雙斷層錯動作用下馬蹄形隧道結構破壞影響分析

張超翔,尹 超,張亞勇,張志強

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.蘇州軌道交通集團建設分公司,江蘇蘇州 215004)

改革開放以來，我國國民經濟飛速發展，以地鐵為代表的軌道交通憑借其綠色環保、輸送客流量大、不占用寶貴的城市地面空間等特性在各種交通方式中脫穎而出[1]。

與交通工程大發展所對應的，是我國復雜的地形地貌與頻發的各類地質災害。我國板塊構造運動強烈，當強震來襲時，隧道和地下結構同樣會發生面層脫落、襯砌開裂、中柱倒塌等嚴重破壞[2]。這些破壞往往出現在斷層帶、洞口地質結構突變區或軟弱區，以及豎井與隧道連接處、交叉隧道重疊處等襯砌結構剛度變化處。

國內外學者對跨斷層鐵路隧道開展了大量研究。閆茜，張龍等[3-7]通過實地勘探、模型試驗以及數值模擬，研究了斷層對鐵路隧道的影響；祁彬溪等[8]研究了斷層錯動速率及斷層面摩擦系數等因素的影響；梁建文等[9]開展了傾角為45°斷層下盾構隧道結構的彈塑性分析；張云飛等[10]研究了斷層錯位量的影響；劉學增等[11]通過模型試驗，研究了逆斷層下隧道的破壞特征；孫飛等[12]結合模型試驗與數值模擬，研究了跨正斷層隧道破壞形態；SABAGH等[13]通過離心實驗研究了跨斷層隧道的破壞狀態；AVAL等[14]分析了近斷層地震動與遠斷層的不同，指出近斷層地震動容易引起結構的沖擊破壞；LI等[15]通過動力時程分析方法研究了相關隧道的地震反應特征；趙晨陽等[16]通過數值模擬，研究了跨斷層車站合理施工方法；鄭澤源等[17]通過建立三維數值模型，分析了跨斷層隧道施工掌子面的穩定性；閻錫東等[18]通過分析跨斷層隧道風險因素，建立了風險評價模型；SHEN等[19]通過振動臺試驗，分析了柔性接頭隧道的設計方式；YAN等[20]提出了一種延性鋼筋橡膠襯砌接頭，并進行了試驗研究。

現有研究主要針對跨單一斷層隧道，而對穿越間距較小雙斷層地鐵隧道力學響應研究很少。當隧道建設面臨穿越雙斷層情況時，伴隨著斷層交角、傾角等特征的不同，其受力變形機理也會產生不同，如何保證隧道建設與運營管理的安全性成為隧道設計與施工的一大重點難點。針對雙斷層錯動疊加對隧道結構產生的影響，研究了不同斷層錯距、間距以及傾角下隧道結構的破壞影響，所獲成果可為雙斷層作用下的隧道縱向結構設防提供技術支撐。

1 工程概況

以新疆烏魯木齊市軌道交通4號線工程為依托，線路穿越6條斷層帶，其中，在北廣場站至棉紡倉庫站區間多次穿越全新世活動斷層—九家灣斷層組。

九家灣斷層組位于烏魯木齊西山背斜以北、由烏蘇群(Q2)構成的崗狀礫質臺地上(亦稱老礫石臺地)。斷層組為西山掀斜隆起斷塊內部的次級斷層，其主斷層為褶皺地層之下深度約10 km的侏羅紀煤系內的滑脫面。其主要由4條走向N60°～65°E，基本等間距平行排列的斷層組成，4條斷層由北向南分別為九家灣斷層組第1條斷層(F2-1)、九家灣斷層組第2條斷層(F2-2)、九家灣斷層組第3條斷層(F2-3)、九家灣組第4條斷層(F2-4)。烏魯木齊市軌道交通4號線穿越斷層位置如圖1所示。

圖1 烏魯木齊市軌道交通4號線地鐵隧道穿越斷層

根據勘探報告所提供的資料以及《4號線活斷層專題研究報告》，確定本文計算工況為隧道穿越Fj1斷層和Fj2斷層。其中，Fj1斷層傾角為58°，與隧道走向交角為70°；Fj2斷層傾角為45°，與隧道走向交角為60°。斷層之間的距離為150 m，斷層破碎帶寬度為30 m，未來百年錯動量為0.5 m。按照地鐵規劃，埋深取15 m，隧道設計斷面為馬蹄形斷面。

2 有限元模型

2.1 參數選取

采用通用有限元軟件ANSYS進行數值計算，計算模型地層結構和圍巖參數根據烏魯木齊軌道交通4號線地勘報告以及TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》確定，圍巖類型為侏羅系中等風化泥巖，淺層地表分布不規律雜填土，為簡化計算將地層視為單一巖體。假設圍巖和隧道襯砌材料均為理想彈塑性材料，滿足D-P屈服條件和相關聯流動準則[21]，并考慮圍巖加固區對黏聚力和內摩擦角的提高，加固區彈性模量、黏聚力提高幅度為40%～50%。根據工程設計，將隧道周圍2 m的圍巖設置為加固區，相關參數如表1所示。

表1 圍巖參數

襯砌模擬中，初期支護采用300 mm厚C25噴射混凝土以及I25a型鋼鋼架(間距0.5 m)；二次襯砌采用C45混凝土?？紤]鋼拱架的加強作用，采用等效剛度法將其強度進行折算，其公式如下

(1)

式中，E為初支等效剛度(彈性模量)；Ec為噴射混凝土彈性模量；Eg為工字鋼彈性模量；Sc為噴射混凝土面積；Sg為工字鋼斷面面積。

隧道為整體式襯砌，不考慮變形縫。圍巖與結構采用Solid65單元模擬，而混凝土應力應變關系和破壞準則分別采用MISO多線性各向同性強化模型和CONCR模型。按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)相關規定，隧道襯砌混凝土應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 襯砌結構應力-應變曲線

其支護結構相關參數如表2所示。

表2 混凝土參數

2.2 模型建立

在邊界方面，模型左右前后邊界均設置了垂直于面約束。在破碎帶與母巖交界位置設置接觸面，將斷層地質運動簡化為兩斷層間土體發生了沿斷層面的向下滑移，且兩斷層錯距與錯動速率相同，如圖3所示。

圖3 數值模型加載模式

斷層破碎帶寬度、傾角、交角等參數按照第1節工程概況選取。建立計算模型如圖4所示。

圖4 雙斷層作用下有限元模型

在斷層破碎帶與母巖交界位置及襯砌與圍巖之間設置CONTA173接觸單元，接觸面類型為標準接觸。接觸模型如圖5所示。其中，圍巖與襯砌接觸面摩擦系數取0.7，斷層滑移面摩擦系數取0.1。

圖5 接觸模型

2.3 襯砌結構力學響應分區

實際工程中，針對斷層錯動作用下沿隧道縱向破壞影響，提出了隧道縱向分區設防的設計理念，即按照隧道受錯動影響程度將襯砌劃分為不同的區間(主控區、影響區、一般區)。位于影響區的隧道一般會出現密集的裂縫，內部空間也會受到少量擠壓；位于主控區的隧道會出現襯砌結構的剝落掉塊等現象，并可觀測到沿襯砌環的貫穿裂縫。

從結構安全與設防考慮，劃分影響區和主控區，判識標準為：①影響區—隧道襯砌出現受迫變形，洞內仰拱-拱頂豎向相對位移出現波動為標準；②主控區—斷層達到最大錯距時，襯砌出現環向貫通裂縫的區域為標準。斷層錯動作用下襯砌結構力學響應分區如圖6所示。

圖6 襯砌破壞分區示意

3 錯距對隧道力學規律的影響

根據建立的雙斷層錯動隧道數值模型，施加不同錯距(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 m)的強制位移，分析結構的受力特征。

拱頂豎向位移曲線如圖7所示。不同斷層間距的隧道整體均呈“凹”字形變化。豎向位移變化顯著區域主要在-120～-45 m和35～100 m之間，中間變化平緩的區域有80 m左右。

圖7 雙斷層作用下拱頂豎向位移

對于雙斷層錯動引起的隧道空間壓縮，研究仰拱-拱頂的豎向相對位移曲線(同一斷面拱頂與仰拱豎向位移相減)，如圖8所示。

圖8 不同斷層錯距下襯砌仰拱-拱頂豎向相對位移

在兩斷層處隧道襯砌的豎向相對位移出現明顯波動，在Fj1逆斷層處上盤相對位移負向增大，最大為10.9 mm，表明該位置發生了豎向凈空壓縮現象；而下盤處相對位移為正值，最大為5.5 mm，表明該位置發生了豎向凈空擴大現象。在Fj2正斷層處上盤相對位移為正值，下盤相對位移為負值，與逆斷層相反，并且在+69.7 m處出現了最大豎向相對位移值70.1 mm。

如圖9所示，墻角剪應力總體呈現由斷層面處集中，隨后向兩側擴展的規律。斷層錯動量較小時，剪應力集中于斷層面附近；隨著錯動量的增大，由于剪應力超過結構抗剪強度以及襯砌破壞導致的應力釋放，使得剪應力影響范圍及應力集中點逐漸向兩側擴展。

圖9 不同斷層錯距下襯砌墻角剪應力

襯砌開裂分布如圖10所示。斷層開始錯動時，Fj1逆斷層上盤拱頂、下盤仰拱，Fj2正斷層的上盤仰拱、下盤拱頂就因受拉出現張拉裂縫，上下盤的開裂范圍基本相同；斷層錯距提高時，裂縫逐漸向周圍的襯砌延伸，并在Fj2正斷層出現了環向裂縫貫通現象；隨著錯距繼續提高，裂縫范圍繼續擴展，錯距達到0.2 m時，Fj1逆斷層面處襯砌也出現了環向裂縫貫通。

圖10 不同錯距下襯砌開裂分布

隨著錯距增大，出現環向裂縫貫通的襯砌范圍增大不明顯，破壞嚴重位置主要集中在斷層面附近。在斷層面附近隧道的拱腰和墻腳處受到剪應力集中現象，會最先出現襯砌的斜向碎裂。

基于計算結果，結合主控區、影響區劃分，可得斷層錯動0.5 m時主控區和影響區范圍如表3所示。實際工程中可按照表中所示分區長度進行針對性分區設防。

表3 錯距0.5 m時隧道分區長度 m

4 斷層間距對隧道力學規律的影響

分別設置距離為60，90，120 m與150 m，比較斷層錯動0.5 m時斷層間距對襯砌力學響應特性的影響。不同斷層間距下，隧道整體豎向變形如圖11所示。

圖11 不同斷層間距下拱頂豎向位移

斷層錯動位移峰值基本相同。特別的，當斷層間隔為60 m時，襯砌在較短區間內經歷了迅速下沉及抬升，在-53 m處曲線尖端存在劇烈的位移趨勢變化，該處襯砌環和連接處最有可能出現拉伸開裂或擠壓潰縮等混凝土破壞現象。

剪應力分布曲線如圖12所示。斷層面處襯砌剪應力最大。Fj1逆斷層拱腰剪應力最大值為5.76 MPa。Fj2正斷層的剪應力在上盤先減少至0而后在斷層面迅速增加，最大值也為5.76 MPa。斷層間距減小，剪應力變化程度更為劇烈。

圖12 不同斷層間距下襯砌拱腰剪應力

不同斷層間距下，襯砌開裂分布如圖13所示。在間距60 m工況下，兩個開裂區幾乎重合，導致隧道出現了150 m范圍內的破裂發展區；在間距為90 m的工況下，邊墻和仰拱的破裂發展區增至180 m，兩斷層中間襯砌拱頂出現了縱向裂縫，這是由于襯砌被上方土體壓潰造成的；當兩個斷層帶間距為90 m之內時，相鄰斷層錯動引起的襯砌開裂區存在重合帶；當雙斷層間距在120 m以上時，左右斷層面的開裂區域基本獨立。

圖13 不同斷層間距下襯砌開裂分布

5 斷層傾角對隧道力學規律的影響

與上文相比，Fj1斷層不改變傾角及交角，在Fj2斷層在保持交角60°不變的前提下，將傾角分別設置為45°，60°，75°和90°，對比斷層傾角對隧道力學特性響應影響。

圖14、圖15分別為拱頂豎向位移、拱腳橫向位移曲線。傾角越大，襯砌錯動范圍越小，位移曲線的斜率相應越大，隧道周圍土體對襯砌的位移約束作用也就越明顯。

圖14 不同斷層傾角下襯砌拱頂豎向位移

圖15 不同斷層傾角下襯砌左拱腳橫向位移

隨著傾角從45°增大至90°，橫向位移影響范圍逐漸收窄，橫向位移峰值呈降低趨勢，分別為-27.8，-28.8，-26.8 mm和-17.5 mm。可見，傾角增大對襯砌橫向位移有著非常明顯的抑制作用。

不同傾角剪應力分布曲線如圖16所示。圖16中，當傾角為60°時剪應力曲線最平緩，當傾角為45°時曲線波動幅度最大，且在Fj2正斷層破裂面兩側出現剪應力反向。

圖16 不同斷層傾角下襯砌拱腰剪應力

不同斷層傾角下，襯砌開裂分布如圖17所示。由圖17可以看出，斷層傾角的改變對隧道開裂分布影響較弱。

圖17 不同斷層傾角下襯砌開裂分布

當Fj2正斷層傾角為45°時，正斷層處襯砌出現環向貫通裂縫的范圍最大，分布長度達到了26 m，且在拱頂出現了大范圍的縱縫，整體破壞程度更為嚴重；而當傾角為90°時破壞分布范圍最小，Fj2正斷層環向貫通裂縫分布長度僅為15 m。除傾角45°的情況外，其他工況在雙斷層的中間區域存在50 m左右的安全區，在此區中未見明顯的裂縫。

6 結論

針對地鐵隧道連續穿越雙斷層的工況，基于混凝土破壞準則，建立了三維數值模型，分析研究得出以下結論。

(1)正斷層錯動后與斷層面相切接觸區域更大，導致襯砌受圍巖張拉牽引作用更強烈，故正斷層錯動條件下的隧道襯砌結構破壞更為嚴重。

(2)從開裂分布來看，隨著錯距增大，襯砌嚴重破壞區域變化不大，主要集中在斷層面附近。斷層破碎帶寬度為30 m條件下，當斷層間距≥120 m，對工程無互相影響關系。

(3)拱腰和墻角受到斷層錯動剪切作用影響更大，這些位置集中出現斜裂縫。斷層與隧道交叉部出現大量縱縫、環縫，可能出現襯砌剝落。

(4)斷層傾角越大，襯砌縱向錯動范圍越小，位移曲線的斜率相應越大；傾角增大對襯砌橫向位移有明顯抑制作用，傾角越大橫向位移越小。

(5)設計中可以按照隧道受錯動影響程度，對隧道襯砌進行分區設防。

(6)為減輕斷層錯動對隧道結構安全性的影響，應在斷層破碎帶邊緣處設置變形縫或伸縮縫。