總結(jié)出一些圍巖穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)判斷準(zhǔn)則和支護(hù)設(shè)計(jì)方法。隨著巖石力學(xué)理論的發(fā)展，彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論被引入到圍巖穩(wěn)定性分析中，為其提供了更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，經(jīng)典的普氏理論和太沙基理論，分別從松散體和連續(xù)介質(zhì)的角度，對(duì)隧道圍巖的壓力計(jì)算和穩(wěn)定性分析提出了理論模型，在一定程度上解釋了圍巖的力學(xué)行為。數(shù)值模擬技術(shù)的興起為深埋隧道圍巖穩(wěn)定性研究帶來了新的突破。有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、離散元法（DEM）等數(shù)值方法被廣泛應(yīng)用于模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布和變形破壞過程。學(xué)者們通過建立各種復(fù)雜的數(shù)值模型，考慮地應(yīng)力、巖石力學(xué)性質(zhì)、地下水、施工工藝等多種因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。例如，利用有限元軟件模擬不同地應(yīng)力場(chǎng)下隧道圍巖的力學(xué)響應(yīng)，分析地應(yīng)力大小和方向?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響規(guī)律；通過離散元方法研究節(jié)理裂隙巖體在隧道開挖擾動(dòng)下的塊體運(yùn)動(dòng)和破壞機(jī)制，為隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，通過在隧道內(nèi)布置各種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，及時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化，為數(shù)值模擬和理論分析提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也為施工決策提供了重要依據(jù)。在隧道穿越斷裂帶施工技術(shù)研究方面，國內(nèi)外也取得了一系列成果。在施工前，地質(zhì)勘探技術(shù)不斷進(jìn)步，綜合運(yùn)用地質(zhì)測(cè)繪、地球物理勘探、鉆探等多種手段，對(duì)斷裂帶的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀、活動(dòng)性、破碎程度以及地下水分布等情況進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，為施工方案的制定提供準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。例如，采用地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)等地球物理方法，能夠快速、有效地探測(cè)斷裂帶的空間位置和結(jié)構(gòu)特征；通過鉆探獲取斷裂帶內(nèi)的巖芯樣本，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，分析巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。在施工過程中，針對(duì)斷裂帶的特殊地質(zhì)條件，發(fā)展了多種施工技術(shù)和支護(hù)措施。在開挖方法上，根據(jù)斷裂帶的具體情況，選擇合適的開挖方式，如臺(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制圍巖變形。在支護(hù)方面，采用超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌相結(jié)合的支護(hù)體系。超前支護(hù)如超前小導(dǎo)管注漿、超前錨桿、管棚等，能夠在隧道開挖前對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固，提高圍巖的自穩(wěn)能力；初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等聯(lián)合支護(hù)形式，及時(shí)對(duì)開挖后的圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的早期變形；二次襯砌則作為安全儲(chǔ)備，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)斷裂帶可能出現(xiàn)的涌水、突泥等問題，采取了堵水、排水等防治措施，如注漿堵水、設(shè)置排水盲管等。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足與空白。在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的研究中，雖然考慮了多種因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，但對(duì)于各因素之間的耦合作用機(jī)制研究還不夠深入。例如，地應(yīng)力、地下水與巖體力學(xué)性質(zhì)之間的耦合效應(yīng)，以及這些耦合效應(yīng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)影響，尚未得到全面系統(tǒng)的揭示。在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的數(shù)值模型雖然能夠模擬隧道開挖的基本過程，但對(duì)于活動(dòng)斷裂帶這種復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖的非線性力學(xué)行為和大變形問題，模擬精度和可靠性還有待提高。同時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的對(duì)比驗(yàn)證還不夠充分，模型參數(shù)的選取往往缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際存在一定偏差。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，雖然監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和反饋應(yīng)用能力還有待加強(qiáng)。目前，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理主要依賴人工，效率較低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)評(píng)估和預(yù)警。此外，對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘和利用還不夠，未能充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在指導(dǎo)施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的作用。在施工技術(shù)方面，雖然針對(duì)斷裂帶提出了多種施工方法和支護(hù)措施，但在實(shí)際應(yīng)用中，如何根據(jù)不同的斷裂帶特征和工程條件，選擇最優(yōu)化的施工技術(shù)方案，還缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。而且，對(duì)于一些新型的施工技術(shù)和支護(hù)材料，其在活動(dòng)斷裂帶隧道中的應(yīng)用效果和長期性能還需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)特征及對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響因素分析：深入研究活動(dòng)斷裂帶的地質(zhì)特征，包括斷裂帶的幾何形態(tài)（如走向、傾角、寬度等）、巖石力學(xué)性質(zhì)（如巖石強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等）、斷裂帶內(nèi)填充物特性（如填充物的成分、密實(shí)度、力學(xué)性質(zhì)等）以及地應(yīng)力分布特征（地應(yīng)力大小、方向和主應(yīng)力差值等）。通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)、地球物理勘探等手段，全面獲取活動(dòng)斷裂帶的地質(zhì)信息。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析各因素對(duì)深埋隧道圍巖穩(wěn)定性的影響機(jī)制，明確各因素之間的相互作用關(guān)系，為后續(xù)的穩(wěn)定性評(píng)估和施工方案制定提供理論依據(jù)。深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶圍巖穩(wěn)定性評(píng)估方法研究：綜合考慮活動(dòng)斷裂帶的復(fù)雜地質(zhì)條件和隧道施工過程中的各種影響因素，建立適用于深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的圍巖穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋地質(zhì)因素（如圍巖類別、巖體完整性、地下水狀況等）、施工因素（如開挖方法、支護(hù)措施、施工進(jìn)度等）以及力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)（如圍巖應(yīng)力、應(yīng)變、位移等）。采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。理論分析方面，運(yùn)用巖石力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等理論，建立圍巖穩(wěn)定性分析模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式；數(shù)值模擬方面，利用有限元法、有限差分法、離散元法等數(shù)值方法，建立三維數(shù)值模型，模擬隧道開挖過程中圍巖的力學(xué)行為和變形破壞過程；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)布置各種監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果的可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)圍巖的潛在失穩(wěn)跡象。施工過程中圍巖變形破壞機(jī)制及演化規(guī)律研究：借助數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)，深入研究深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工過程中圍巖的變形破壞機(jī)制及演化規(guī)律。數(shù)值模擬中，考慮不同的開挖方式、支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)參數(shù)，分析圍巖在開挖過程中的應(yīng)力重分布規(guī)律、塑性區(qū)發(fā)展范圍以及變形特征，揭示圍巖從初始穩(wěn)定狀態(tài)到失穩(wěn)破壞的全過程。物理模型試驗(yàn)方面，按照相似理論，制作縮尺物理模型，模擬隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工過程，通過對(duì)模型的加載和監(jiān)測(cè)，直觀地觀察圍巖的變形破壞現(xiàn)象，獲取圍巖變形破壞的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和特征信息，與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，進(jìn)一步深化對(duì)圍巖變形破壞機(jī)制及演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)?；趪鷰r穩(wěn)定性的施工技術(shù)與支護(hù)措施優(yōu)化研究：根據(jù)圍巖穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果和變形破壞機(jī)制研究成果，結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工技術(shù)和支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化研究。在施工技術(shù)方面，對(duì)比分析不同開挖方法（如臺(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等）在活動(dòng)斷裂帶隧道施工中的適應(yīng)性，從控制圍巖變形、減少施工擾動(dòng)、提高施工效率等方面綜合考慮，選擇最適合的開挖方法，并對(duì)開挖順序、步距等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在支護(hù)措施方面，研究超前支護(hù)（如超前小導(dǎo)管注漿、超前錨桿、管棚等）、初期支護(hù)（如噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等）和二次襯砌的合理組合方式和參數(shù)設(shè)置，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和對(duì)圍巖變形的控制能力。同時(shí)，探索新型支護(hù)材料和技術(shù)在活動(dòng)斷裂帶隧道中的應(yīng)用，如可伸縮支護(hù)結(jié)構(gòu)、高性能注漿材料等，為保障隧道施工安全和圍巖長期穩(wěn)定提供技術(shù)支持?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)反饋分析：制定科學(xué)合理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案，在隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的關(guān)鍵部位布置位移計(jì)、應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)圍巖的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、地下水壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的采集、整理和分析。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋分析，及時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化情況，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)施工方案和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)信息化施工。同時(shí)，通過對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累和分析，總結(jié)活動(dòng)斷裂帶隧道圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。1.3.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、工程案例等，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題，對(duì)已有研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研法：選取具有代表性的深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，與工程技術(shù)人員進(jìn)行交流，了解工程的地質(zhì)條件、施工過程、采用的施工技術(shù)和支護(hù)措施以及遇到的問題和解決方法等。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，獲取第一手資料，深入了解實(shí)際工程中圍巖穩(wěn)定性面臨的挑戰(zhàn)和實(shí)際需求，為研究內(nèi)容的確定和研究方法的選擇提供實(shí)際依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）、有限差分軟件（如FLAC3D等）和離散元軟件（如UDEC、3DEC等），建立深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的三維數(shù)值模型。在模型中考慮活動(dòng)斷裂帶的地質(zhì)特征、地應(yīng)力分布、巖石力學(xué)性質(zhì)、地下水作用以及隧道施工過程等因素，模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形破壞過程以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，研究各因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)圍巖的變形和破壞趨勢(shì)，為施工方案的優(yōu)化和支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。物理模型試驗(yàn)法：按照相似理論，制作深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的縮尺物理模型。在模型試驗(yàn)中，模擬實(shí)際工程中的地質(zhì)條件、地應(yīng)力場(chǎng)、隧道開挖過程和支護(hù)措施等，通過對(duì)模型施加荷載和監(jiān)測(cè)模型的變形、應(yīng)力等參數(shù)，直觀地觀察圍巖的變形破壞現(xiàn)象，研究圍巖的變形破壞機(jī)制和演化規(guī)律。物理模型試驗(yàn)結(jié)果可以與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究成果的可靠性和準(zhǔn)確性。理論分析法：運(yùn)用巖石力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖的力學(xué)行為進(jìn)行分析。建立圍巖穩(wěn)定性分析的理論模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，分析圍巖的應(yīng)力重分布規(guī)律、塑性區(qū)發(fā)展范圍以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系。理論分析結(jié)果可以為數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)也可以對(duì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論解釋和驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法：在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，按照設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方案布置各種監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)圍巖的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、地下水壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化情況，判斷圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，為施工決策提供依據(jù)。同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析的準(zhǔn)確性，對(duì)研究成果進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)和修正。二、深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程概況與挑戰(zhàn)2.1工程實(shí)例介紹瀘石高速是《四川省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2019-2035年）》規(guī)劃的重要組成部分，其路線全長96.511公里，橋隧占比高達(dá)86.5%，隧道占比更是達(dá)到69%，共有特長隧道11座、長隧道5座。該項(xiàng)目平行近接多條區(qū)域性活動(dòng)大斷裂帶，地震基本烈度為Ⅷ度（8度），沿線地震烈度高、斷裂帶數(shù)量多、地災(zāi)現(xiàn)象較發(fā)育，多座隧道在施工中面臨軟弱圍巖、瓦斯、巖爆、涌水、突泥、大斷層破碎帶等多種不良地質(zhì)狀況，工程建設(shè)存在“五個(gè)極其”困難，是西部艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)高速公路建設(shè)的典型代表。瀘石高速中的石棉隧道為雙線分離式特長隧道，地處8級(jí)烈度地震區(qū)，起于石棉縣翻身溝，止于石棉縣廣元堡，左線全長3684米，右線全長3718米，最大埋深488米。隧道出口端東北側(cè)穿越大涼山斷裂帶，最近處僅距離200米，圍巖整體穩(wěn)定性較差且變化大，基巖裂隙發(fā)育，地下水豐富，多為淋雨?duì)?，局部地段呈股狀，雨季最大涌水量達(dá)10160立方米/天，涌水突泥、出口端逆坡排水情況嚴(yán)重。為確保隧道施工安全質(zhì)量可控，建設(shè)團(tuán)隊(duì)通過增設(shè)抗滑樁、反壓體、沖溝渠化及洞內(nèi)管棚等措施以保證出口端順利進(jìn)洞。在開挖過程中，嚴(yán)格按照要求進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，并積極完善洞內(nèi)集中排水措施，有效解決了一系列施工難點(diǎn)。禮約隧道同樣位于瀘石高速，處于石棉縣禮約村，為雙線分離式特長隧道，按照雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速80千米/時(shí)，左線全長4920米，右線全長4911米，由瀘石TJ8、TJ9項(xiàng)目雙向掘進(jìn)。該隧道所處位置臨近石棉地震帶，不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)較多，進(jìn)洞口段圍巖主要由崩坡碎石構(gòu)成，經(jīng)年累月受風(fēng)化影響，呈塊狀松散結(jié)構(gòu)堆積，無自穩(wěn)性，極易垮塌。其中，禮約隧道最大埋深600米，局部處于高應(yīng)力下，有輕微巖爆災(zāi)害可能。此外，開挖后洞口段上方容易受到牽引力影響出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)項(xiàng)目部及協(xié)作隊(duì)伍的施工經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)急體系等是重大考驗(yàn)。自2020年6月開工以來，瀘石TJ8項(xiàng)目部始終堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”施工方針，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)掌子面的地質(zhì)素描提前對(duì)圍巖情況進(jìn)行預(yù)判，動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，提高施工安全性、經(jīng)濟(jì)性；針對(duì)隧道內(nèi)弱巖爆頻發(fā)的情況，項(xiàng)目部制定巖爆專項(xiàng)施工方案并嚴(yán)格執(zhí)行，在確保施工作業(yè)人員安全的前提下穩(wěn)步推進(jìn)隧道進(jìn)尺。王崗坪特長隧道位于雅安市石棉縣境內(nèi)王崗坪彝族藏族鄉(xiāng)，隧道全長3613米，自2021年2月1日正式進(jìn)洞施工，歷時(shí)1205天成功貫通。該隧道緊鄰撒拉池溝，兩側(cè)邊坡高陡，進(jìn)口端位于危石群下方，出口端為陡坡絕壁，無進(jìn)洞施工平臺(tái)，項(xiàng)目所在地地理?xiàng)l件復(fù)雜、巖石破碎。參建各方優(yōu)化方案，修建了一座橫跨撒拉池溝的鋼便橋，在坡腳下修建擋墻后填筑近20米高的施工平臺(tái)，確保隧道施工順利進(jìn)洞。針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，項(xiàng)目踐行“機(jī)械化換人、智能化減人”理念，采用濕噴機(jī)械手、智能化拱架臺(tái)車等先進(jìn)工裝設(shè)備，增加鋼棚洞、主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等安全防護(hù)設(shè)施，引進(jìn)機(jī)械化施工設(shè)備和數(shù)字化安全監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了“機(jī)械化、信息化”作業(yè)。同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用“人防+技防”，通過遙感技術(shù)開展沿線地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別和隱患專項(xiàng)排查，設(shè)置北斗地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控系統(tǒng)、雨量監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，在夜間等特殊時(shí)段、高陡坡谷等特殊地段，安排專人24小時(shí)巡查，共同組成全天候在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，做到安全、質(zhì)量、進(jìn)度協(xié)調(diào)并進(jìn)，按期實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度目標(biāo)。瀘石高速的這些隧道工程，每一座都面臨著獨(dú)特而復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工難題，穿越活動(dòng)斷裂帶帶來的圍巖穩(wěn)定性問題貫穿于整個(gè)施工過程，從隧道洞口的艱難進(jìn)洞，到施工過程中應(yīng)對(duì)涌水突泥、巖爆、圍巖垮塌等風(fēng)險(xiǎn)，以及如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下保證施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度，都是亟待解決的關(guān)鍵問題。這些工程實(shí)例充分體現(xiàn)了深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶工程的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，也為后續(xù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的研究提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。2.2施工面臨的主要挑戰(zhàn)2.2.1復(fù)雜地質(zhì)條件帶來的挑戰(zhàn)高地應(yīng)力問題：深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，由于上覆巖體重量以及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的作用，地應(yīng)力水平通常較高。高地應(yīng)力會(huì)使圍巖處于高度的應(yīng)力集中狀態(tài)，導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形和破壞。例如，在高應(yīng)力作用下，硬巖可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象，軟巖則會(huì)出現(xiàn)大變形。巖爆是一種突發(fā)性的巖石破壞現(xiàn)象，當(dāng)隧道開挖擾動(dòng)圍巖后，積聚在圍巖內(nèi)部的彈性應(yīng)變能突然釋放，導(dǎo)致巖石碎片從洞壁彈射而出，對(duì)施工人員和設(shè)備安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。軟巖的大變形則表現(xiàn)為隧道周邊圍巖向洞內(nèi)顯著收斂，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受巨大壓力，容易出現(xiàn)鋼架扭曲、噴射混凝土開裂脫落等問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。斷層破碎帶的影響：活動(dòng)斷裂帶通常伴隨著斷層破碎帶，斷層破碎帶內(nèi)巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性遭到嚴(yán)重破壞，力學(xué)強(qiáng)度大幅降低。這使得隧道在穿越斷層破碎帶時(shí)，圍巖自穩(wěn)能力極差，極易發(fā)生坍塌事故。同時(shí)，破碎帶內(nèi)的填充物多為松散的砂土、黏土等，在地下水的作用下，容易形成流塑狀物質(zhì)，增加了施工難度和涌水突泥的風(fēng)險(xiǎn)。而且，斷層破碎帶的存在還會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)一步加劇圍巖的變形和破壞。地下水的作用：活動(dòng)斷裂帶往往是地下水的良好通道，地下水豐富且水壓較高。地下水的存在不僅會(huì)降低巖石的力學(xué)強(qiáng)度，軟化圍巖，還會(huì)增加圍巖的滲透壓力。在隧道施工過程中，一旦揭穿含水層，就可能引發(fā)涌水、突泥等災(zāi)害。涌水會(huì)淹沒隧道，影響施工進(jìn)度，損壞施工設(shè)備；突泥則可能掩埋施工人員和機(jī)械設(shè)備，造成嚴(yán)重的安全事故。此外，地下水還可能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生侵蝕作用，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性，影響隧道的長期穩(wěn)定性。2.2.2施工技術(shù)難題開挖方法的選擇與實(shí)施難度：在穿越活動(dòng)斷裂帶的深埋隧道施工中，選擇合適的開挖方法至關(guān)重要。然而，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的開挖方法在應(yīng)用時(shí)面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，臺(tái)階法適用于一般地質(zhì)條件下的隧道開挖，但在活動(dòng)斷裂帶區(qū)域，由于圍巖穩(wěn)定性差，采用臺(tái)階法開挖時(shí)，上部臺(tái)階開挖后，下部臺(tái)階未及時(shí)封閉成環(huán)，容易導(dǎo)致上部圍巖失穩(wěn)坍塌。CD法（交叉中隔壁法）和CRD法（交叉中隔壁法）雖然對(duì)控制圍巖變形有一定效果，但施工工序復(fù)雜，施工速度較慢，且臨時(shí)支撐拆除過程中容易引起圍巖應(yīng)力重分布，增加圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，但施工成本高，施工空間狹小，不利于大型機(jī)械設(shè)備的施展，施工效率較低。支護(hù)技術(shù)的復(fù)雜性：為了確保隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)的圍巖穩(wěn)定，需要采用有效的支護(hù)措施。超前支護(hù)如超前小導(dǎo)管注漿和管棚，在施工過程中，由于斷裂帶內(nèi)巖石破碎，鉆孔難度大，容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等問題，影響超前支護(hù)的施工質(zhì)量和效果。初期支護(hù)中的噴射混凝土，在破碎圍巖表面難以附著，且由于圍巖變形大，噴射混凝土容易開裂脫落。錨桿的錨固效果也會(huì)受到圍巖破碎和地下水的影響，錨固力難以保證。鋼支撐在高應(yīng)力和大變形的作用下，容易發(fā)生扭曲、折斷，無法有效發(fā)揮支護(hù)作用。二次襯砌的施作時(shí)機(jī)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要綜合考慮圍巖變形、地應(yīng)力等因素，增加了支護(hù)技術(shù)的復(fù)雜性。2.2.3安全風(fēng)險(xiǎn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)：活動(dòng)斷裂帶的復(fù)雜地質(zhì)條件使得隧道施工過程中坍塌風(fēng)險(xiǎn)極高。除了上述提到的高地應(yīng)力、斷層破碎帶和地下水等因素導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)坍塌外，施工過程中的不當(dāng)操作也可能引發(fā)坍塌事故。例如，開挖過程中爆破參數(shù)不合理，過度擾動(dòng)圍巖；支護(hù)不及時(shí)，未能在圍巖變形初期提供有效的支撐；施工進(jìn)度過快，圍巖來不及穩(wěn)定就進(jìn)行下一步施工等。坍塌事故不僅會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)導(dǎo)致隧道施工中斷，修復(fù)成本高昂，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)：如前所述，活動(dòng)斷裂帶的地下水豐富和斷層破碎帶的存在，使得涌水突泥成為隧道施工的主要安全風(fēng)險(xiǎn)之一。涌水突泥一旦發(fā)生，其來勢(shì)兇猛，難以控制。大量的涌水和突泥會(huì)瞬間填滿隧道，阻斷施工通道，威脅施工人員的生命安全。而且，涌水突泥還可能引發(fā)周邊地層的塌陷和地面沉降，對(duì)周邊環(huán)境和建筑物造成嚴(yán)重破壞。地震風(fēng)險(xiǎn)：由于活動(dòng)斷裂帶具有潛在的活動(dòng)性，隧道施工期間可能遭遇地震。地震會(huì)使圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和變形，加劇圍巖的破壞程度。地震波的傳播還會(huì)導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承受額外的地震力，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜。在地震作用下，已經(jīng)施工完成的隧道部分可能出現(xiàn)襯砌開裂、坍塌等情況，正在施工的部位則可能面臨更大的安全風(fēng)險(xiǎn)，如掌子面坍塌、施工設(shè)備損壞等。三、影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素分析3.1地質(zhì)因素3.1.1巖體結(jié)構(gòu)特征巖體結(jié)構(gòu)是指巖層、斷層、節(jié)理等各種地質(zhì)構(gòu)造在三維空間內(nèi)的空間分布和幾何形態(tài)，它是自然界地質(zhì)過程作用下形成的復(fù)雜系統(tǒng)，反映了巖石內(nèi)部的裂隙、空洞和縫隙等特性。巖體結(jié)構(gòu)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要，其主要特征包括復(fù)雜性、異質(zhì)性和不確定性。從穩(wěn)定性角度看，巖體結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示。一般情況下，巖體越破碎，坑道越容易失穩(wěn)。這是因?yàn)槠扑榈膸r體中，結(jié)構(gòu)面增多，巖體的連續(xù)性和完整性遭到破壞，使得巖體的力學(xué)強(qiáng)度降低，抵抗變形和破壞的能力減弱。例如，在某深埋隧道工程中，當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶時(shí)，巖體被眾多節(jié)理裂隙切割成大小不一的塊體，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。在隧道開挖過程中，這種碎裂狀巖體無法形成有效的承載拱，導(dǎo)致圍巖大量坍塌，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和安全。完整的巖體結(jié)構(gòu)能夠提供較好的承載能力和穩(wěn)定性。如整體狀巖體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，巖石之間的連接牢固，在隧道開挖后，能夠通過自身的強(qiáng)度和完整性來維持圍巖的穩(wěn)定。塊狀結(jié)構(gòu)的巖體，雖然存在一定的節(jié)理裂隙，但結(jié)構(gòu)體較大，相互之間的嵌鎖作用較強(qiáng)，在一定程度上也能保證圍巖的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)塊狀結(jié)構(gòu)巖體中的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，使巖體破碎程度增加時(shí)，圍巖的穩(wěn)定性就會(huì)顯著下降。不同的巖體結(jié)構(gòu)還會(huì)導(dǎo)致圍巖在受力時(shí)的變形和破壞模式不同。整體狀巖體在受力時(shí)，主要表現(xiàn)為彈性變形，當(dāng)應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)發(fā)生脆性破壞；而碎裂狀巖體在受力時(shí)，由于結(jié)構(gòu)面的存在，變形主要集中在結(jié)構(gòu)面上，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體之間的相對(duì)滑動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)，容易發(fā)生塑性變形和坍塌破壞。3.1.2結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間組合結(jié)構(gòu)面是指巖體中存在的各種地質(zhì)界面，如斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等。結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和空間組合對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性有著重要影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)面的成因：結(jié)構(gòu)面的成因不同，其力學(xué)性質(zhì)也存在差異。例如，原生結(jié)構(gòu)面（如沉積巖中的層理面）是在巖石形成過程中產(chǎn)生的，其結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較高；而次生結(jié)構(gòu)面（如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的節(jié)理裂隙）是在巖石形成后受到外力作用而產(chǎn)生的，其結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低。次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)差得多，若再發(fā)生次生泥化作用，其性質(zhì)會(huì)更差。平整度和光滑程度：平整、光滑的結(jié)構(gòu)面，其抗剪強(qiáng)度較低，在受力時(shí)結(jié)構(gòu)體容易沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。而粗糙、起伏的結(jié)構(gòu)面，能夠增加結(jié)構(gòu)體之間的摩擦力和咬合力，提高結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，從而增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。物質(zhì)組成：結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有重要影響。如果結(jié)構(gòu)面充填有軟弱的黏土、砂土等物質(zhì)，會(huì)降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，使圍巖更容易失穩(wěn)。相反，若結(jié)構(gòu)面充填有膠結(jié)性好的物質(zhì)，如鈣質(zhì)、硅質(zhì)等，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度會(huì)得到提高，有利于圍巖的穩(wěn)定。規(guī)模與方向性：規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面，對(duì)巖體的切割程度更嚴(yán)重，會(huì)顯著降低巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面的方向性也會(huì)影響圍巖的穩(wěn)定性，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的走向與隧道軸線平行時(shí)，在隧道開挖過程中，巖體容易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)和坍塌；當(dāng)結(jié)構(gòu)面的走向與隧道軸線垂直時(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小。密度與組數(shù)：結(jié)構(gòu)面的密度越大，巖體被切割得越破碎，圍巖的穩(wěn)定性越差。當(dāng)巖體中存在兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，它們的空間組合關(guān)系會(huì)形成各種形狀的分離巖塊。例如，有兩組平行但傾向相反的結(jié)構(gòu)面和一組與之垂直或斜交的陡傾結(jié)構(gòu)面，就可能構(gòu)成屋脊形分離巖塊。這些分離巖塊在隧道開挖擾動(dòng)下，容易發(fā)生塌落或滑動(dòng)，威脅隧道施工安全。在塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)以及它們?cè)诳臻g的組合狀態(tài)。單一的軟弱結(jié)構(gòu)面，一般不影響坑道的穩(wěn)定性，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)面與隧道軸線的相互關(guān)系不利時(shí)，或者出現(xiàn)兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面時(shí)，才能構(gòu)成容易墜落的分離巖體。至于分離巖塊是否會(huì)塌落或滑動(dòng)，還與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度以及巖塊之間的相互聯(lián)鎖作用有關(guān)。3.1.3巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一，主要包括巖石強(qiáng)度、變形特性等。在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。一般來說，巖石強(qiáng)度越高，坑道越穩(wěn)定。在圍巖分類中所說的巖石強(qiáng)度指標(biāo)，通常指巖石的單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度，因?yàn)檫@種強(qiáng)度的試驗(yàn)方法簡便，數(shù)據(jù)離散性小，而且與其它物理力學(xué)指標(biāo)有良好的換算關(guān)系。巖石的強(qiáng)度直接決定了其抵抗外力破壞的能力。高強(qiáng)度的巖石，如花崗巖、石英巖等，在隧道開挖過程中，能夠承受較大的荷載，不易發(fā)生變形和破壞，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。而低強(qiáng)度的巖石，如頁巖、泥巖等，在受到較小的外力作用時(shí)就可能發(fā)生屈服和破壞，導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。例如，在某隧道工程中，當(dāng)隧道穿越頁巖地層時(shí)，由于頁巖強(qiáng)度較低，在隧道開挖后，圍巖出現(xiàn)了明顯的塑性變形和坍塌現(xiàn)象，需要及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施來保證施工安全。巖石的變形特性也對(duì)圍巖穩(wěn)定性有重要影響。巖石的變形模量反映了巖石抵抗變形的能力，變形模量越大，巖石在受力時(shí)的變形越小，圍巖的穩(wěn)定性越好。此外，巖石的泊松比也會(huì)影響圍巖的變形，泊松比越大，巖石在橫向的變形越大，可能導(dǎo)致圍巖的松弛和破壞。在高地應(yīng)力條件下，巖石的變形特性對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響更為顯著。如果巖石的變形模量較小，在高地應(yīng)力作用下，圍巖會(huì)產(chǎn)生較大的變形，可能引發(fā)巖爆、大變形等災(zāi)害。巖石強(qiáng)度還影響圍巖失穩(wěn)破壞的形態(tài)。強(qiáng)度高的硬巖多表現(xiàn)為脆性破壞，在隧道內(nèi)可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象。巖爆是由于巖體在高地應(yīng)力作用下積聚了大量的彈性應(yīng)變能，當(dāng)隧道開挖擾動(dòng)巖體時(shí)，這些能量突然釋放，導(dǎo)致巖石突然破裂并彈射出來，對(duì)施工人員和設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。而在強(qiáng)度低的軟巖中，則以塑性變形為主，流變現(xiàn)象較為明顯。軟巖在長期的應(yīng)力作用下，會(huì)不斷發(fā)生蠕變變形，導(dǎo)致隧道周邊位移持續(xù)增大，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力也逐漸增加，容易出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)失效和圍巖坍塌等問題。3.1.4圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)是隧道圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。初始應(yīng)力場(chǎng)主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成，自重應(yīng)力是由于巖體自身重量產(chǎn)生的應(yīng)力，其大小與巖體的密度和埋深有關(guān)；構(gòu)造應(yīng)力是由于地殼運(yùn)動(dòng)等地質(zhì)構(gòu)造作用產(chǎn)生的應(yīng)力，其大小和方向具有較大的不確定性。在深埋隧道中，初始應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律較為復(fù)雜。一般來說，隨著埋深的增加，自重應(yīng)力逐漸增大，構(gòu)造應(yīng)力的影響也更為顯著。初始應(yīng)力場(chǎng)的分布會(huì)導(dǎo)致隧道開挖后圍巖應(yīng)力的重分布。當(dāng)隧道開挖后，圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力會(huì)重新分布，在隧道周邊形成應(yīng)力集中區(qū)域。如果初始應(yīng)力場(chǎng)較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，可能導(dǎo)致圍巖的變形和破壞。高地應(yīng)力區(qū)是初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響的典型區(qū)域。在高地應(yīng)力區(qū)，圍巖處于高度的應(yīng)力集中狀態(tài)，硬巖可能發(fā)生巖爆現(xiàn)象，軟巖則會(huì)出現(xiàn)大變形。例如，錦屏水電站引水隧洞工程，其埋深較大，地應(yīng)力水平高。在隧洞開挖過程中，部分地段出現(xiàn)了強(qiáng)烈的巖爆現(xiàn)象，巖石碎片從洞壁彈射而出，對(duì)施工安全造成了極大威脅。同時(shí)，在一些軟巖地段，由于高地應(yīng)力的作用，圍巖發(fā)生了大變形，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴(yán)重的扭曲和破壞。為了應(yīng)對(duì)高地應(yīng)力區(qū)的圍巖穩(wěn)定性問題，工程中通常采取一系列措施。如在施工前進(jìn)行詳細(xì)的地應(yīng)力測(cè)量，了解初始應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，為隧道設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。在施工過程中，采用合理的開挖方法和支護(hù)措施，如采用分步開挖、及時(shí)支護(hù)等方法，減小開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制圍巖的變形。對(duì)于可能發(fā)生巖爆的地段，采取應(yīng)力釋放、噴水降溫等措施，降低巖爆的發(fā)生概率和危害程度。3.1.5地下水狀況地下水是造成施工坍方，使隧道圍巖喪失穩(wěn)定的最重要因素之一。在巖性不同的巖體中，水的影響也有所不同，其對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：軟化巖體：地下水會(huì)使巖質(zhì)軟化，強(qiáng)度降低，對(duì)軟巖尤其突出。軟巖在地下水的浸泡下，其礦物成分可能發(fā)生變化，顆粒之間的膠結(jié)力減弱，從而導(dǎo)致巖石強(qiáng)度大幅下降。對(duì)于土體，地下水可促使其液化或流動(dòng)，使其失去承載能力。例如，在某隧道穿越軟弱頁巖地層時(shí)，由于地下水的長期浸泡，頁巖軟化成泥狀，圍巖自穩(wěn)能力極差，在隧道開挖過程中頻繁發(fā)生坍塌事故。降低結(jié)構(gòu)面摩阻力：在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，地下水會(huì)沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力，促使巖塊滑動(dòng)。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)面的粗糙度、充填物性質(zhì)以及法向應(yīng)力等因素。當(dāng)?shù)叵滤饔糜诮Y(jié)構(gòu)面時(shí)，會(huì)改變這些因素，從而降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。例如，一些斷層破碎帶中充填有黏土等軟弱物質(zhì)，地下水的流動(dòng)會(huì)將這些充填物沖走，使結(jié)構(gòu)面變得光滑，摩阻力減小，在隧道開挖擾動(dòng)下，容易引發(fā)圍巖的滑動(dòng)和坍塌。引發(fā)膨脹：在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫土為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢(shì)能很大。膨脹性巖石在吸收地下水后，體積會(huì)增大，對(duì)周圍巖體產(chǎn)生膨脹壓力，導(dǎo)致圍巖變形和破壞。例如，在某隧道穿越含有巖鹽的地層時(shí)，由于地下水的滲入，巖鹽發(fā)生膨脹，使隧道周邊圍巖產(chǎn)生了較大的變形，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?cái)D壓，出現(xiàn)開裂和破壞。增加滲透壓力：地下水在巖體中流動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生滲透壓力。當(dāng)隧道開挖揭穿含水層時(shí)，地下水會(huì)在滲透壓力的作用下涌入隧道，形成涌水現(xiàn)象。涌水不僅會(huì)影響施工進(jìn)度，還可能導(dǎo)致圍巖的失穩(wěn)。此外，滲透壓力還會(huì)使巖體中的有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)一步影響圍巖的穩(wěn)定性。在不同的地質(zhì)條件下，地下水的作用機(jī)制也有所不同。在孔隙巖體中，地下水主要通過孔隙流動(dòng)，對(duì)巖體的軟化和滲透作用較為明顯；在裂隙巖體中，地下水主要沿裂隙流動(dòng)，容易導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)展和巖體的破碎，增加涌水和坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。3.2工程因素3.2.1坑道尺寸和形狀坑道尺寸和形狀是影響深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的重要工程因素。在同一類圍巖中，坑道跨度越大，坑道圍巖的穩(wěn)定性就越差。這是因?yàn)殡S著跨度的增大，巖體的破碎程度相對(duì)加大，隧道頂部圍巖所承受的荷載也相應(yīng)增加，使得圍巖更容易發(fā)生變形和破壞。以某深埋隧道工程為例，當(dāng)隧道跨度從10米增加到12米時(shí)，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，隧道頂部圍巖的最大拉應(yīng)力增加了30%，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大了20%，這表明跨度的增大顯著降低了圍巖的穩(wěn)定性?？拥赖男螤顚?duì)開挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有著重要影響。不同形狀的坑道在受力時(shí)的應(yīng)力分布特點(diǎn)各不相同。圓形斷面由于其幾何形狀的對(duì)稱性，受力較為均勻，應(yīng)力分布相對(duì)較為合理，在同等條件下，圓形斷面坑道的圍巖穩(wěn)定性較好。這是因?yàn)閳A形斷面能夠有效地將圍巖壓力均勻地分散到周邊巖體中，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。橢圓形斷面在長軸方向上的應(yīng)力相對(duì)較小，短軸方向上的應(yīng)力相對(duì)較大，其穩(wěn)定性介于圓形和矩形之間。矩形或梯形隧道在頂板處的圍巖中將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，這是由于其形狀的突變導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而容易導(dǎo)致巖體張裂破壞。在實(shí)際工程中，矩形隧道在頂板處常常出現(xiàn)裂縫，甚至坍塌現(xiàn)象，這與矩形斷面的應(yīng)力分布特點(diǎn)密切相關(guān)。在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力分布不均，合理選擇坑道尺寸和形狀尤為重要。當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶等軟弱巖體區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡量減小坑道跨度，以降低圍巖的承載壓力，提高圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于地應(yīng)力較高的區(qū)域，采用圓形或橢圓形斷面可以更好地適應(yīng)地應(yīng)力的分布，減少應(yīng)力集中，降低圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。在某深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程中，根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果和地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，將原設(shè)計(jì)的矩形斷面調(diào)整為橢圓形斷面，并適當(dāng)減小了跨度。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，調(diào)整后的隧道圍巖變形明顯減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力也更加合理，有效地保障了施工安全和圍巖的穩(wěn)定性。3.2.2施工開挖方法施工開挖方法對(duì)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性有著顯著影響。不同的開挖方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度、應(yīng)力重分布情況以及施工進(jìn)度等方面都存在差異。在同一類巖體中，采用普通的爆破法和采用控制爆破法，采用礦山法和采用掘進(jìn)機(jī)法，采用全斷面一次開挖和采用小斷面分部開挖，對(duì)隧道圍巖的影響都各不相同。爆破法是隧道施工中常用的開挖方法之一，它通過炸藥爆炸產(chǎn)生的能量破碎巖石。普通爆破法在爆炸過程中會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)和沖擊波，對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，容易導(dǎo)致圍巖的松動(dòng)和破壞。在某隧道工程中，采用普通爆破法開挖時(shí)，爆破震動(dòng)速度達(dá)到了15cm/s，導(dǎo)致周邊圍巖出現(xiàn)了大量的裂縫，圍巖的完整性遭到嚴(yán)重破壞。而控制爆破法通過合理設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，如炸藥量、起爆順序等，能夠有效地控制爆破震動(dòng)和沖擊波的強(qiáng)度，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。采用控制爆破法時(shí)，爆破震動(dòng)速度可控制在5cm/s以內(nèi)，大大降低了對(duì)圍巖的影響，有利于圍巖的穩(wěn)定。掘進(jìn)機(jī)法是利用機(jī)械刀具切削巖石進(jìn)行開挖，具有施工速度快、對(duì)圍巖擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)在開挖過程中，刀具與巖石的接觸是連續(xù)的，切削力相對(duì)平穩(wěn)，不會(huì)像爆破法那樣產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)和沖擊。在某深埋隧道工程中，采用掘進(jìn)機(jī)法開挖，圍巖的變形量明顯小于采用爆破法開挖的情況，圍巖的穩(wěn)定性得到了較好的保障。但是，掘進(jìn)機(jī)法的設(shè)備成本較高，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對(duì)較差，在遇到復(fù)雜地質(zhì)條件如斷層破碎帶時(shí)，施工難度較大。分部開挖法是將隧道斷面分成若干部分，分部進(jìn)行開挖。常見的分部開挖法有臺(tái)階法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。臺(tái)階法適用于一般地質(zhì)條件下的隧道開挖，施工速度相對(duì)較快，但在穿越活動(dòng)斷裂帶等復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，由于上部臺(tái)階開挖后，下部臺(tái)階未及時(shí)封閉成環(huán)，容易導(dǎo)致上部圍巖失穩(wěn)坍塌。CD法和CRD法在控制圍巖變形方面有一定效果，但施工工序復(fù)雜，施工速度較慢，且臨時(shí)支撐拆除過程中容易引起圍巖應(yīng)力重分布，增加圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，能夠有效地控制圍巖變形，但施工成本高，施工空間狹小，不利于大型機(jī)械設(shè)備的施展，施工效率較低。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、斷面尺寸、施工進(jìn)度要求等因素，合理選擇開挖方法。對(duì)于深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，通常需要采用多種開挖方法相結(jié)合的方式。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，在斷裂帶破碎程度較輕的地段，采用臺(tái)階法開挖，提高施工速度；在斷裂帶破碎程度較重的地段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，確保圍巖的穩(wěn)定。通過合理選擇開挖方法，有效地保障了隧道施工的安全和順利進(jìn)行。3.2.3支護(hù)措施支護(hù)措施是保障深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵手段。常見的支護(hù)方式包括錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、鋼支撐支護(hù)等，它們各自具有獨(dú)特的作用和特點(diǎn)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響也各不相同。錨桿支護(hù)是通過將錨桿錨固在圍巖中，利用錨桿與圍巖之間的摩擦力和粘結(jié)力，將圍巖的松動(dòng)部分與穩(wěn)定部分連接在一起，形成一個(gè)整體，從而提高圍巖的自穩(wěn)能力。錨桿能夠有效地約束圍巖的變形，阻止圍巖的松動(dòng)和坍塌。在某隧道工程中，通過在圍巖中設(shè)置錨桿，圍巖的位移明顯減小，錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的圍巖形成了一個(gè)穩(wěn)定的承載拱，提高了圍巖的穩(wěn)定性。錨桿的支護(hù)效果與錨桿的長度、間距、直徑以及錨固方式等參數(shù)密切相關(guān)。一般來說，錨桿長度越長、間距越小，支護(hù)效果越好。在高地應(yīng)力條件下，采用全長錨固的錨桿能夠更好地抵抗圍巖的變形和破壞。噴射混凝土支護(hù)是將混凝土以高速噴射到隧道圍巖表面，形成一層混凝土支護(hù)層。噴射混凝土能夠及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和剝落，同時(shí)還能填充圍巖的裂隙，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度。噴射混凝土與圍巖緊密結(jié)合，能夠共同承受圍巖壓力，有效地控制圍巖的變形。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，及時(shí)噴射混凝土后，圍巖的變形速率明顯降低，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力得到了有效改善。噴射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、噴射厚度等參數(shù)對(duì)支護(hù)效果有重要影響。較高強(qiáng)度等級(jí)的噴射混凝土能夠提供更大的承載能力，而適當(dāng)增加噴射厚度可以提高支護(hù)層的剛度和穩(wěn)定性。鋼支撐支護(hù)是采用鋼材制作的支撐結(jié)構(gòu)，如鋼拱架、鋼格柵等，安裝在隧道周邊，與噴射混凝土和錨桿共同組成聯(lián)合支護(hù)體系。鋼支撐具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠快速承擔(dān)圍巖壓力，控制圍巖的大變形。在高地應(yīng)力區(qū)或圍巖破碎嚴(yán)重的地段，鋼支撐的作用尤為突出。在某深埋隧道工程中，當(dāng)遇到強(qiáng)烈?guī)r爆時(shí)，鋼支撐有效地抵御了巖爆產(chǎn)生的沖擊力，保護(hù)了施工人員和設(shè)備的安全，同時(shí)也為后續(xù)的支護(hù)和施工提供了條件。鋼支撐的型號(hào)、間距等參數(shù)需要根據(jù)圍巖的實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。在圍巖穩(wěn)定性較差的地段，應(yīng)加密鋼支撐的間距，提高鋼支撐的承載能力。在實(shí)際工程中，通常采用多種支護(hù)方式相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)體系，以充分發(fā)揮各種支護(hù)方式的優(yōu)勢(shì)，提高支護(hù)效果。超前支護(hù)如超前小導(dǎo)管注漿、超前錨桿、管棚等，能夠在隧道開挖前對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固，提高圍巖的自穩(wěn)能力。初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等聯(lián)合支護(hù)形式，及時(shí)對(duì)開挖后的圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的早期變形。二次襯砌則作為安全儲(chǔ)備，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。通過合理設(shè)計(jì)和施工聯(lián)合支護(hù)體系，能夠有效地保障深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期的圍巖穩(wěn)定性，確保隧道施工的安全和順利進(jìn)行。四、圍巖穩(wěn)定性的評(píng)估方法與模型構(gòu)建4.1穩(wěn)定性評(píng)估方法概述在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性研究中，準(zhǔn)確評(píng)估圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要，目前常用的評(píng)估方法包括解析法、經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值分析法和物理模型試驗(yàn)等，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。解析法是基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)等理論，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)求解圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等力學(xué)參數(shù)，從而評(píng)估圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于圓形隧道，在均勻介質(zhì)和簡單邊界條件下，可利用Lame公式計(jì)算圍巖的彈性應(yīng)力分布。當(dāng)隧道處于靜水壓力場(chǎng)中，圍巖內(nèi)任意一點(diǎn)的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力可通過該公式精確計(jì)算。解析法的優(yōu)點(diǎn)是能夠給出問題的理論解，物理概念清晰，計(jì)算結(jié)果具有較高的精度，便于進(jìn)行規(guī)律性研究。然而，其局限性也很明顯，它通常要求圍巖為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的理想介質(zhì)，且邊界條件簡單，這在實(shí)際工程中很難滿足。在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的復(fù)雜地質(zhì)條件下，圍巖的非均質(zhì)性、結(jié)構(gòu)面的存在以及復(fù)雜的地應(yīng)力場(chǎng)等因素，使得解析法的應(yīng)用受到很大限制。經(jīng)驗(yàn)法主要是依據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，通過工程類比來評(píng)估當(dāng)前隧道圍巖的穩(wěn)定性。它通常采用圍巖分類的方法，如BQ分級(jí)法、Q系統(tǒng)分級(jí)法等。BQ分級(jí)法根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度、巖體完整程度、地下水狀況等因素對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí)，從而初步判斷圍巖的穩(wěn)定性。經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，能夠快速地對(duì)圍巖穩(wěn)定性做出初步評(píng)估，且成本較低。但是，這種方法依賴于經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和相似性，缺乏嚴(yán)格的理論依據(jù)，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶工程，難以準(zhǔn)確反映圍巖的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)和穩(wěn)定性情況。數(shù)值分析法是借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用有限元法、有限差分法、離散元法等數(shù)值方法對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬分析，從而評(píng)估圍巖的穩(wěn)定性。有限元法是將連續(xù)的圍巖離散為有限個(gè)單元，通過求解單元的平衡方程來得到整個(gè)圍巖系統(tǒng)的力學(xué)響應(yīng)。在模擬深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，可考慮圍巖的非線性力學(xué)特性、地應(yīng)力分布、地下水滲流等多種因素。數(shù)值分析法能夠考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程因素，模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形破壞過程以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，為圍巖穩(wěn)定性評(píng)估提供詳細(xì)的信息。但數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性、參數(shù)的選取以及計(jì)算方法的正確性，模型參數(shù)的確定往往需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)判斷，存在一定的主觀性和不確定性。物理模型試驗(yàn)是按照相似理論，制作與實(shí)際工程相似的物理模型，通過對(duì)模型施加荷載和監(jiān)測(cè)模型的變形、應(yīng)力等參數(shù)，來研究隧道圍巖的穩(wěn)定性。在物理模型試驗(yàn)中，可模擬活動(dòng)斷裂帶的地質(zhì)條件、地應(yīng)力場(chǎng)、隧道開挖過程和支護(hù)措施等。物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地反映圍巖的變形破壞現(xiàn)象，獲取真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果。然而，物理模型試驗(yàn)成本較高、周期長，且模型的制作和試驗(yàn)過程受到多種因素的限制，難以完全模擬實(shí)際工程中的復(fù)雜情況。4.2數(shù)值模擬方法及應(yīng)用4.2.1有限元法（FEM）原理與應(yīng)用有限元法（FEM）是一種基于變分原理的數(shù)值計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于求解各類工程力學(xué)問題，在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶圍巖穩(wěn)定性分析中發(fā)揮著重要作用。其基本原理是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個(gè)單元，這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接。單元內(nèi)部的物理量分布通過插值函數(shù)來近似表示，通過建立單元的平衡方程，將其組裝成整個(gè)求解區(qū)域的總體平衡方程，從而求解出節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力等物理量。以某深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶工程為例，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析。在模型建立過程中，充分考慮活動(dòng)斷裂帶的復(fù)雜地質(zhì)條件，包括巖體的非均質(zhì)、各向異性以及結(jié)構(gòu)面的存在。將隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)離散為三維實(shí)體單元，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，賦予不同區(qū)域的單元相應(yīng)的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度等。同時(shí)，考慮地應(yīng)力場(chǎng)的作用，通過定義初始應(yīng)力狀態(tài)來模擬實(shí)際的地應(yīng)力分布。在模擬隧道開挖過程時(shí)，采用生死單元技術(shù)來模擬隧道的分步開挖。首先，激活所有單元，計(jì)算初始地應(yīng)力場(chǎng)下的圍巖應(yīng)力和位移分布。然后，按照實(shí)際施工順序，逐步殺死代表開挖部分的單元，模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力重分布和變形情況。在每一步開挖后，及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過定義支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的接觸關(guān)系，模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的約束作用。通過有限元模擬，得到了隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化情況。在隧道開挖初期，由于開挖卸荷作用，隧道周邊圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是在拱頂和拱腳部位，應(yīng)力集中較為明顯。隨著開挖的進(jìn)行，圍巖的變形逐漸增大，塑性區(qū)范圍也不斷擴(kuò)展。當(dāng)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)后，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了部分圍巖壓力，有效地控制了圍巖的變形，使圍巖的應(yīng)力和變形趨于穩(wěn)定。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以直觀地了解隧道開挖過程中圍巖的力學(xué)行為和穩(wěn)定性變化規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考依據(jù)。例如，根據(jù)模擬得到的圍巖應(yīng)力和位移分布情況，可以合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、參數(shù)和施作時(shí)機(jī)，以確保隧道施工過程中的圍巖穩(wěn)定。同時(shí)，通過對(duì)比不同施工方案的模擬結(jié)果，可以優(yōu)化施工方案，選擇最適合的施工方法和施工順序，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。4.2.2離散元法（DEM）原理與應(yīng)用離散元法（DEM）由Cundall在1971年提出，最初用于解決巖石力學(xué)中節(jié)理巖體的穩(wěn)定性問題，其基本原理是將巖體視為由離散的巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的系統(tǒng)，通過考慮巖塊之間的相互作用和運(yùn)動(dòng)來模擬巖體的力學(xué)行為。在離散元模型中，巖塊被看作是剛性或可變形的實(shí)體，它們之間通過接觸力相互作用，包括法向力和切向力。接觸力的計(jì)算基于一定的接觸本構(gòu)模型，如線性彈簧模型、Hertz-Mindlin模型等，這些模型能夠描述巖塊在接觸過程中的彈性變形、塑性變形以及摩擦滑移等現(xiàn)象。離散元法在模擬節(jié)理巖體等復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。節(jié)理巖體中存在大量的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面將巖體切割成大小和形狀各異的巖塊，使得巖體呈現(xiàn)出明顯的非連續(xù)性和各向異性。傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法難以準(zhǔn)確描述節(jié)理巖體的這種特性，而離散元法能夠很好地模擬巖塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、分離、碰撞等大變形行為，以及結(jié)構(gòu)面的張開、閉合和滑移等力學(xué)響應(yīng)，從而更真實(shí)地反映節(jié)理巖體在隧道開挖等工程擾動(dòng)下的穩(wěn)定性變化。以某深埋隧道穿越節(jié)理巖體活動(dòng)斷裂帶的工程為例，采用離散元軟件UDEC進(jìn)行模擬分析。在模型構(gòu)建過程中，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪數(shù)據(jù)，確定節(jié)理巖體的節(jié)理分布特征，包括節(jié)理的產(chǎn)狀、間距、長度等參數(shù)。然后，將巖體離散為一系列的巖塊單元，根據(jù)節(jié)理的分布情況，定義巖塊之間的接觸關(guān)系和接觸本構(gòu)模型。在模擬隧道開挖過程時(shí)，通過逐步移除代表開挖區(qū)域的巖塊單元，來模擬隧道的開挖過程。隨著開挖的進(jìn)行，巖塊之間的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，接觸力重新分布，巖塊會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位移。模擬結(jié)果清晰地展示了隧道開挖過程中節(jié)理巖體的變形破壞過程。在開挖初期，靠近隧道周邊的巖塊由于受到開挖擾動(dòng)，開始出現(xiàn)局部的位移和滑動(dòng)，節(jié)理面逐漸張開。隨著開挖的深入，更多的巖塊參與到運(yùn)動(dòng)中，形成了一定范圍的松動(dòng)區(qū)。當(dāng)松動(dòng)區(qū)發(fā)展到一定程度時(shí)，部分巖塊會(huì)發(fā)生掉落和坍塌，導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道開挖過程中可能出現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)部位和破壞模式，為制定合理的支護(hù)措施提供依據(jù)。例如，根據(jù)模擬結(jié)果確定在圍巖易失穩(wěn)部位增加錨桿、噴射混凝土等支護(hù)措施，以增強(qiáng)巖塊之間的連接，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。4.2.3其他數(shù)值方法簡介邊界元法（BEM）是一種基于邊界積分方程的數(shù)值方法，它將求解區(qū)域的偏微分方程轉(zhuǎn)化為邊界上的積分方程，然后通過對(duì)邊界進(jìn)行離散化來求解。與有限元法不同，邊界元法只需對(duì)求解區(qū)域的邊界進(jìn)行離散，而不需要對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行離散，因此在處理無限域或半無限域問題時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在圍巖穩(wěn)定性分析中，邊界元法可以用于求解具有復(fù)雜邊界條件的問題，如考慮地下水滲流、地應(yīng)力場(chǎng)等因素對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。例如，在分析深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，利用邊界元法可以準(zhǔn)確地模擬地下水在圍巖中的滲流路徑和滲流壓力分布，以及地應(yīng)力場(chǎng)在隧道開挖過程中的變化，從而更全面地評(píng)估圍巖的穩(wěn)定性。有限差分法（FDM）是一種古老而經(jīng)典的數(shù)值方法，它通過將求解區(qū)域劃分為網(wǎng)格，用差分近似代替微分方程中的導(dǎo)數(shù)，從而將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組進(jìn)行求解。有限差分法具有計(jì)算簡單、易于編程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在早期的隧道工程分析中得到了廣泛應(yīng)用。在模擬隧道開挖過程中，有限差分法可以快速地計(jì)算出圍巖的應(yīng)力和位移變化，但由于其對(duì)復(fù)雜幾何形狀和邊界條件的適應(yīng)性較差，在處理復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道問題時(shí)存在一定的局限性。不同數(shù)值方法在圍巖穩(wěn)定性分析中各有特點(diǎn)。有限元法能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和材料特性，適用于模擬各種類型的隧道工程，但計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。離散元法擅長模擬非連續(xù)介質(zhì)的大變形和破壞行為，在節(jié)理巖體等復(fù)雜地質(zhì)條件下具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但模型建立和參數(shù)確定相對(duì)復(fù)雜。邊界元法在處理無限域和復(fù)雜邊界條件問題時(shí)表現(xiàn)出色，但對(duì)奇異積分的處理較為困難，應(yīng)用范圍相對(duì)較窄。有限差分法計(jì)算簡單、效率較高，但對(duì)復(fù)雜問題的適應(yīng)性有限。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)和要求，選擇合適的數(shù)值方法或多種方法相結(jié)合，以獲得準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)果。4.3模型構(gòu)建與參數(shù)選取4.3.1地質(zhì)模型構(gòu)建根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，構(gòu)建準(zhǔn)確反映隧道穿越區(qū)域地質(zhì)條件的地質(zhì)模型是進(jìn)行數(shù)值模擬和圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。地質(zhì)模型的構(gòu)建過程涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟和要素，需全面考慮巖體結(jié)構(gòu)、地層分布等重要因素。在巖體結(jié)構(gòu)方面，通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔勘探以及地球物理探測(cè)等手段，詳細(xì)獲取巖體中各類結(jié)構(gòu)面的信息，包括節(jié)理、裂隙、斷層等的產(chǎn)狀、間距、長度以及充填物特性等。這些信息對(duì)于準(zhǔn)確描述巖體的非連續(xù)性和各向異性至關(guān)重要。利用現(xiàn)場(chǎng)采集的巖芯樣本，進(jìn)行巖石薄片鑒定，分析節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)和連通性，為巖體結(jié)構(gòu)的模擬提供微觀層面的依據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)，采用離散元方法或節(jié)理網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)模型，真實(shí)地反映巖體中結(jié)構(gòu)面的分布和相互作用關(guān)系。地層分布的準(zhǔn)確呈現(xiàn)也是地質(zhì)模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)地質(zhì)勘察的鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)剖面圖，確定不同地層的巖性、厚度以及空間位置關(guān)系。對(duì)于復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)，如存在褶皺、斷層等構(gòu)造的區(qū)域，需要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造理論和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，合理推斷地層的連續(xù)性和變化規(guī)律。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將地層數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，構(gòu)建三維地層模型，直觀地展示地層的分布形態(tài)和變化趨勢(shì)。以某深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶工程為例，在地質(zhì)模型構(gòu)建過程中，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)20余個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合高精度的地震反射勘探結(jié)果，確定了隧道穿越區(qū)域存在4個(gè)主要地層，分別為砂巖、頁巖、灰?guī)r和斷層破碎帶。其中，斷層破碎帶寬度約為30-50米，走向與隧道軸線夾角約為45°。利用這些數(shù)據(jù)，在建模軟件中準(zhǔn)確繪制了各地層的三維形態(tài)，并考慮了斷層破碎帶內(nèi)巖石的破碎程度和力學(xué)性質(zhì)的變化。通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪，詳細(xì)記錄了巖體中節(jié)理的產(chǎn)狀和密度，在模型中采用離散元方法模擬了節(jié)理的分布和相互作用，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了真實(shí)可靠的地質(zhì)模型基礎(chǔ)。4.3.2力學(xué)參數(shù)選取力學(xué)參數(shù)的合理選取對(duì)于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要，直接影響到對(duì)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖穩(wěn)定性的分析和評(píng)估。巖石力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)面參數(shù)的確定，通常通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取值等多種方法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是獲取巖石力學(xué)參數(shù)的重要手段之一。其中，原位巖體變形試驗(yàn)可以直接測(cè)量巖體在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力條件下的變形特性，包括彈性模量和泊松比等參數(shù)。常用的原位巖體變形試驗(yàn)方法有承壓板法、水壓致裂法等。在某深埋隧道工程中，采用承壓板法進(jìn)行原位巖體變形試驗(yàn)，在隧道周邊不同位置選取了5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到該區(qū)域巖體的彈性模量為15-20GPa，泊松比為0.25-0.30?，F(xiàn)場(chǎng)巖體強(qiáng)度試驗(yàn)則能直接測(cè)定巖體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等參數(shù)。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了巖體直剪試驗(yàn)，得到斷裂帶內(nèi)巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，內(nèi)摩擦角為25°-30°，粘聚力為0.5-1.0MPa。室內(nèi)試驗(yàn)也是獲取巖石力學(xué)參數(shù)的重要途徑。通過在現(xiàn)場(chǎng)采集巖芯樣本，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以測(cè)定巖石的抗壓強(qiáng)度，巖石三軸壓縮試驗(yàn)則能得到巖石在不同圍壓條件下的力學(xué)特性，從而確定巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則和相關(guān)參數(shù)。在某深埋隧道的室內(nèi)試驗(yàn)中，對(duì)采集的砂巖樣本進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度為80-100MPa；通過三軸壓縮試驗(yàn)，確定了砂巖的強(qiáng)度準(zhǔn)則符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，內(nèi)摩擦角為35°，粘聚力為5-8MPa。巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)可采用直接拉伸法或劈裂法進(jìn)行，在室內(nèi)試驗(yàn)中，采用劈裂法得到了頁巖的抗拉強(qiáng)度為2-3MPa。對(duì)于一些難以通過試驗(yàn)直接獲取的參數(shù)，或者為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的合理性，經(jīng)驗(yàn)取值法也是常用的手段。參考國內(nèi)外類似地質(zhì)條件下的工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行合理取值。對(duì)于斷層破碎帶內(nèi)的填充物，由于其力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜且難以準(zhǔn)確測(cè)定，可參考相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，取其彈性模量為0.5-1.0GPa，泊松比為0.35-0.40，內(nèi)摩擦角為15°-20°，粘聚力為0.1-0.3MPa。在某隧道工程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值法，對(duì)深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶區(qū)域的地應(yīng)力進(jìn)行了初步估算，考慮到該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和埋深，取水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值為1.2-1.5。在確定結(jié)構(gòu)面參數(shù)時(shí)，同樣需要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取值。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)是影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，可通過現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)或室內(nèi)結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)來獲取。在某隧道穿越節(jié)理巖體的工程中，對(duì)主要節(jié)理面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，得到節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，內(nèi)摩擦角為20°-25°，粘聚力為0.2-0.4MPa。對(duì)于結(jié)構(gòu)面的法向剛度和切向剛度等參數(shù)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或參考類似工程的取值進(jìn)行確定。在某深埋隧道工程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到節(jié)理面的法向剛度為5-10GPa/m，切向剛度為2-5GPa/m。五、施工期圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析5.1監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)為了全面、準(zhǔn)確地掌握深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶施工期圍巖的穩(wěn)定性狀況，制定科學(xué)合理的監(jiān)測(cè)方案至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)方案涵蓋了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的確定、監(jiān)測(cè)儀器的選擇以及監(jiān)測(cè)斷面的精心布置，各個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，共同為圍巖穩(wěn)定性的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括圍巖位移、應(yīng)力、地下水水位等。圍巖位移監(jiān)測(cè)是判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，通過監(jiān)測(cè)圍巖的位移變化，可以直觀地了解圍巖的變形趨勢(shì)。在隧道開挖過程中，圍巖會(huì)因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生位移，若位移過大或變化速率過快，可能預(yù)示著圍巖即將失穩(wěn)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)則能夠獲取圍巖內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化情況，幫助分析圍巖的受力狀態(tài)。在活動(dòng)斷裂帶附近，地應(yīng)力分布復(fù)雜，監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，提前采取措施防止圍巖破壞。地下水水位監(jiān)測(cè)同樣不容忽視，活動(dòng)斷裂帶往往是地下水的良好通道，地下水水位的變化可能引發(fā)涌水、突泥等災(zāi)害，對(duì)隧道施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水水位，能夠及時(shí)掌握地下水的動(dòng)態(tài)變化，為防治涌水突泥等災(zāi)害提供依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，需選用合適的監(jiān)測(cè)儀器。全站儀是一種高精度的測(cè)量儀器，可用于測(cè)量圍巖的三維位移。它通過發(fā)射和接收電磁波，精確測(cè)定目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而計(jì)算出圍巖的位移量。在某深埋隧道工程中，使用全站儀對(duì)隧道拱頂、拱腰和邊墻等部位的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)毫米級(jí)，為分析圍巖變形提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。壓力盒用于測(cè)量圍巖的應(yīng)力，它能將圍巖的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。在不同地質(zhì)條件下，壓力盒的選型和安裝方式會(huì)有所不同。在軟弱圍巖中，通常選擇靈敏度較高的壓力盒，以準(zhǔn)確捕捉圍巖應(yīng)力的微小變化；而在堅(jiān)硬圍巖中，則需要考慮壓力盒的耐壓性能。滲壓計(jì)是監(jiān)測(cè)地下水水位的常用儀器，它利用壓力傳感器測(cè)量地下水的壓力，進(jìn)而推算出水位高度。滲壓計(jì)具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地下環(huán)境。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，通過在隧道周邊不同位置安裝滲壓計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水水位的變化，有效預(yù)防了涌水事故的發(fā)生。監(jiān)測(cè)斷面的布置應(yīng)綜合考慮隧道的地質(zhì)條件、施工方法和工程重點(diǎn)等因素。在活動(dòng)斷裂帶附近，地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性差，因此應(yīng)加密監(jiān)測(cè)斷面的布置，以便更詳細(xì)地了解圍巖的變化情況。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程中，在斷裂帶及其兩側(cè)50米范圍內(nèi)，每隔5米設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；而在遠(yuǎn)離斷裂帶的區(qū)域，監(jiān)測(cè)斷面間距可適當(dāng)增大至10-15米。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，根據(jù)隧道的形狀和受力特點(diǎn)，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于圓形隧道，在拱頂、拱腰和拱底等部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)；對(duì)于馬蹄形隧道，除上述位置外，還在邊墻中部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的協(xié)同監(jiān)測(cè)，能夠全面獲取圍巖的位移、應(yīng)力等信息，為準(zhǔn)確評(píng)估圍巖穩(wěn)定性提供豐富的數(shù)據(jù)支持。5.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集頻率依據(jù)隧道施工進(jìn)度和圍巖的穩(wěn)定狀況靈活確定。在隧道開挖初期，由于圍巖受到的擾動(dòng)較大，變形和應(yīng)力變化較為劇烈，為了及時(shí)捕捉這些變化，采集頻率通常設(shè)置為每天1-2次。隨著隧道施工的推進(jìn)，若圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，可適當(dāng)降低采集頻率，調(diào)整為每2-3天1次。但當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)，如位移突然增大、應(yīng)力急劇變化時(shí)，立即加密采集頻率，甚至達(dá)到每小時(shí)1次，以便實(shí)時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)采取相應(yīng)的措施。在數(shù)據(jù)采集過程中，全站儀利用其高精度的測(cè)量功能，通過測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，獲取圍巖的位移數(shù)據(jù)。每次測(cè)量時(shí)，確保全站儀的架設(shè)位置穩(wěn)定，測(cè)量精度滿足要求。壓力盒則將圍巖的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。為保證壓力盒的測(cè)量準(zhǔn)確性，在安裝前對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，安裝過程中確保其與圍巖緊密接觸，避免出現(xiàn)松動(dòng)或位移。滲壓計(jì)通過測(cè)量地下水的壓力，推算出水位高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水水位的監(jiān)測(cè)。定期對(duì)滲壓計(jì)進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，確保其在復(fù)雜的地下環(huán)境中能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地工作。采集到的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，可能包含由于儀器誤差、環(huán)境干擾等因素產(chǎn)生的噪聲和異常值，因此需要進(jìn)行濾波處理。采用移動(dòng)平均濾波法，對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方法通過計(jì)算一定時(shí)間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，來平滑數(shù)據(jù)曲線，消除噪聲干擾。具體來說，對(duì)于位移數(shù)據(jù)序列x_1,x_2,\cdots,x_n，設(shè)置移動(dòng)平均窗口大小為m，則濾波后的位移數(shù)據(jù)y_i計(jì)算公式為：y_i=\frac{1}{m}\sum_{j=i-\frac{m}{2}}^{i+\frac{m}{2}}x_j（當(dāng)i-\frac{m}{2}<1或i+\frac{m}{2}>n時(shí)，采用邊界值處理）。通過移動(dòng)平均濾波處理后，位移數(shù)據(jù)曲線更加平滑，能夠更清晰地反映圍巖位移的變化趨勢(shì)。為了深入分析圍巖變形和應(yīng)力變化規(guī)律，采用回歸分析方法建立圍巖變形與時(shí)間、施工進(jìn)度等因素之間的關(guān)系模型。以圍巖位移與施工進(jìn)度的關(guān)系為例，通過對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)位移與施工進(jìn)度之間呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。設(shè)位移為y，施工進(jìn)度為x，利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，得到回歸方程y=a+bx，其中a和b為回歸系數(shù)。通過對(duì)回歸方程的分析，可以預(yù)測(cè)在不同施工進(jìn)度下圍巖的位移情況，為施工決策提供依據(jù)。除了上述方法，還運(yùn)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將處理后的數(shù)據(jù)以圖表的形式直觀展示。繪制位移-時(shí)間曲線，清晰地呈現(xiàn)圍巖位移隨時(shí)間的變化過程；繪制應(yīng)力-施工進(jìn)度曲線，直觀反映應(yīng)力在施工過程中的變化趨勢(shì)。通過這些可視化圖表，能夠更直觀地了解圍巖變形和應(yīng)力變化規(guī)律，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)的措施。5.3基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性分析根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠清晰地分析出圍巖穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)。以某深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶工程為例，通過對(duì)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著隧道開挖的推進(jìn)，圍巖位移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。在開挖初期，位移增長速率相對(duì)較快，這是由于開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放，圍巖產(chǎn)生了較大的變形。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，位移增長速率逐漸減緩，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地抑制了圍巖的變形，使圍巖逐漸趨于穩(wěn)定。在應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在隧道周邊的某些部位，如拱頂和拱腳處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。在開挖過程中，這些部位的應(yīng)力迅速增加，超過了圍巖的承載能力，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)了塑性變形和破壞。通過對(duì)不同監(jiān)測(cè)斷面的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，還發(fā)現(xiàn)靠近活動(dòng)斷裂帶的監(jiān)測(cè)斷面，其應(yīng)力變化更為復(fù)雜，波動(dòng)幅度更大，這表明活動(dòng)斷裂帶對(duì)圍巖應(yīng)力分布有著顯著的影響，進(jìn)一步增加了圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以判斷圍巖是否存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過預(yù)定的預(yù)警值，或者位移增長速率突然加快，且無法通過支護(hù)措施得到有效控制時(shí)，表明圍巖可能存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。同樣，當(dāng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限，或者出現(xiàn)異常的應(yīng)力集中和應(yīng)力變化時(shí)，也預(yù)示著圍巖失穩(wěn)的可能性增大。在某隧道工程中，當(dāng)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉量在短時(shí)間內(nèi)超過了設(shè)計(jì)允許值的1.5倍，且位移增長速率持續(xù)上升，同時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明拱頂處的拉應(yīng)力超過了圍巖的抗拉強(qiáng)度，經(jīng)過綜合評(píng)估，判斷該部位的圍巖存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取了加強(qiáng)支護(hù)措施，避免了坍塌事故的發(fā)生。結(jié)合實(shí)際案例，某隧道在穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在某一施工階段，隧道右側(cè)邊墻的位移增長速率明顯加快，且應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該部位的應(yīng)力也在急劇增大。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，判斷該部位的圍巖穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重威脅，存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一情況，施工單位立即調(diào)整了施工方案。首先，暫停了該部位的開挖工作，避免進(jìn)一步擾動(dòng)圍巖。然后，對(duì)右側(cè)邊墻采取了加強(qiáng)支護(hù)措施，增加了錨桿的長度和密度，噴射混凝土的厚度也相應(yīng)增加，并增設(shè)了臨時(shí)鋼支撐。同時(shí)，對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行了調(diào)整，放緩了開挖速度，給圍巖足夠的時(shí)間來穩(wěn)定。通過這些措施的實(shí)施，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖的位移增長速率逐漸降低，應(yīng)力也趨于穩(wěn)定，成功地控制了圍巖的變形，保障了隧道施工的安全。六、提高圍巖穩(wěn)定性的工程措施與優(yōu)化策略6.1合理的施工方法選擇在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，施工方法的選擇直接關(guān)系到圍巖的穩(wěn)定性以及施工的安全與進(jìn)度。常見的施工方法包括臺(tái)階法、CD法（交叉中隔壁法）、CRD法（交叉中隔壁法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，需根據(jù)隧道穿越斷裂帶的具體地質(zhì)條件、地應(yīng)力狀態(tài)以及隧道的斷面尺寸等因素進(jìn)行綜合考慮。臺(tái)階法是一種較為常用的施工方法，它將隧道斷面分為上、下臺(tái)階，先開挖上臺(tái)階，再開挖下臺(tái)階。這種方法施工工序相對(duì)簡單，施工速度較快，適用于圍巖條件相對(duì)較好、地應(yīng)力較小的情況。在某隧道工程中，當(dāng)隧道穿越斷裂帶邊緣，圍巖完整性相對(duì)較好，且地應(yīng)力水平較低時(shí)，采用臺(tái)階法施工。通過合理控制上、下臺(tái)階的開挖長度和施工順序，及時(shí)施作初期支護(hù)，有效地保證了圍巖的穩(wěn)定性，施工進(jìn)度也得到了較好的保障。然而，臺(tái)階法在圍巖穩(wěn)定性較差的情況下，如斷裂帶核心區(qū)域，上部臺(tái)階開挖后，下部臺(tái)階未及時(shí)封閉成環(huán)，容易導(dǎo)致上部圍巖失穩(wěn)坍塌，因此在這種情況下應(yīng)用時(shí)需謹(jǐn)慎。CD法和CRD法是在臺(tái)階法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，適用于圍巖穩(wěn)定性較差、地應(yīng)力較大的情況。CD法將隧道斷面分為左右兩部分，先開挖一側(cè)，再開挖另一側(cè)，每側(cè)又分為上、下臺(tái)階，施工過程中設(shè)置臨時(shí)中隔壁，以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。CRD法則是在CD法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將每側(cè)的上、下臺(tái)階再分為兩部分，共分為四個(gè)部分進(jìn)行開挖，臨時(shí)支撐更多，對(duì)圍巖的變形控制能力更強(qiáng)。在某深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，當(dāng)遇到斷裂帶內(nèi)巖體破碎、地應(yīng)力較高的情況時(shí)，采用CRD法施工。通過嚴(yán)格按照施工順序進(jìn)行開挖，及時(shí)施作臨時(shí)支撐和初期支護(hù)，有效地控制了圍巖的變形，確保了施工安全。但CD法和CRD法施工工序復(fù)雜，施工速度較慢，臨時(shí)支撐拆除過程中容易引起圍巖應(yīng)力重分布，增加圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，且施工成本較高。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是將隧道斷面分為三個(gè)部分，先開挖兩側(cè)導(dǎo)坑，再開挖中間部分。這種方法對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小，能夠有效地控制圍巖變形，適用于圍巖條件極差、地應(yīng)力極大的情況，如斷裂帶極為破碎且處于高地應(yīng)力區(qū)。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程中，當(dāng)遇到斷裂帶內(nèi)巖體極度破碎，呈松散狀，且地應(yīng)力極高的情況時(shí)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。通過在兩側(cè)導(dǎo)坑及時(shí)施作初期支護(hù)和臨時(shí)支撐，形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，再逐步開挖中間部分，有效地保障了圍巖的穩(wěn)定性。然而，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工成本高，施工空間狹小，不利于大型機(jī)械設(shè)備的施展，施工效率較低。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)隧道穿越斷裂帶的具體情況，靈活選擇施工方法。還可以采用多種施工方法相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮各方法的優(yōu)勢(shì)。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，在斷裂帶邊緣圍巖相對(duì)較好的地段，采用臺(tái)階法施工，以提高施工速度；在斷裂帶核心區(qū)域，圍巖穩(wěn)定性差，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，確保圍巖穩(wěn)定。通過這種方式，既保證了施工安全，又提高了施工效率。同時(shí)，在施工過程中，應(yīng)根據(jù)圍巖的實(shí)際情況，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，如開挖步距、支護(hù)時(shí)機(jī)等，以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，確保隧道施工期圍巖的穩(wěn)定性。6.2優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)6.2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)選型在深埋隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型至關(guān)重要，它直接關(guān)系到隧道圍巖的穩(wěn)定性以及施工的安全與質(zhì)量。常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)包括錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼支撐等，每種支護(hù)結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用條件。錨桿支護(hù)是一種常用的支護(hù)方式，它通過將錨桿錨固在圍巖中，利用錨桿與圍巖之間的摩擦力和粘結(jié)力，將圍巖的松動(dòng)部分與穩(wěn)定部分連接在一起，形成一個(gè)整體，從而提高圍巖的自穩(wěn)能力。錨桿的特點(diǎn)是施工簡單、成本較低，能夠有效地約束圍巖的變形，阻止圍巖的松動(dòng)和坍塌。在某深埋隧道工程中，通過在圍巖中設(shè)置錨桿，圍巖的位移明顯減小，錨桿錨固區(qū)域內(nèi)的圍巖形成了一個(gè)穩(wěn)定的承載拱，提高了圍巖的穩(wěn)定性。錨桿適用于巖體完整性較好、圍巖變形較小的情況。在節(jié)理裂隙不太發(fā)育的砂巖地層中，采用錨桿支護(hù)能夠有效地加固圍巖，保證隧道的穩(wěn)定。錨索支護(hù)與錨桿支護(hù)類似，但錨索的長度和承載能力通常更大。錨索通過將高強(qiáng)度的鋼絞線錨固在深部穩(wěn)定的巖體中，能夠提供更大的錨固力，適用于圍巖穩(wěn)定性較差、地應(yīng)力較高的情況。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的工程中，當(dāng)遇到斷裂帶內(nèi)巖體破碎、地應(yīng)力較大的區(qū)域時(shí)，采用錨索支護(hù)，有效地控制了圍巖的變形，確保了施工安全。錨索的優(yōu)點(diǎn)是錨固深度大、承載能力強(qiáng)，能夠?qū)ι畈繃鷰r起到有效的加固作用。但其施工工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，需要專業(yè)的施工設(shè)備和技術(shù)人員。噴射混凝土支護(hù)是將混凝土以高速噴射到隧道圍巖表面，形成一層混凝土支護(hù)層。噴射混凝土能夠及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和剝落，同時(shí)還能填充圍巖的裂隙，提高圍巖的整體性和強(qiáng)度。噴射混凝土與圍巖緊密結(jié)合，能夠共同承受圍巖壓力，有效地控制圍巖的變形。在某隧道穿越活動(dòng)斷裂帶的施工中，及時(shí)噴射混凝土后，圍巖的變形速率明顯降低，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力得到了有效改善。噴射混凝土支護(hù)適用于各種地質(zhì)條件下的隧道施工，尤其是在圍巖破碎、自穩(wěn)能力差的情況下，能夠快速提供支護(hù)作用，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。鋼支撐支護(hù)是采用鋼材制作的支撐結(jié)構(gòu)，如鋼拱架、鋼格柵等，安裝在隧道周邊，與噴射混凝土和錨桿共同組成聯(lián)合支護(hù)體系。鋼支撐具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠快速承擔(dān)圍巖壓力，控制圍巖的大變形。在高地應(yīng)力區(qū)或圍巖破碎嚴(yán)重的地段，鋼支