斷層錯動對高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形特性的影響研究

嚴申華 YAN Shen-hua；鄒嘉煒 ZOU Jia-wei；陳美鵬 CHEN Mei-peng；萬進明 WAN Jin-ming；徐振揚 XU Zhen-yang；付寧 FU Ning；鄭春銘 ZHENG Chun-ming；宋飛 SONG Fei；李海潮 LI Hai-chao；周青 ZHOU Qing；蘭福東 LAN Fu-dong；李志 LI Zhi；黃天煒 HUANG Tian-wei；鄒紅湘 ZOU Hong-xiang；林穎典 LIN Ying-dian

（①中國鐵路上海局集團有限公司杭州鐵路樞紐工程建設指揮部，杭州 310009 ；②中鐵二十二局集團有限公司，北京 100043；③中鐵上海工程局有限公司，上海 200000；④中鐵十二局集團有限公司，太原，030024；⑤浙江大學海洋學院，杭州 310058；⑥浙江卡浦樂爾混凝土技術有限公司，杭州 310015）

0 引言

隨著我國大規(guī)模興建高速鐵路、高速公路、城市地鐵等基礎設施，地下工程如隧道常需穿越活動斷層。活動斷層存在會導致地層發(fā)生變形和錯位，從而引發(fā)隧道產(chǎn)生過大變形、錯位甚至局部坍塌等災害[1-2]。在選址隧道線路時，通常應盡量避免線路接近或穿越活動斷層。然而，在實際工程中，由于經(jīng)濟性、線路走向等因素的限制，仍有許多隧道需要修建在斷層附近甚至穿越斷層。因此，研究斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)受力變形特性及安全性等方面的影響具有重要的理論價值和工程實際意義。

斷層錯動是導致隧道襯砌結(jié)構(gòu)嚴重破壞的主要原因[3-6]。目前，研究斷層錯動對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形影響的方法主要包括室內(nèi)模型試驗和數(shù)值模擬。Shahidi[7]對比分析了斷層黏滑錯動下Koohrangs 三號隧道中二次襯砌減錯縫的效果。熊煒[8]利用商業(yè)有限元分析軟件Marc 研究了正斷層活動對隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的機制，探討了斷層位錯量、傾角和隧道埋深等因素的影響，并總結(jié)了襯砌的破壞模式。唐曉杰[9]使用Flac 軟件模擬分析了不同施工工法下地鐵隧道穿越斷層破碎帶時圍巖的變形情況，研究了注漿加固對不同工法下斷層破碎帶變形的影響和控制效果。甘星球[10]通過振動臺試驗研究了斷層錯動和地震共同作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應，探討了斷層滑移量和地震波輸入方向?qū)σr砌微裂縫產(chǎn)生量和受力變形的影響規(guī)律。陶連金[11]研究了逆斷層錯動對淺埋地鐵隧道受力變形的影響機制，研究了不同斷層錯動距離和隧道埋深下隧道結(jié)構(gòu)受力變形的變化規(guī)律。

為了深入了解斷層錯動對鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學響應機制，本研究采用數(shù)值分析方法，探究了杭溫鐵路區(qū)間隧道在斷層錯動下的襯砌結(jié)構(gòu)受力變形機制。研究重點包括斷層位移、傾角、破碎帶寬度、隧道埋深以及襯砌厚度等因素對隧道襯砌的變形和破壞的影響。通過這些研究結(jié)果，可以為鐵路隧道在穿越斷層破碎帶時的設計與施工提供參考和依據(jù)。

1 依托工程概論

杭溫鐵路二期工程木匪嶺隧道橫穿浙江省桐廬縣和浦江縣，穿越的地層巖性為侏羅系黃尖組J3h 凝灰?guī)r。該隧道穿越了5 條斷層帶和11 條節(jié)理密集帶，斷層與線路夾角約為34°至68°，視傾角為76°至84°。在破碎帶內(nèi)，巖體發(fā)生破碎，巖芯多為碎塊狀或角礫狀。隧道區(qū)域地下水發(fā)育，主要包括基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。整個隧道面臨著高低溫地應力的大幅變化，存在施工風險，如巖體破碎、巖爆、坍塌和淺埋突水等。

該隧道采用單洞雙線隧道方案，斷面形狀為馬蹄形，凈寬度為14.86m，凈高度為12.74m。設計方案采用了由初期支護和二次襯砌組成的復合式襯砌方案。設計時考慮了行車速度為350 公里/小時。隧道的全長為10240.34m，最大埋深超過200m，是杭溫鐵路中最長的隧道。

2 數(shù)值計算模型

2.1 計算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，選擇了IV 級圍巖進行模擬。根據(jù)圣維南原理，在模型尺寸足夠大的情況下，即模型邊界至隧道邊緣的最小距離超過隧道半徑的3 倍時，可以忽略計算模型邊界截斷對計算結(jié)果的影響。因此，根據(jù)隧道洞徑的大小，我們設置了模型的長、寬和高分別為150m、90m和80m。隧道的埋深為50m，最大開挖洞徑為13.3m。考慮到斷層破碎帶的影響，我們在計算模型的長度方向上設置了與隧道走向夾角為71°、寬度為12m、視傾角為80°的斷層破碎帶。計算模型的頂部設為自由邊界，側(cè)面設為水平向約束，底部設為豎直約束。圖1 展示了數(shù)值分析模型的示意圖。

圖1 鐵路隧道數(shù)值分析模型

2.2 計算參數(shù)選取

在進行模擬時，采用了Mohr-Coulomb 彈塑性模型來描述隧道圍巖及斷層破碎帶巖體的行為，而襯砌則采用彈性模型。在計算過程中，考慮了自重產(chǎn)生的初始應力場的影響；同時考慮了不同介質(zhì)之間的相對滑動，在襯砌管片與圍巖以及斷層破碎帶與圍巖之間引入了摩擦接觸，摩擦系數(shù)設定為0.4。襯砌管片之間以及管片與圍巖之間采用可分離的硬接觸模型，而斷層破碎帶之間采用不可分離的硬接觸模型。

表1 隧道圍巖及襯砌物理力學性質(zhì)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過程

具體的開挖模擬過程可分為四個步驟：第一步是施加初始地應力；第二步是通過單元的激活與去激活來實現(xiàn)隧道的開挖；第三步是激活單元以施加襯砌結(jié)構(gòu)的應力；第四步是在隧道斷層的上下盤邊界上施加相反方向的位移，以模擬斷層的錯動作用。

3 計算結(jié)果及分析

斷層寬度值大小對隧道襯砌響應有重要影響。為揭示斷層破碎帶寬度對其的影響，分別取破碎帶寬度為8m、12m 和15m 以及斷層位錯量為0.3m，計算了沿隧道走向的襯砌拱腰處縱向應力，其結(jié)果如圖2 所示。從圖中可看出，對于一定的斷層寬度和位錯量下，左拱腰處的縱向應力沿著隧道走向由0 逐漸增大到最大值（正值），然后又逐漸減小到最小值后再繼續(xù)增大（負值）到0；右拱腰處的變化規(guī)律與左拱腰類似。對于不同的斷層寬度，曲線的變化規(guī)律相同，但峰值不同。斷層寬度越大，峰值也越大。這說明在錯動位移作用下，在斷層破碎帶內(nèi)產(chǎn)生了剪應力，使得一盤受到拉應力，另一盤受到擠壓應力作用，從而導致襯砌發(fā)生彎曲變形。

圖2 不同破碎帶寬度下襯砌拱腰縱向應力沿隧道走向的變化情況

為了更進一步分析斷層傾角和破碎帶寬度對襯砌受力變形的影響，還計算了斷層寬度為8m、12m 和15m 以及斷層傾角分別為60°、70°、80°和90°時隧道襯砌拱頂最大下沉量和拱底最大隆起量，其結(jié)果如圖3 所示。從圖中可看出：在一定的破碎帶寬度下，拱頂最大下沉變形量隨斷層傾角的增大而增大；拱底最大隆起變形量則隨著斷層傾角的增大而先增大，并在80°時達到最大值，然后再隨之減小。斷層寬度越大，相應地拱頂和拱底最大變形量越大。當斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時，斷層傾角從60°增大到90°區(qū)間內(nèi)拱頂?shù)淖畲笙鲁亮吭龇謩e為18.0%、11.5%和10.4%。拱底隆起情況則相反。當斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時，斷層傾角從60°增大到90°區(qū)間內(nèi)拱底最大隆起量增幅分別為25.0%、17.5%和14.3%。因此，斷層寬度越大，斷層傾角變化對隧道拱頂下沉影響越小，對拱底隆起影響越大。

圖3 不同破碎帶寬度下襯砌最大豎向位移與斷層傾角的關系

從圖3 中還可以看出，當斷層傾角一定時，斷層寬度對襯砌拱頂和拱底豎向位移有很大影響。當斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時，傾角從60°增大到90°內(nèi)拱頂最大下沉量增幅分別為28.0%、33.3%、23.2%和19.8%，而拱底最大隆起量增幅分別為53.1%、44.7%、40.0%、45.9%。說明斷層傾角對襯砌拱頂和拱底豎向位移都有重要影響，尤其是對拱底隆起變形影響最大。

4 結(jié)論

本研究以一條高速鐵路區(qū)間隧道為研究對象，通過數(shù)值模擬和分析，研究了斷層錯動、斷層寬度和傾角對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。通過觀察不同斷層位錯量、斷層寬度和傾角條件下襯砌結(jié)構(gòu)的響應變化，得出以下結(jié)論：①斷層寬度對隧道襯砌受力變形有重要影響。在一定的斷層寬度和位錯量下，襯砌拱腰處會產(chǎn)生拉應力和壓應力，說明在錯動位移作用下斷層破碎帶內(nèi)產(chǎn)生了剪應力，使得一盤受到拉應力，另一盤受到擠壓應力作用，從而導致襯砌發(fā)生彎曲變形。②斷層寬度和傾角變化對隧道襯砌豎向位移有重要影響。斷層寬度和傾角越大，對拱底隆起變形影響最大，但對拱頂下沉影響次之。