正斷層錯動對海底盾構隧道管片及環縫接頭影響分析

孫文昊，陳立保，李沛松，王 琦，張 津

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心，武漢 430063；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

引言

活動斷層是隧道建設中經常遇到的不良地質條件，隧道結構在受到活動斷層錯動之后會產生嚴重破壞[1-4]。如在1999年中國臺灣集集地震中，中國臺灣8號、14號公路隧道等多座隧道出現了開裂，混凝土襯砌剝落等震害[5]；位于車籠埔活動斷層區的石崗壩引水隧道，在進水口下游180 m處發生了剪切滑移，隧道在豎直方向分開4 m，在水平方向分開3 m；2008年汶川地震中，穿越活動斷層的主要鐵路線路寶成線、廣岳線、成昆線、成渝線、內六線隧道均不同程度受損，共計約59處，公路隧道受損亦較為嚴重[6-7]，其中，處于龍門山斷裂帶內的龍洞子隧道出現了右線出口邊坡垮塌、左線洞口段落石、左線洞門端墻開裂、洞身段環向錯臺、邊墻上部及頂拱二次襯砌塌落等嚴重破壞，位于映秀大斷裂與龍溪斷裂之間的龍溪隧道[8]，斷層造成隧道上下相對位移達1 m左右的錯動變形，襯砌拱部坍塌完全喪失功能[9]。

盾構隧道是由管片通過螺栓連接而成的裝配式結構[10]，大量研究表明，盾構隧道接頭是整個結構受力及變形的薄弱部位，縱向接頭對穿越活動斷層的盾構隧道震害影響不容忽視[11-12]。耿萍等[13]通過數值模擬分析了地震作用下盾構隧道縱向螺栓等細部構造的受力特征；閆高明等[14]以跨斷層龍溪隧道為依托，通過振動臺試驗研究了斷層錯動對帶有接頭的襯砌結構響應。目前，對山嶺隧道和沉管隧道的接頭已有較多研究，但對海底盾構隧道接頭抗錯性能研究相對較少。

依托膠州灣第二海底隧道工程，采用有限元方法模擬正斷層環境下隧道環間接頭受力變形，對比不同接頭螺栓、管片結構形式對隧道管片結構影響的敏感性，以期為穿越活動斷層帶盾構隧道的抗錯動設防提供參考。

1 工程背景

膠州灣第二海底隧道工程橫跨膠州灣，連接青島市市北區與黃島區，意在構建完善的大青島全天候跨海交通體系。主線隧道采用鉆爆法和盾構法組合施工方案，其中，盾構段隧道長4 510 m。隧道位于魯東構造帶，處于牟平-即墨斷裂帶，隧道依次穿越F3、F8、F10和F11斷層。針對穿越活動斷層錯動對盾構隧道管片和接頭的影響，選取位于隧道盾構段的F3滄口斷層進行研究，方案平面見圖1。根據地質勘察報告，該斷層是中新生代強烈活動的區域性斷裂，斷層破碎帶長約30 m，由許多規模不一的平行斷裂組成，斷層帶兩側地層為早白堊系青山組、楊家莊組和燕山晚期花崗巖巖體。上盤為第四系堆積平原，下盤為山地，為壓扭性正斷層，斷層走向NE，傾向NW，傾角60°～70°，預計最大位錯量90 cm。盾構隧道外徑15.2 m，管片采用C60鋼筋混凝土平板形管片，通用楔形環，“9+1”分塊，襯砌厚0.65 m。

圖1 膠州灣第二海底隧道工程平面示意

2 計算模型

2.1 數值模型

利用有限元程序ABAQUS[15]建立三維模型，如圖2所示。其中，模型尺寸為150 m(長)×100 m(寬)×100 m(高)，斷層破碎帶寬30 m，斷層方向與隧道軸向之間的夾角β=69°。盾構隧道縱向螺栓50組，螺栓長70 cm，隧道中心埋深33 m。

圖2 三維有限元模型(單位：m)

為精確地模擬斷層位錯過程中盾構隧道細部的變形特征[16]，在斷層面附近建立30環均質圓環模型(圖3)。管片環之間采用縱向螺栓連接，螺栓采用梁單元模擬。根據志波由紀夫等提出的軸向等效剛度模型[17]，隧道結構均采用均質圓筒。管片環間接縫處，法向方向采用硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦接觸[18]，管片間等效摩擦應力為

圖3 三維有限元細部模型

(1)

式中，τ1、τ2為摩擦面內兩垂直方向剪切應力。臨界剪切應力為

τcrit=μp

(2)

式中，μ為摩擦系數，根據地勘資料，μ取0.8。

計算模型邊界條件如圖4所示。模型上表面為自由面，對模型下盤底面(Uy)和橫向(Ux)邊界施加法向約束以消除剛體運動。為模擬斷層錯動，對模型上盤施加豎向位移，根據地勘報告，位錯量取90 cm。接觸面正應力和摩擦系數是影響斷層錯動的重要物理力學參數，接觸面摩擦應力定義為[19]

由此之外，縱觀整個藝術史，女性主題藝術的概念仍有著西方女權主義運動的背景，所以并不是所有包含女性的作品都可以稱之為女性藝術。這里所提到的西方女權主義運動，它可分為第一代、第二代、第三代。

圖4 模型邊界

τf=μf(σn-p)

(3)

式中，σn為正應力；p為孔隙水壓力；通過直剪試驗得到斷層上、下盤之間的摩擦系數μf=0.8。

采用摩爾庫倫彈塑性本構，定義地層上盤、下盤和斷層帶圍巖，地層物理力學參數見表1，地層分布見圖5。盾構管片選用C60混凝土，螺栓采用雙折線塑性硬化本構[13]，螺栓的拉伸應力-應變關系如圖6所示。

表1 地層物理力學參數

圖5 地質剖面

圖6 螺栓拉伸應力-應變關系

2.2 影響隧道變形破壞的關鍵因素

穿越斷層的盾構隧道動力響應受多種因素影響，其中，關鍵影響因素是管片幅寬和縱向螺栓形式。目前，管片組裝機構的吊裝能力不斷提高，管片幅寬有不斷加大趨勢[20-21]。隨著管片幅寬增加，環間接頭數目、防水接縫總長度、管片拼裝次數、管片制造數量均有明顯減少，從而能夠明顯改善隧道結構防水狀況，加快施工進度，降低管片綜合造價。對于盾構隧道螺栓接頭，常見的接頭形式有直螺栓和斜螺栓。其中，直螺栓施工方便、制作簡單，但預留手孔較大，易出現管片局部破壞；斜螺栓手孔小，易于拆裝，對截面削弱小，且只需對螺栓的一頭進行防水和防腐蝕處理，因此，可加快施工進度，降低造價。

通過對不同管片幅寬和縱向螺栓組合，共分6種工況，研究正斷層錯動下盾構隧道管片及環縫接頭的力學特征及破壞模式，具體計算工況見表2。

表2 計算工況

3 結果分析

對各工況計算結果進行整理后，發現斷層錯動引起管片錯臺張開主要在斷層面和斷層帶中部位置，如圖7所示。提取關鍵節點沿隧道軸向的內力分布曲線，計算內力極值，對比不同管片幅寬和螺栓形式時管片內力分布規律并總結隧道破壞形式；提取環間接縫的變形和管片應力，分析正斷層黏滑錯動對管片和環縫接頭影響。

圖7 幅寬1.5 m直螺栓隧道變形(放大50倍)

3.1 管片內力分析

為研究隧道在斷層錯動影響下的變形機理，提取隧道橫斷面軸力、剪力及彎矩沿隧道縱向繪制環間內力分布曲線，發現不同管片幅寬的內力分布規律基本一致，限于篇幅，僅給出1.5 m幅寬的直螺栓和斜螺栓工況下，管片環間內力見圖8。

圖8 管片環間內力分布

由圖8和表3可見，管片環之間無論選擇直螺栓還是斜螺栓，兩種連接方式的縱向內力分布規律相似，在斷層與上下盤交界附近的管片內力受錯動影響較大，影響范圍約為交界面附近4～5環寬度，此范圍內隧道橫截面內力出現較強波動，且隧道橫截面剪力極值和彎矩極值也出現在此范圍內，軸力分布與剪力、彎矩稍有不同，軸力最大處橫斷面位于斷層內部而非斷層與上下盤交界附近。從內力大小來看，管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對比采用兩種不同連接方式時內力最大值，軸力為斜螺栓<直螺栓，剪力為斜螺栓>直螺栓，彎矩為斜螺栓>直螺栓。

表3 隧道環間內力最大值

3.2 環縫接頭最大張開量分析

提取每個環間的最大張開量值，沿隧道縱向繪制環間接頭最大張開量，如圖9～圖14所示。

圖9 環間最大張開量(工況1)

圖10 環間最大張開量(工況2)

圖11 環間最大張開量(工況3)

圖12 環間最大張開量(工況4)

圖13 環間最大張開量(工況5)

圖14 環間最大張開量(工況6)

由圖9～圖14可知，采用直螺栓和斜螺栓連接時，環間張開量值均呈現明顯的“三峰值”，環間接頭張開量峰值均出現在斷層與上下盤交界附近及位于斷層中部的管片環，此處管片出現明顯錯臺。采用直螺栓連接時，當管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對應的最大張開量分別為7.19，9.08，9.26 cm；采用斜螺栓連接時，當管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對應的最大張開量分別為7.09，8.85，8.96 cm。對比可以看出，環間最大張開量為直螺栓>斜螺栓。

3.3 環縫接頭最大錯臺量分析

提取管片每個環間的最大錯臺量值，沿隧道縱向繪制環間接頭最大錯臺量，如圖15、圖16所示。

圖15 環間最大錯臺量(直螺栓)

圖16 環間最大錯臺量(斜螺栓)

環間錯臺量峰值位于上下盤斷層面處，且隨著管片幅寬增加，錯臺量逐漸增加。當管片幅寬達到2 m時，直螺栓和斜螺栓的最大錯臺量分別為33 cm和36 cm。隧道管片錯臺主要分布在斷層面兩側約2 m范圍內，且盾構管片離斷層面越遠，錯臺量迅速衰減。值得注意的是，在隧道縱向距離4～6 m位置出現了1個次峰，這是由于隧道傾斜69°穿越斷層，導致正斷層錯動依次作用于不同管片的頂部和底部，位于上盤的隧道底部出現脫空區。

3.4 管片和螺栓應力分析

提取通過斷層的管片最大主應力和管片環間螺栓Mises應力，發現不同管片幅寬的應力分布基本相似，因此，僅給出管片幅寬1.5 m工況下直螺栓和斜螺栓的應力云圖，如圖17、圖18所示。

圖17 管片應力云圖(單位：Pa)

圖18 螺栓應力云圖(單位：Pa)

由圖17可知，無論是采用直螺栓還是斜螺栓連接，處于斷層與上下盤交界處管片均出現了明顯的應力集中，查看該范圍內的應力值可以發現，超過了混凝土抗拉強度2.04 MPa，說明在此處混凝土管片已經發生了破壞。由圖18可知，無論采用直螺栓連接還是斜螺栓連接，在斷層與上下盤交界處的管片環之間的螺栓應力均已經超過了螺栓的極限強度，在交界處進入屈服階段和破壞的螺栓最密集，螺栓已發生破壞。

4 結論及建議

海底盾構隧道管片幅寬和縱向螺栓是設計的重要參數，針對不同管片幅寬和螺栓形式，研究了海底盾構隧道穿越活動斷層時的受力變形特點，結論如下。

(1)彎矩、剪力和軸力均在斷層面附近出現較大波動，且剪力和彎矩最大值出現在此范圍內，而軸力最大值位于斷層帶中部。管片內力隨管片幅寬的增加而增加，且采用斜螺栓能有效降低管片軸力，但顯著增大剪力和彎矩。

(2)采用斜螺栓和直螺栓時，環間張開量值均呈現明顯的“三峰值”，峰值出現在斷層面和斷層帶中部，采用斜螺栓可有效抑制環縫的張開量。

(3)隧道管片錯臺主要發生在上下盤斷層面交界處，且集中分布在斷層面兩側2 m左右范圍內，距離斷層面越遠管片錯臺量迅速衰減。

(4)位于斷層與上下盤交界處的管片和螺栓出現了明顯的應力集中，且超過了混凝土和螺栓的極限抗拉強度，說明混凝土管片和螺栓已經發生了破壞。

(5)針對斷層錯動條件下隧道接頭的破壞模式和范圍，對影響范圍內的隧道管片合理增強配筋，在海底隧道管片接縫處采用柔性止水帶提高隧道的整體柔度，以滿足隧道的變形適應性和防水要求。