基于Abaqus 對斷層錯動下高速鐵路隧道襯砌受力變形模擬研究

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 200001；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

隨著我國高速鐵路、高速公路、城市地鐵等基礎設施的大量興建，隧道等地下工程常常需要穿越活動斷層。活動斷層的存在會引起地層產生變形及錯位，這將引起隧道產生過大變形、錯位甚至局部坍塌等災害[1-2]。在隧道線路選址時一般應盡量避免線路接近或穿越活動斷層。然而，實際工程中，考慮到經濟性、線路走向等因素的限制，仍有很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構的受力變形特性及安全性等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構產生嚴重破壞的最主要原因[3-6]。目前對斷層錯動對隧道襯砌結構受力變形的影響主要采用室內模型試驗和數值模擬兩種手段進行研究。Shahidi[7]對比分析了斷層黏滑錯動下Koohrangs 三號隧道的二次襯砌減錯縫的設置效果。熊煒[8]借助于商業有限元分析軟件Marc 軟件探究了正斷層活動下隧道結構的受力與變形變化機制，探討了斷層位錯量、傾角以及隧道結構埋深等對其的影響，歸納得出襯砌的破壞模式。唐曉杰[9]借助于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，探討了注漿加固對不同工法下斷層破碎帶變形的影響及控制效果。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構的響應，探討了斷層滑移量與地震波輸入方向對襯砌微裂縫產生量、襯砌受力變形的影響規律。

為進一步揭示斷層錯動下鐵路隧道襯砌結構力學響應機制，采用數值分析方法研究斷層錯動下杭溫鐵路區間隧道襯砌結構受力變形機制，探討斷層位移、傾角、破碎帶寬度以及隧道埋深、襯砌厚度等對隧道襯砌變形和破壞的影響。所得結論對鐵路隧道穿越斷層破碎帶時隧道設計與施工提供參考和依據。

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、浦江縣兩地，隧道洞身穿越地層巖性為侏羅系黃尖組J3h 凝灰巖。該隧道共穿越5 條斷層帶和11 條節理密集帶，斷層與線路夾角約為34°～68°，視傾角為76°～84°。破碎帶內裂隙發育，巖體破碎，巖芯多為碎塊狀、角礫狀。隧道區內的地下水較發育，主要為基巖裂隙水、構造裂隙水。整個隧道高低溫地應力變化大，存在巖體破碎、巖爆、坍塌、淺埋突水等施工風險。

隧道設計采用單洞雙線隧道方案，斷面形狀為馬蹄形，凈寬×凈高=14.86m×12.74m，采用由初期支護和二次襯砌組成的復合式襯砌方案。設計行車速度為350km/h。隧洞全長10240.34m，最大埋深200 多米，為杭溫鐵路最長隧道。

2 數值計算模型

2.1 計算模型的建立

根據地質勘察報告，選取IV 級圍巖進行模擬。根據圣維南原理，當模型尺寸足夠大，例如模型邊界至隧道邊緣的最小距離超過隧道半徑3 倍時，可以忽略計算模型邊界截斷對計算結果的影響。因此，根據隧道洞徑的大小，設置模型的長、寬和高分別為150m、90m 和80m。隧道埋深取50m，最大開挖洞徑為13.3m。考慮到斷層破碎帶的影響，在計算模型長度方向設置與隧道走向夾角為71°、寬度為12m、視傾角為80°的斷層破碎帶。計算模型頂部設為自由邊界，側面設為水平向約束，底部設為豎直約束。鐵路隧道整體計算數值分析模型如圖1 所示。

圖1 鐵路隧道整體計算模型

2.2 計算參數選取

在進行模擬時，隧道圍巖及斷層破碎帶巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，襯砌采用彈性模型。計算時，只考慮自重產生的初始應力場作用；考慮不同介質之間存在相對滑動，在襯砌管片與圍巖以及斷層破碎帶與圍巖之間設置摩擦接觸，摩擦系數取0.4。其中，襯砌管片之間以及管片與圍巖之間為可分離的硬接觸，而斷層破碎帶之間設置為不可分離的硬接觸。

2.3 數值模擬過程

具體開挖模擬過程分四步：第一步：施加初始地應力；第二步：通過單元生死實現開挖隧道；第三步：激活單元實現襯砌結構的施加；第四步：在隧道斷層上、下盤的邊界上施加相反方向的位移以實現斷層錯動作用的模擬。

3 計算結果及分析

圖2 給出了斷層破碎帶寬度為12m、位錯量分別為0.1、0.3 和0.6m 時地表豎向位移沿隧道走向的變化情況。從圖中可看出：在一定的斷層位錯量下，斷層上、下盤的相對錯動導致地表豎向位移沿著隧道走向從0 逐漸增大到峰值后，然而急劇下降到最小值后又沿著隧道走向逐漸趨于0。不同位錯量下地表豎向位移沿隧道走向的變化趨勢相同，但位移峰值不同。位錯量越大，位移峰值越大。從圖中還可以看出，地表豎向位移峰值所處位置基本不變，且豎向位移起伏變化范圍約為50m，近似等于4 倍斷層破碎帶寬度范圍。這是由于平均位錯量越大，斷層上下盤錯動的能量也越大，地表豎向位移也相應增大。

圖3 和圖4 給出了斷層破碎帶寬度為12m、位錯量分別為0.1、0.3 和0.6m 時襯砌拱腰最大和最小主應力沿隧道走向的變化情況。從圖中可看出：隧道襯砌左、右拱腰處的最大主應力均為正值（拉力），最小主應力均為負值（壓力）；對于某一給定的位錯量下，隧道襯砌拱腰處的最大和最小主應力沿著隧道走向從某一值逐漸增大/減小到峰值后再逐漸減小/增大到初始值附近。對于不同的斷層位錯量，最大和最小主應力的變化趨勢相同，但峰值卻隨著斷層位錯量的增大而增大。從圖中還可看出，最大和最小主應力出現的位置基本相同。對于左拱腰，不同位錯量下最大主應力值在距離模型后端1 倍斷層破碎帶寬度處達到最大值，而最小主應力峰值在模型前端1 倍斷層破碎帶寬度處出現峰值；對于右拱腰，峰值出現規律恰好相反。

圖4 不同位錯量下襯砌拱腰最小主應力沿隧道走向的變化情況

4 結論

本文以某高速鐵路區間隧道為研究對象，針對斷層錯動以及斷層寬度和傾角下隧道襯砌結構受力變形進行了數值模擬與分析，研究了不同斷層位錯量、斷層寬度及傾角下襯砌結構響應的變化規律，可知：

①斷層破碎帶附近隧道管片由于斷層上下盤的相對錯動導致襯砌管片的彎矩、應力和豎向位移變化都會發生激烈波動，此處極易產生拉扭彎矩而發生破壞現象。

②斷層上、下盤相對位錯量越大，其錯動能量也越大，導致地表豎向位移峰值越大，其影響范圍約為4 倍斷層破碎帶寬度范圍。

③不同的斷層位錯量導致襯砌拱腰處的最大和最小主應力沿隧道走向的變化趨勢相同，但其峰值卻隨著斷層位錯量的增大而增大。最大和最小主應力出現的位置基本相同，均在斷層破碎帶與圍巖交界面處。