雙斷層錯動下隧道襯砌結構力學響應研究

王天木, 鄭賀民, 徐 飛, 張建宇

(1.石家莊鐵道大學安全工程與應急管理學院,河北 石家莊 050043;2.中國鐵路設計集團,天津 300308)

目前國內學者主要對隧道穿越單斷層進行大量研究[1-6],取得眾多成果,跨雙斷層隧道襯砌力學響應分析[7]研究較少。本文主要研究雙斷層錯動對隧道襯砌結構產生的影響,為日后的隧道修建與運營設置防護區域提供參考。

1 工程概況

新建汕汕鐵路工程汕頭灣隧道活動斷裂區域起止樁號為DK160+980-DK161+480,經過的活動斷裂帶主要是北西向桑浦山斷裂帶。北西向桑浦山斷裂帶由多組斷層組成,表現為地都-蓮塘斷裂、南隴水庫-鮀東斷裂、西坑-長德龍斷裂和東山湖-龍坑斷裂,本文取圍巖等級以Ⅴ級為主的南隴水庫-鮀東斷裂中的主干斷層(F9、F10)為主要研究對象,以探究最不利工況下跨雙斷層隧道襯砌結構力學響應特征。根據GNSS監測及水準測量成果,同時考慮監測存在一定的誤差,推測斷裂活動速率在水平方向和垂直方向均小于1 mm/a,以100 a為研究周期,考慮安全系數,取10 cm為最終錯動距離。

2 模型建立及參數選取

2.1 模型尺寸選取

為了消除斷層錯動時邊界條件對隧道結構的影響,模型沿隧道軸向長度為300 m,其中斷層寬度均為20 m,隧道埋深40 m,模型尺寸為135 m×80 m×300 m,斷層傾角為80°,隧道與斷層走向交角為90°,正交穿過斷層,如圖1所示。采用Abaqus CAE建模,圍巖與斷層破碎帶均采用三維結構實體單元模擬,假設為理想彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb彈塑性準則。根據地質勘察報告,F9斷層與F10斷層處均為燕山期第三次入侵花崗巖,以粗礫砂為主,含少量角礫及粉粒,在數值仿真中按砂層取值。物理力學參數如表1所示。為了簡化計算,襯砌結構簡化為具有一定厚度的單層實體結構,襯砌外徑為15 m,厚度為1 m,具體參數為密度2 700 kg/m3,彈性模量為390 MPa,泊松比為0.2。采用C3D8R八節點縮減積分單元對模型進行網格劃分,劃分結果如圖2所示。

圖1 隧道正交穿越雙斷層 圖2 三維模型網格劃分

2.2 材料屬性確定

圍巖與斷層、圍巖與隧道接觸均按照相互作用設置摩擦系數,法向作用為“硬接觸”,切向作用為“罰”,巖土與巖土之間摩擦系數為0.6,巖體與混凝土之間摩擦系數為0.8[8]。為模擬斷層錯動,同時考慮模型收斂,通過控制上盤位移、對下盤施加位移荷載的方法來模擬活動斷層發生的過程。通過施加x、y兩個方向的位移分量的方法模擬正斷層位移荷載。位移荷載施加方式如圖3所示。

表1 圍巖物理力學參數

圖3 位移荷載施加

3 計算結果及分析

3.1 錯動距離對隧道襯砌最大主應力的影響

3.1.1 斷層間距150 m

在兩斷層間距為150 m、斷層錯動距離為10 cm時,隧道襯砌不同部位的最大主應力如圖4所示。

圖4 斷層錯動10 cm時襯砌最大主應力云圖(單位:Pa)

圖5為斷層間距150 m時不同錯動距離下隧道襯砌拱頂等部位最大主應力分布變化。由圖可以看出,隨著斷層錯動距離的增大,隧道襯砌各部位受力也隨之增大,其中正值為拉、負值為壓。在上盤與斷層破碎帶交界處,襯砌拱頂受壓,壓應力最大值達2.4 MPa;仰拱的受力與拱頂相反,在上盤與斷層破碎帶交界處受拉,拉應力最大值達2.2 MPa;拱腰處在斷層上盤與下盤交界處壓應力最大,達到2.0 MPa,未達到混凝土抗壓強度32.5 MPa。

綜上分析,斷層間距為150 m時,下盤處拱頂位置最大拉應力達2.46 MPa,上盤處仰拱部位最大拉應力為2.23 MPa,拱頂與仰拱位置處最大主應力均達到混凝土抗拉強度值,均超過混凝土抗拉強度1.71 MPa,隧道襯砌產生受拉破壞,隧道襯砌所受拉力增長幅度較大,應注意在隧道襯砌結構受拉區設置抗錯斷措施。拱頂與拱腰之間出現100 m過渡段,應力值基本為0 MPa,仰拱過渡段隧道襯砌開始受壓,斷層錯動影響范圍逐步擴散。在斷層左右45～60 m范圍內存在劇烈應力變化,判斷該范圍內混凝土存在破壞可能,該范圍以外位置處隧道襯砌結構所產生最大主應力較小,可將雙斷層看作是兩個獨立斷層進行分析。

圖5 斷層間距150 m不同斷層錯動距離下襯砌最大主應力分布

3.1.2 斷層間距120 m

斷層間距為120 m時力學響應特征與斷層間距為150 m隧道襯砌力學響應特征相似。在上盤與斷層破碎帶交界處,襯砌拱頂以下盤處受拉為主;仰拱的受力與拱頂相反,在上盤與斷層交界處以受拉為主;拱腰處在斷層上盤與下盤交界處壓應力最大。拱頂與拱腰部位在兩斷層間出現60 m過渡段;仰拱過渡段隧道襯砌出現受壓,且壓力增加0.5 MPa,斷層錯動影響范圍逐步擴散(如圖6所示)。在斷層兩側50 m范圍內存在劇烈應力變化,判斷該范圍內混凝土存在破壞可能,該范圍之外存在最大主應力基本為0 MPa區域,故當斷層間距為120 m,斷層錯動對隧道襯砌產生相互作用較弱,仍可將雙斷層作為兩獨立斷層進行分析,對可能產生破壞部位進行分區設防。

圖6 斷層間距120 m不同斷層錯動距離襯砌仰拱最大主應力曲線下

3.1.3 斷層間距90 m

圖7為斷層間距為90 m時不同斷層錯動距離下襯砌最大主應力。隨著斷層錯動距離的增大,隧道襯砌不同部位的受力情況與斷層間距為150 m和120 m時有所不同,隧道拱頂、拱腰及仰拱處均產生拉應力,拱腰處位于斷層破碎帶中心位置所受拉應力值最大為2.62 MPa;拱頂位置所產生最大拉應力達2.2 MPa;仰拱位置所產生最大拉應力為2.25 MPa,最大拉應力以斷層中心位置向斷層兩側45～60 m范圍內產生影響,且均達到混凝土最大抗拉強度1.71 MPa,隧道襯砌存在產生張拉破壞的可能。

3.2 不同斷層間距對隧道襯砌結構影響及規律

3.2.1 相同錯動距離下襯砌最大主應力分析

相同傾角活動性斷層,錯動距離均為10 cm時,當斷層間距不同時隧道結構各部位襯砌最大主應力如圖8所示。

根據數值模擬結果可以得出,在相同錯動距離、傾角的雙斷層區域,隧道拱頂襯砌結構在斷層間距為120～150 m范圍時,最大主應力在斷層兩側呈對稱分布,且兩斷層間存在平滑過渡區域。拱頂所受最大主應力在斷層間距為150 m時,以上盤受壓為主,最大主應力為2.4 MPa,且最大主應力峰值不隨著斷層間距的減小而產生較大變化。當兩斷層間距為90 m時,拱頂最大主應力以受拉為主,且上盤隧道襯砌受力狀態發生改變,拉應力最大值為2.25 MPa。

圖7 斷層間距90 m不同斷層錯動距離下襯砌最大主應力

拱腰處在斷層間距為120～150 m情況下,襯砌結構在斷層中心位置以受壓為主,中間過渡段呈“凹”型分布,且隨著斷層間距的減小,拱腰位置呈現受拉趨勢,當斷層間距為120 m時,襯砌結構中部受力相較于斷層間距為135 m情況時增大29.6%。當斷層間距為90 m時,拱腰處均受到張拉作用,拉應力最大值為2.62 MPa,且兩斷層間拉應力為0.48 MPa。

在隧道仰拱處,當斷層間距為120～150 m范圍時,仰拱處襯砌結構在斷層兩側45～60 m范圍內受相反作用力,且受力拉壓情況與拱頂受力位置相反。在斷層間距為150 m時,以下盤受壓為主,壓應力為2.60 MPa;當斷層間距為90 m時,仰拱處襯砌以受拉為主,拉應力最大值為2.25 MPa,兩斷層間隧道襯砌應力出現疊加部分,應力值為0.64 MPa。

隨著斷層間距的減小,隧道襯砌拱頂與仰拱位置受壓區域最大壓應力逐漸減小,當斷層間距為90m時,隧道拱頂及仰拱位置均以受拉為主,應對包含斷層在內區域設置抗錯斷措施,防止隧道產生張拉破壞。

圖8 錯動距離相同、斷層間距不同時襯砌最大主應力分布

3.2.2 隧道襯砌剪應力分析

圖9顯示當斷層間距為150 m時、錯動距離達到10 cm隧道襯砌的剪應力云圖,剪應力最大值主要集中在襯砌拱腰位置,由于襯砌結構完全對稱,剪應力對稱分布,取右側進行研究。

圖10顯示不同斷層間距情況下隧道襯砌拱腰位置剪應力曲線,剪應力最大值為16 MPa,大于C50混凝土抗剪強度3.2 MPa,襯砌拱腰處發生剪切破壞。根據應力曲線可以看出,隨著斷層錯動距離增加,剪應力的大小隨之增加,但影響范圍基本不發生變化。

當兩斷層間距為150 m時,隧道襯砌產生剪應力范圍主要集中在斷層破碎帶中心兩側45 m范圍內,其余部位未見產生明顯剪應力,故斷層錯動對隧道襯砌剪應力未產生相互影響;當斷層間距不斷減小時,在一定斷層錯動距離下,隧道襯砌剪應力最大值并不受到斷層間距改變的影響,當斷層間距為90 m時,由圖10可以看出剪應力產生剪應力部位出現疊加,并且遠超混凝土抗剪強度,因此應在雙斷層范圍內設置抗剪措施,重點關注。

圖9 斷層間距150 m、錯動10 cm時襯砌剪應力應力云圖(單位:Pa)

圖10 不同錯動距離不同斷層間距襯砌剪應力分布

4 結論

(1)正斷層錯動后,隧道結構拱頂與仰拱位置受拉應力占主導位置,導致襯砌受圍巖張拉牽引更加嚴重,襯砌結構更加容易產生破壞。

(2)隨著斷層錯動距離的增大,隧道襯砌結構最大主應力、剪應力不斷增大,但襯砌結構影響范圍不隨錯動距離大小影響,主要集中在斷層面附近45～60 m范圍內。當斷層破碎帶寬度為20 m、斷層間距大于120 m時,兩斷層間距對隧道襯砌無相互作用,可當作兩個單斷層進行獨立分析,隧道結構拱頂位置在下盤處主要受張拉作用,在上盤處以受壓為主,仰拱位置受力與之相反。

(3)當斷層破碎帶寬為20 m、斷層間距大于等于120 m時,拱腰最大主應力出現在上盤與下盤交界位置處,以受壓為主;當斷層間距為90 m時,雙斷層產生錯動時,襯砌結構以受拉為主,且在斷層破碎帶處產生張拉破壞。隨著斷層間距的減小,隧道襯砌拱頂與仰拱位置受壓區域最大壓應力逐漸減小,當斷層間距為90 m時,隧道拱頂及仰拱位置均以受拉為主,且隧道襯砌發生張拉破壞。

(4)當斷層間距大于等于120 m時,應對斷層破碎帶兩側45～60 m范圍內進行分區設防。