活斷層錯(cuò)動(dòng)位移下變形縫間距對(duì)隧道內(nèi)力的影響

李學(xué)鋒，代志萍，谷雪影，曹自豪

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092;2.上海同巖土木科技有限公司，上海 200092)

0 引言

斷層帶錯(cuò)動(dòng)的永久變形，對(duì)于穿越其中的隧道的影響是巨大的，甚至?xí)a(chǎn)生毀滅性的后果。研究人員對(duì)龍門山主干活動(dòng)斷裂的水平和垂直運(yùn)動(dòng)速率的研究表明，水平運(yùn)動(dòng)速率為 0.18～1.28 mm/年，垂直運(yùn)動(dòng)速率為0.03～1.07 mm/年。為保證活斷層地震錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)免遭過大破壞，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用抗斷設(shè)計(jì)來(lái)減小災(zāi)害的發(fā)生，保證結(jié)構(gòu)安全。馮啟民等［1］研究了埋地管道在大位移斷裂錯(cuò)動(dòng)下的反應(yīng)，并指出作用的效應(yīng)與斷裂類型及管道埋深均有關(guān)系。Gregor T.等［2］(2007)通過有限差分法和有限元法，利用計(jì)算模型評(píng)估斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)的行為，計(jì)算結(jié)果表明了數(shù)值分析的可行性。劉學(xué)增等［3－4］通過模型試驗(yàn)研究了砂性土中斷層不同傾角、錯(cuò)動(dòng)方式對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。邵潤(rùn)萌［5］結(jié)合成蘭線鐵路項(xiàng)目，建立圍巖－斷層－隧道體系的有限元模型，計(jì)算斷層錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)穿越斷層的隧道的影響。C.Tan等［6］(2000)研究了深圳斷層區(qū)的活動(dòng)性，通過模擬現(xiàn)場(chǎng)三維構(gòu)造應(yīng)力，計(jì)算了最大水平主壓應(yīng)力和隧道軸線之間的夾角。劉學(xué)增等［7］通過模型試驗(yàn)研究逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響。張志超等［8］研究了斷層對(duì)地下管線的影響。針對(duì)不同變形縫間距對(duì)隧道抗錯(cuò)斷的影響的研究很少。模型試驗(yàn)不能完全考慮各種影響因素，因此，很難準(zhǔn)確描述斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響［9－10］。本文以位于活動(dòng)斷裂帶的棋盤石隧道為依托，通過建立數(shù)值模型，分析不同節(jié)段長(zhǎng)度隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)位移下圍巖壓力和隧道二次襯砌內(nèi)力的變化情況以及隧道塑性應(yīng)變變化和塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)，為隧道施工提供參考。

1 工程概況

擬建棋盤石隧道位于四川省綿竹市清平鄉(xiāng)棋盤村后緣山體，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為K20+310，洞底標(biāo)高為964.400 m，終點(diǎn)里程為 K21+233，洞底標(biāo)高為991.900 m，建筑限界凈空9.0 m(寬)×5.0 m(高)，隧道縱坡2.98%(單向坡)。隧道線型較順直，進(jìn)口軸線方向348°，在K20+700處彎曲，軸線方向變?yōu)?55°。F21－1活動(dòng)斷裂帶為逆沖斷層，斷層上下2盤地層為二疊系陽(yáng)新組和三疊系飛仙觀組地層。根據(jù)物探測(cè)試結(jié)果，斷層破碎帶寬度為20～40 m，破碎帶由構(gòu)造角礫巖組成，夾斷層泥。斷層破碎帶可能含水，物探測(cè)試電阻率低。隧道全長(zhǎng)923 m，最大埋深211 m，圍巖以Ⅴ、Ⅵ級(jí)為主。

2 模型建立及計(jì)算參數(shù)選取

取F22－1斷層帶前后80 m左右建立數(shù)值模擬模型。地質(zhì)斷面簡(jiǎn)圖及模型分別如圖1和圖2所示。隧道節(jié)段長(zhǎng)度取5，7，10 m，相鄰節(jié)段間設(shè)置寬0.3 m的剪切位移縫。

圖1 隧道地質(zhì)斷面簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of geological profile of tunnel

參考工程勘測(cè)資料，并結(jié)合規(guī)范要求，給出的圍巖和斷層的物理力學(xué)參數(shù)及襯砌混凝土參數(shù)見表1。初期襯砌采用線彈性模型模擬，其他材料均采用彈塑性摩爾－庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬。變形縫模擬為彈性材料，其彈性模量取二次襯砌的1/100，其余參數(shù)相同。不考慮水的作用。

圖2 模型分析段示意圖Fig.2 Division of numerical model

表1 數(shù)值模型參數(shù)表Table 1 Parameters of numerical model

運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件顯式分析步運(yùn)算模型模擬斷層錯(cuò)動(dòng)。模擬時(shí)，每一個(gè)增量步設(shè)為2 cm。由于斷層與周圍巖體有一定的夾角，因此，每個(gè)增量步的位移都將沿坐標(biāo)投影施加。在第1步時(shí)，約束模型底部的豎直向位移，前后、左右兩側(cè)施加水平方向的位移約束，上部邊界為自由邊界。通過對(duì)上盤底面和左側(cè)面添加位移邊界條件，對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)進(jìn)行模擬。隧道使用壽命按100年取值;結(jié)合龍門山活動(dòng)斷裂帶運(yùn)動(dòng)速率，斷層最大錯(cuò)動(dòng)位移取20 cm。

本模型主要研究活動(dòng)斷裂帶附近隧道應(yīng)力及變形的變化。

3 隧道與圍巖之間接觸壓力的分布和變化規(guī)律

圖3為斷層錯(cuò)動(dòng)位移20 cm時(shí)隧道二次襯砌受到的圍巖壓力云圖。圖3中，隧道取斷層帶附近節(jié)段，自上而下分別為節(jié)段長(zhǎng)度5，7，10 m的隧道(下同)。隨錯(cuò)動(dòng)位移增大，斷層帶左端節(jié)段圍巖壓力首先開始增加，由拱頂和拱底向拱腰和拱腳發(fā)展，在拱腳處出現(xiàn)最大值，并不斷增加。與其他節(jié)段長(zhǎng)度的隧道相比，節(jié)段長(zhǎng)度為5 m的隧道在斷層帶區(qū)域內(nèi)的壓力更為均勻。

圖4和圖5分別是拱腰和拱腳處不同節(jié)段長(zhǎng)度隧道圍巖壓力隨錯(cuò)動(dòng)位移變化示意圖。隨著錯(cuò)動(dòng)位移的增加，拱腰和拱腳處的圍巖壓力不同程度地增大，且拱腳處壓力值遠(yuǎn)大于拱腰處，最大為其3倍(節(jié)段長(zhǎng)度10 m隧道，錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí))。對(duì)于斷層帶外的部分，節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道較之其他2種隧道圍巖壓力要大。對(duì)于斷層帶中的各節(jié)段，拱腰處壓力區(qū)別并不明顯;節(jié)段長(zhǎng)度為7 m的隧道的拱腳處壓力略大于其他2種節(jié)段長(zhǎng)度的隧道的拱腳處壓力。

圖3 斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)圍巖壓力變化分布圖Fig.3 Pattern of surrounding rock pressure under 20 cm fault movement

圖4 隧道拱腰處圍巖壓力變化Fig.4 Pattern of surrounding rock pressure at arch waist

圖5 隧道拱腳處圍巖壓力變化Fig.5 Pattern of surrounding rock pressure at spring line

4 隧道二次襯砌最大軸向應(yīng)力的變化規(guī)律

圖6為斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)隧道二次襯砌最大軸向應(yīng)力區(qū)段云圖。從圖6中可以看出，節(jié)段長(zhǎng)度為5 m的隧道的最大軸向應(yīng)力最小，表明節(jié)段長(zhǎng)度越短，斷層錯(cuò)動(dòng)引起的軸向應(yīng)力被變形縫材料吸收得越多;節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道，最大軸向應(yīng)力達(dá)到1.243 MPa，其壓應(yīng)力也是三者中最大的，為另外2種節(jié)段長(zhǎng)度隧道的2～3倍，即軸向拉壓應(yīng)力集中明顯，容易產(chǎn)生受拉破壞。

圖7為隧道二次襯砌最大軸向應(yīng)力在斷層錯(cuò)動(dòng)下的變化。斷層錯(cuò)動(dòng)3 cm后，節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道的最大軸向應(yīng)力一直大于其他2種節(jié)段長(zhǎng)度的情況，穩(wěn)定在1.2 MPa左右，可見節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道的二次襯砌更容易發(fā)生受拉破壞;對(duì)于節(jié)段長(zhǎng)度為7，5 m的隧道，斷層錯(cuò)動(dòng)8 cm后最大軸向應(yīng)力基本一致。

圖6 斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)隧道二次襯砌最大軸向應(yīng)力分布圖Fig.6 Pattern of maximum axial stress of secondary lining of tunnel under 20 cm fault movement

圖7 隧道二次襯砌最大軸向應(yīng)力變化圖Fig.7 Curves of variation of maximum axial stress of secondary lining of tunnel

5 隧道二次襯砌塑性應(yīng)變變化特征

圖8—10分別為斷層錯(cuò)動(dòng)10，15，20 cm時(shí)隧道的塑性應(yīng)變分布圖。

圖8 斷層錯(cuò)動(dòng)10 cm時(shí)隧道的塑性應(yīng)變分布圖Fig.8 Pattern of plastic strain of tunnel under 10 cm fault movement

圖9 斷層錯(cuò)動(dòng)15 cm時(shí)隧道的塑性應(yīng)變分布圖Fig.9 Pattern of plastic strain of tunnel under 15 cm fault movement

圖10 斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)隧道的塑性應(yīng)變分布圖Fig.10 Pattern of plastic strain of tunnel under 20 cm fault movement

斷層錯(cuò)動(dòng)10 cm時(shí)，塑性應(yīng)變主要集中在斷層帶區(qū)域內(nèi)的前幾個(gè)節(jié)段的拱腰部分;隨著錯(cuò)動(dòng)位移的增加，塑性應(yīng)變擴(kuò)散到整個(gè)節(jié)段。對(duì)于節(jié)段長(zhǎng)度為5 m的隧道，塑性應(yīng)變分布的范圍較大;其他2種工況差異很小，即變形縫間距過大對(duì)提高隧道抗錯(cuò)斷效果無(wú)顯著作用。

圖11和圖12為隧道拱腰和拱腳隨錯(cuò)動(dòng)位移變化的塑性應(yīng)變。塑性應(yīng)變主要集中在斷層帶區(qū)域前段部分，隨錯(cuò)動(dòng)位移增加總體呈增加趨勢(shì)。錯(cuò)動(dòng)10 cm時(shí)，拱腰處塑性應(yīng)變遠(yuǎn)大于拱腳處塑性應(yīng)變，最大是其5倍(節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道);隨著錯(cuò)動(dòng)位移的增加，塑性區(qū)擴(kuò)展，拱腳與拱腰處塑性應(yīng)變相差很小。節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道的拱腳與拱腰處的最大塑性應(yīng)變略大于其他2種工況。

圖11 隧道拱腰處塑性應(yīng)變變化Fig.11 Pattern of plastic strain at tunnel arch waist

圖12 隧道拱腳處塑性應(yīng)變變化Fig.12 Pattern of plastic strain at tunnel spring line

6 結(jié)論與討論

1)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響主要集中在斷層帶內(nèi)左側(cè)區(qū)域的隧道，拱腰和拱腳部位受力和變形明顯。斷層抬升過程中，上覆土層被動(dòng)土壓力及隧道兩側(cè)圍巖均對(duì)隧道產(chǎn)生阻力，斷層帶內(nèi)隧道為拉張剪切組合受力，受力和變形明顯合乎常理。

2)節(jié)段長(zhǎng)度為10 m的隧道的最大軸向應(yīng)力達(dá)到1.243 MPa，是節(jié)段長(zhǎng)度為5 m的隧道的1.5倍。節(jié)段長(zhǎng)度越小，二次襯砌的最大軸向應(yīng)力越小，即變形縫材料可以吸收部分應(yīng)力。變形縫間距越小，隧道整體柔性越大，使得二次襯砌不致出現(xiàn)過大的應(yīng)力，有利于隧道的抗錯(cuò)斷。

3)節(jié)段長(zhǎng)度為5 m的隧道的塑性應(yīng)變分布區(qū)域最大。節(jié)段長(zhǎng)度對(duì)二次襯砌最大塑性應(yīng)變的影響不明顯。綜合考慮本文3種工況，節(jié)段長(zhǎng)度為7 m者最優(yōu)。

4)本文建立的模型是針對(duì)特定工程的，其結(jié)果的普遍適用性不強(qiáng)。如果要研究隧道的抗錯(cuò)斷一般規(guī)律，需建立更具代表性的模型。

［1］ 馮啟民，趙林.跨越斷層埋地管道屈曲分析［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，4(21):80－87.(FENG Qimin，ZHAO Lin.Buckling analysis of buried pipes subjected to fault movement［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2001，4(21):80－87.(in Chinese))

［2］ Gregor T.，Garrod B.，Young D.Analysis of underground structures crossing an active fault in Coronado，California［C］//Proceedings of the 33rd ITA-AITES World Tunnel Congress.Istanbul:ITA-AITES，2007.

［3］ 劉學(xué)增，馬小君.隧道穿越斷層破碎帶突水涌泥模糊安全評(píng)價(jià)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，2(5):1787－1790.(LIU Xuezeng，MA Xiaojun.Fuzzy safety evaluation for water bursting and mud surging of tunnels through the fault fracture zones［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，2(5):1787 － 1790.(in Chinese))

［4］ 劉學(xué)增，林亮倫.75°傾角逆斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)公路隧道影響的模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，12(30):2524 － 2530.(LIU Xuezeng，LIN Lianglun.Research on model experiment of effect of thrust fault with 75°dip angle stick-slip dislocation on highway tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，12(30):2524－2530.(in Chinese))

［5］ 邵潤(rùn)萌.斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道工程損傷及巖土失效擴(kuò)展機(jī)理研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2011.

［6］ C.Tan，Y.Sun，R.Wang.Present day activity of the Shenzhen fault zone and its impact on the safety of a planned diversion tunnel in Shenzhen，China［J］.Engineering Geology，2000，57(1):73－80.

［7］ 劉學(xué)增.逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)公路隧道的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(7):1008－1014.(LIU Xuezeng.Effect of thrust fault stick slip rupture on road tunnel［J］.Journal of Tongji University，2012，40(7):1008 － 1014.(in Chinese))

［8］ 張志超，王進(jìn)廷，徐艷杰.跨斷層地下管線振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究II:試驗(yàn)成果分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(12):116 － 125.(ZHANG Zhichao，WANG Jinting，XU Yanjie.Shaking table test for cross-fault buried pipelines II:test results［J］.China Civil Engineering Journal，2011，44(12):116－125.(in Chinese))

［9］ LIN，M.L.，JENG，F(xiàn).S.，WANG，H.J.，et al.Response of soil and a submerged tunnel during a thrust fault offset based on model experiment and numerical analysis［C］//Proceedings of ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference.USA:ASME，2005.

［10］ LIN Minglang，CHUNG Chunfu，JENG Fushu，et al.The deformation of overburden soil induced by thrust faulting and its impact on underground tunnels［J］.Engineering Geology，2007，92(3):110－132.