天山勝利隧道穿越活動斷裂抗斷設防范圍研究*

崔景川，劉開之，彭文波，蹇宜霖

(1.中國交建總承包經營分公司，北京 100088； 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

近百年來，國內外各次大地震中斷層附近的隧道均受到嚴重震害，由于斷層破碎帶處巖體自穩(wěn)性較差，導致地震作用下隧道結構易受到損壞，且施工風險高[1-2]。震害對地下工程的影響主要表現(xiàn)為巖體振動引起的破壞(抗震問題)和斷裂活動造成的破壞(抗斷問題)[3-6]。研究發(fā)現(xiàn)活動斷層會借助位移反復發(fā)生斷裂問題，出現(xiàn)局部化特征，因此需明確避讓距離、定位基礎抗斷層，通過抗斷及減震設防解決避讓問題，但目前隧道設計規(guī)范及已有研究成果未明確規(guī)定穿越斷層隧道沿軸向避讓距離和設防長度[7-8]。活動斷裂上、下盤錯動會使工程措施難以奏效，天山勝利隧道穿越區(qū)域性斷裂——博羅科努—阿其克庫都克斷裂(以下簡稱博—阿斷裂)，來自活動斷裂的威脅主要是斷裂錯動，因此，在工程建設前期需開展斷裂錯動風險評估，提供合理科學的位錯量及抗斷設防范圍，為后續(xù)隧道結構設計與施工提供依據。

1 工程概況

天山勝利隧道是烏魯木齊至尉犁高速公路上的控制性工程，隧道全長22.1km，隧址區(qū)地層主要為凝灰質砂巖、板巖、花崗閃長巖、石英片巖、花崗巖、大理巖及變質砂巖等。隧道共穿越16條斷裂，其中博—阿斷裂是范圍最大、最危險的全新世活動斷裂，其為二級新構造單元界線，屬右旋逆走滑性質斷層，長度>1 000km，總體走向305°(NW～NWW向)，總體傾向215°(SW向)，傾角40°～70°，錯動了山脊、水系及Ⅰ～Ⅱ級臺地，右旋走滑速率為1.4～2.0mm/a，具備發(fā)生7級地震的構造條件。該斷裂與天山勝利隧道洞身相交于里程YK77+743—YK77+839，寬度約96m。斷裂影響帶為隧道洞身里程YK77+478—YK77+878，寬度約400m。隧道走向與博—阿斷裂走向交角約為85°，隧道附近斷裂右旋錯動量為350m左右。

2 斷裂錯動量分析

2.1 分析方法

參考蘇經宇等[9]的研究成果，采用危險性分析方法估算斷裂錯動量。

2.2 地震活動性參數確定

地震活動性參數由震級上限、起算震級、震級頻度關系式中的b值、地震年平均發(fā)生率組成[10]。本研究涉及的北天山地震帶震級上限為8.0級，起算震級為4.0級，b值為0.83，4級地震年平均發(fā)生率為9.0。

已有學者研究了天山地區(qū)逆斷層震級與同震位移的經驗關系，本研究估算斷層可能的最大位移時，采用鄧起東等[11]給出的具有代表性的經驗關系式：

M=7.205+0.974lgD

(1)

式中：M為震級；D為位移量。

2.3 分析結果

采用上述方法及參數，基于自主編制的程序Fsct，計算得到100年超越概率63%，10%，3%，2%對應的斷裂錯動量分別為0.056，0.481，1.609，2.219m。

3 抗斷設防范圍分析

3.1 計算模型建立

采用數值模擬仿真分析軟件ABAQUS對斷裂錯動進行建模，為分析斷裂錯動對隧道結構的影響，采用以下假定：①為研究斷裂錯動對隧道結構受力狀態(tài)的影響，從彈性力學角度出發(fā)，不考慮混凝土和巖體的非線性行為；②為簡化模擬過程，隧道開挖一次完成，不考慮隧道分步開挖過程；③不考慮初期支護措施對圍巖受力性能的改善作用。

3.1.1模型尺寸

博—阿斷裂錯動模型x向(隧道軸線方向)尺寸為1 200m，y向(深度方向)尺寸為280m，z向(斷層延伸方向)尺寸為280m，隧道在博—阿斷裂附近埋深約800m，需在模型頂面施加分布力，模擬隧道上部覆蓋巖土體的作用。

過斷層破碎帶段隧道橫斷面為馬蹄形，寬約16m，高約13m，如圖1所示。過斷層破碎帶段隧道初期支護采用28cm厚C25噴射混凝土，二次襯砌采用70cm厚Ca40鋼筋混凝土。

圖1 過斷層破碎帶段隧道橫斷面

3.1.2材料參數

斷層上盤(活動盤)、下盤(固定盤)及斷層破碎帶巖體和隧道結構混凝土材料參數如表1所示。

表1 混凝土材料參數

3.1.3網格劃分

巖體采用C3D8R三維實體單元模擬，隧道采用S4R殼單元模擬，模型網格劃分如圖2所示。模型結點總數約為16萬個，單元總數約為15萬個。

圖2 模型網格劃分示意

3.1.4隧道與圍巖接觸關系

隧道與圍巖間可傳遞壓力，但不能傳遞拉力，采用軟件自帶的接觸對建立隧道與圍巖的接觸關系，接觸對軸向采用“硬接觸”，切向采用“摩擦接觸”，隧道與圍巖間的摩擦系數取0.6。

3.1.5分析步驟

分析步驟為：地應力平衡→隧道開挖→施加支座位移，模擬斷裂錯動。

3.1.6計算工況

建立13種計算工況，計算斷裂錯動時隧道結構響應，研究斷層傾角、斷裂錯動量、破碎帶寬度、巖體模量、斷層面摩擦系數及斷層面錯動位置對隧道結構的影響，為科學合理地提出隧道抗斷設防范圍提供參考。斷層傾角為75°～85°，斷裂錯動量是100年超越概率63%，10%，3%對應的走滑水平位錯量，破碎帶寬度為160～470m，3個潛在的錯動位置為F6(破碎帶中部斷裂)、F6-1(破碎帶北緣斷裂)、F6-2(破碎帶南緣斷裂)。不同工況隧道響應計算參數取值如表2所示。

表2 不同工況隧道響應計算參數取值

3.2 計算結果與分析

3.2.1圍巖與襯砌結構變形

以模型4為例，圍巖與襯砌結構變形云圖如圖3所示。由圖3可知，斷裂錯動時，襯砌結構沿著縱向發(fā)生了S形彎曲變形，以適應錯動位移。活動盤近斷層面的仰拱底部壓力減小，隧道與巖體發(fā)生脫空，導致隧道縱向受力不均。隨著斷裂錯動量的增大，脫空區(qū)范圍逐漸增大，S形彎曲變形越來越明顯。

圖3 斷裂錯動時模型4圍巖與襯砌結構變形云圖(單位：m)

不同斷層傾角、斷裂錯動量、破碎帶寬度、巖體模量、斷層面摩擦系數及斷層面錯動位置下，隧道二次襯砌拱頂豎向(逆沖垂直方向)位移如圖4所示。由圖4可知，斷裂錯動時，不同影響因素下隧道二次襯砌拱頂豎向位移呈S形變化；斷裂錯動量和斷層面錯動位置對二次襯砌拱頂豎向位移的影響較大，破碎帶寬度的影響次之，斷層傾角、巖體模量、斷層面摩擦系數的影響較小。

圖4 二次襯砌拱頂豎向位移

3.2.2襯砌結構主應變

以模型0為例，斷裂錯動時斷層面附近隧道二次襯砌結構主應變和位移云圖如圖5所示。斷層發(fā)生逆走滑錯動時(活動盤沿y向正向、z向正向和x向負向)，活動盤襯砌結構仰拱與圍巖發(fā)生擠壓，處于受壓狀態(tài)，拱頂與圍巖脫開，處于受拉狀態(tài)。固定盤襯砌結構拱頂與圍巖發(fā)生擠壓，處于受壓狀態(tài)，仰拱與圍巖脫開，處于受拉狀態(tài)。

圖5 斷層面附近隧道二次襯砌結構主應變和位移云圖

3.3 隧道結構抗斷設防寬度

由前文研究可知，在博—阿斷裂錯動作用下，隧道結構縱向產生彎曲變形，襯砌結構在應力集中區(qū)易出現(xiàn)損傷和破壞。本研究制定了隧道結構抗斷設防性能目標，如表3所示。

表3 隧道結構抗斷設防性能目標

結合斷裂錯動時隧道結構主應變分布情況，可確定滿足各性能目標要求的抗斷設防寬度，如表4所示。

表4 各性能目標要求的抗斷設防寬度 m

綜合不同超越概率的斷裂錯動量及各抗斷設防性能目標要求，同時考慮斷裂錯動的復雜性、相關參數的不確定性、歷史震害記錄及隧道結構所受破壞等，給出以下抗斷設計建議。

1)斷裂發(fā)生100年超越概率63%的錯動時，隧道結構需滿足“防止開裂”的性能目標，抗斷設防寬度取博—阿斷裂核心段寬度(破碎帶寬度)及斷層面兩側沿隧道縱向各70m的范圍。無須滿足“控制應力”“防止壓潰”的性能目標。

2)斷裂發(fā)生100年超越概率10%的錯動時，隧道結構需滿足“防止開裂”“控制應力”“防止壓潰”的性能目標，對應的抗斷設防寬度除包括博—阿斷裂核心段寬度(破碎帶寬度)外，分別取斷層面兩側沿隧道縱向各310，18，14m的范圍。

3)斷裂發(fā)生100年超越概率3%的錯動時，隧道結構需滿足“防止隧道倒塌，保證人員安全”的性能要求，建議采取必要的應對措施，進行專項設計。

綜上所述，建議按照發(fā)生100年超越概率10%的斷裂錯動(走滑水平位錯量為0.481m)進行隧道結構設計，隧道結構應滿足“控制應力”的性能目標，抗斷設防寬度取博—阿斷裂核心段寬度(破碎帶寬度)及斷層面兩側沿隧道縱向各18m的范圍，如圖6所示。

圖6 天山勝利隧道穿越博—阿斷裂抗斷設防寬度

4 結語

1)計算天山勝利隧道穿越博—阿斷裂位置處不同設防水準下的斷裂錯動量，結果表明100年超越概率63%，10%，3%，2%對應的斷裂錯動量分別為0.056，0.481，1.609，2.219m。

2)在博—阿斷裂錯動作用下，隧道結構縱向產生彎曲變形，活動盤仰拱及固定盤拱頂靠近斷層面處均出現(xiàn)一定范圍的脫空區(qū)。隧道襯砌結構由于縱向受彎曲變形作用，在活動盤仰拱、拱頂、拱腳距斷層面一定距離處分別形成拉、壓應力集中區(qū)，易出現(xiàn)損傷和破壞。

3)建議天山勝利隧道穿越博—阿斷裂按照發(fā)生100年超越概率10%的斷裂錯動(走滑水平位錯量為0.481m)進行設計，隧道結構應滿足“控制應力”的性能目標，抗斷設防寬度取博—阿斷裂核心段寬度(破碎帶寬度)及斷層面兩側沿隧道縱向各18m的范圍。