活動斷層中隧道結構受力與安全評價

周宇鍇， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著我國軌道交通事業的不斷發展，興建的線路工程不可避免地遇到跨越活動構造斷層問題。活動斷層粘滑錯動(相對蠕滑錯動)是一種短暫突發性斷裂構造特征的地質災害，其擁有突發性強、瞬間變形大、造成的破壞嚴重等特點。

目前，國內外學者主要通過數值計算方法及試驗手段來研究活動斷層粘滑錯動時隧道襯砌結構的變形特性分析。Gregor[1]通過數值模擬研究了穿越活斷層隧道結構的受力特征。Lin[2]等驗模擬了逆斷層作用下砂土中盾構隧道破壞特征，結合數值計算驗證。趙伯明[3]等基于斷裂幾何學和斷層運動學特征，通過模型試驗研究了廣州活動斷裂錯動位移對隧道的影響，并且探明了隧道結構在斷層錯動下的位移和應力變化規律。熊煒等[4]運用Marc軟件分析斷層錯動量、斷層傾角等4個因素對正斷層環境下公路隧道的受力變形的影響，朱小明等[5]采用FLAC分析斷層傾角對隧道縱向穩定性的影響。

本文以地鐵隧道襯砌結構經受不同構造條件下的斷層粘滑錯動作用為出發點，基于正斷層形成機制與連續介質分析方法，建立地層-結構模型。

1 隧道結構與接觸圍巖響應理論分析

根據斷層的幾何特征與運動方式，結合隧道結構穿越斷層的性質，可將隧道結構與接觸圍巖的相互響應關系認為一種“插銷式彈性地基梁”(圖1)。

圖1 插銷式彈性地基梁模式

結合隧道最終變形特征，將隧道結構沿著斷層面劃分為上盤域隧道結構和下盤域隧道結構，同時受到了環向的接觸壓力和縱向的摩阻力作用。

2 建立數值計算模型

針對新疆地鐵穿越碗窯溝工程中斷層實際特點，采用ANSYS有限元方法建模。有限元數值計算模型尺寸為縱向地層和隧道長取250m，地層橫向寬取40m，地層埋深方向取15m。碗窯溝斷層傾角為58～85 °，碗窯溝斷層處地鐵隧道埋深為11～16m，

有限元計算模型縱向劃分125份網格，每個節點間距為2m。計算時分別對模型的左右邊界施加水平約束、模型的前后邊界施加縱向約束、在模型的底部邊界采用豎向約束。

3 結果分析

3.1 圍巖及襯砌結構變形分布規律

(1)在粘滑錯動后，襯砌結構沿著縱向發生了“S”狀彎曲形變以適應錯動位移(圖2)。

圖2 隧道縱向變形位移云圖(單位：m)

(2)在粘滑錯動后，上盤近斷層面處地表發生了隆起，下盤近斷層面處地表發生了沉降。

從圖3、圖4可看出：

(1)斷層錯動時，襯砌結構呈現“S”型變形，變形梯度在上下盤各距斷層面約-80～50m范圍內較大。

(2)上盤襯砌仰拱近斷層面處接觸力下降為零，說明隧道與地基發生了脫空，脫空區為8m，這同時也導致了隧道縱向受力不均。下盤脫空區為16m。

圖3 襯砌拱頂處Y向位移

圖4 圍巖-襯砌拱頂豎向接觸力

3.2 圍巖與支護結構應力分布規律

3.2.1 圍巖主應力分布規律分析

通過圖5分析可知：斷層發生粘滑錯動后，圍巖第一主應力峰值出現在下盤隧道近斷層面處左側拱腰處圍巖，峰值為0.727MPa，說明此處受拉破壞嚴重，上盤斷層面處右側拱腰處圍巖出現拉應力，數值為0.987MPa。圍巖第三主應力峰值出現在下盤隧道近斷層面處仰拱處圍巖，峰值為0.150MPa。

(a)第一主應力σ1

(b)第三主應力σ3圖5 圍巖主應力視圖(單位：Pa)

3.2.2 襯砌橫斷面剪應力分布規律

(1)由襯砌結構橫斷面剪應力云圖(圖6)可知，襯砌墻腳，拱腰處出現剪應力集中。

(2)拱腰處最大剪應力2.82MPa，小于C45標號混凝土抗剪強度，說明斷層錯動作用下，斷層面處隧道拱腳處襯砌不會發生環向剪切破壞。

圖6 襯砌橫斷面剪應力云圖(單位:Pa)

3.3 圍巖與隧道襯砌結構塑性區分布規律

一般的，當結構所受荷載產生的壓力超過結構極限承載力時，結構某區域將產生不可恢復的屈服變形，即為塑性區。塑性應變值越大，表征屈服程度越大，結構危險性越高(圖7、圖8)。

圖7 拱頂塑性區分布

圖8 仰拱塑性區分布

上下盤頂底部受壓區及在斷層面周圍拱腳至墻腳區域均出現塑性區，塑性應變峰值出現在下盤拱頂處，峰值達到1.058 %。在此種工況下襯砌受拉區雖發生受拉破壞但不出現塑性區。

為了更加詳細地分析隧道二次襯砌的塑性區分布規律，根據塑性區云圖特征，選取隧道襯砌斷面上的2個關鍵部位拱頂和仰拱提取其計算結果進行分析，根據關鍵點處的塑性區沿隧道方向的變化規律，分析得出隧道與斷層面斜交時：

拱頂-115～-35m的范圍內，即上盤共80m范圍；

仰拱在-60～60m范圍內，即上盤60m、下盤60m范圍；

以上區間存在較大的塑性變形，粘滑錯動作用對隧道襯砌結構安全性存在較大的影響。

3.4 斷面安全系數

進行安全系數計算時，選取9段進行截面的內力分析(表1)，每段長度為10m。

表1 碗窯溝結構斷面安全系數分級評價

由安全系數表和結構斷面安全系數分級評價表可知，碗窯溝隧道上盤受到斷層黏滑錯動的影響較小，整體處于可維修范圍內；而上盤靠近斷層面6m內分段與下盤靠近斷層面的3個分段均存在較為嚴重的破壞，存在嚴重開裂或坍塌的風險。

4 結束語

本文結合新疆地鐵穿越碗窯溝隧道具體工程實例，研究分析了活動斷層錯動對隧道結構變形、受力及塑性應變的影響，評價隧道各分段的安全系數。其主要結論如下：

(1)在粘滑錯動后，襯砌結構沿著縱向發生了“S”狀彎曲形變以適應錯動位移。與正交工況相比，襯砌結構不僅產生了豎向彎曲變形，同時也產生了水平方向彎曲變形。

(2)頂底部襯砌結構縱向應力具有反對稱性質，即在襯砌頂部縱向應力上盤受壓明顯，下盤襯砌受拉導致混凝土開裂，應力為零，而在襯砌底部縱向應力則上盤受拉下盤明顯受壓。達到極限錯動位移前，襯砌頂底部開裂范圍隨錯距的增大而增大，但增大的趨勢明顯降低。

(3)上下盤頂底部受壓區及在斷層面周圍拱腳至墻腳區域均出現塑性區，塑性應變峰值出現在下盤拱頂處。因為上盤襯砌仰拱及下盤襯砌拱頂因混凝土拉伸開裂喪失拉應力承受能力，拉應力釋放降為零。