走滑斷層作用下跨斷層隧洞破壞機理研究

翁文林 王天強 付興偉 寧寶寬 周光新

摘要：中國西部地區斷層帶分布廣泛，使得西部地區隧洞建造過程中不可避免穿越活動斷層。為研究不同因素對隧洞襯砌結構的影響，根據滇中引水工程香爐山引水隧洞穿越斷層的活動形式，采用數值模擬方法模擬不同工況下走滑斷層錯動引發的隧洞襯砌變形及受力，由此得到斷層錯動量、斷層帶寬度、斷層帶圍巖強度及斷層傾角這4個主要因素對襯砌結構的影響程度。結果表明：① 斷層錯動量、斷層帶寬度、斷層帶圍巖強度及斷層傾角4個因素對襯砌影響的程度依次減弱。② 隧洞襯砌在走滑斷層錯動作用下的變形模式呈“Z”字形分布。③ 斷層破碎帶范圍內的剪力較大，襯砌彎矩分布沿隧洞縱向方向呈中心對稱，在斷層界限處達到彎矩最大值，襯砌中點的彎矩為0。④ 位于斷層帶處的隧洞襯砌洞頂及洞底應力分布受敏感參數影響的變化較大，隧洞襯砌兩端的壓應力較小;左右拱腰的縱向應力沿襯砌中間截面跡線呈對稱分布，最大壓應力出現在斷層界限處，因此斷層界限應該成為隧洞抗錯斷的控制重點。

關 鍵 詞：走滑斷層; 斷層破碎帶; 變形特性; 數值模擬; 香爐山隧洞; 隧道工程

中圖法分類號： U45 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.017

0 引 言

中國西部地區斷層帶分布廣泛，地震烈度較大，這一現狀導致西部隧道建設過程中不可避免要穿越活動斷層。斷層破碎帶的存在也使得跨斷層隧洞錯斷機制研究成為西部隧道建設中不可回避的一個重要研究內容。斷層按照其錯動方式可以分為正斷層、逆斷層和走滑斷層3種基本形式，且在我國西部地區以走滑斷層為主[1-2]。

就隧洞的錯斷問題而言，國內外學者通過模型試驗方法獲得了隧洞錯斷下襯砌的結構響應規律[3-13]。出于模型試驗的局限性，試驗大多采用某一種或幾種工況開展不同形式錯動作用下的隧洞襯砌結構特性研究[5-8]，無法準確得到影響隧洞襯砌結構的參數敏感性分析結果。基于此，部分學者開始通過數值模擬的方法開展不同試驗工況下的隧洞錯斷模擬研究，且以正斷層及逆斷層兩種錯動方式下隧洞襯砌的結構響應特性研究為主[11，14-19]。針對走滑斷層錯動作用下的襯砌變形及內力響應規律研究相對較少。鑒于此，本文采用有限差分數值計算方法，對比不同斷層因素對隧洞襯砌結構影響的敏感程度，分別得到了不同隧洞錯動量、斷層帶寬度、隧洞埋深、斷層傾角以及斷層帶圍巖強度下的隧洞襯砌破壞機制。本次研究成果對跨越走滑斷層的隧洞設計具有一定的參考意義。

1 依托工程

本文依托的滇中引水工程引水輸水隧洞以石鼓為起點，終點至大理洱海東岸，全長約60 km。隧洞段跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，地質條件復雜，沿線發育13條大斷（裂）層，其中龍蟠-喬后、麗江-劍川及鶴慶-洱源斷裂均表現為全新世區域活動斷裂，是3條走向均為NW的全新世活動斷裂帶（含分支斷裂）?，F今活動性主要表現為左旋走滑斷層的性質，斷裂滑動方式均為蠕滑-黏滑復合型，斷裂平均水平位錯速率為2.2～3.5 mm/a。

2 計算模型

2.1 模型尺寸

基于數值分析軟件FLAC3D，隧洞模型采用圓形輸水隧洞截面。模型縱向長度沿隧洞中線位置左右各考慮150 m，即總長為300 m。為計算方便，將初支與二襯合并考慮，厚度取0.65 m。為盡量減小模型邊界對結果的影響，最終確定模型尺寸長×寬×高為300 m×100 m×100 m（見圖1～2）。

2.2 計算方法

鑒于本文研究目的是獲取隧洞襯砌對斷層因素的敏感程度，模型中隧洞按照完全彈性材料考慮，圍巖按照彈塑性材料考慮，將斷層帶圍巖參數弱化以表示原型隧洞圍巖的軟弱夾層。襯砌與圍巖及斷層帶邊界左右及圍巖襯砌間的接觸部分分別設置不同的接觸面單元，接觸面設置如圖3所示。根據同一研究背景下已有的室內試驗擬合結果[20]，接觸面的法向剛度kn、切向剛度ks及抗拉強度Rt的參數取值見表1。

邊界條件設置方面：為模擬走滑斷層的錯動方式，模型上部采用自由邊界，固定盤其余各面均設置為固定約束;活動盤其余各面限制沿Y軸及Z軸的移動，并在活動盤邊界施加沿X軸正向的初始速度，即模型荷載的施加主要通過賦予節點速度控制整個活動盤處的均勻位移值。隧洞的開挖過程主要通過將隧洞范圍內的塊體設置為空模型，計算達到平衡后再施加襯砌實現。

為較為真實地模擬實際工況下隧洞在斷層錯動作用下的“脫空”現象，將第一類接觸面滑移分離設置為關閉，同時將第二類接觸面單元滑移分離設置為打開，進而保證錯動過程中襯砌變形導致的襯砌與圍巖接觸分離。

2.3 參數選取

根據原型隧洞力學性能（見表2），同時為研究斷層參數敏感性，上下盤的力學性質依據實際隧洞性質折中選取一致的圍巖性質，模擬采用的圍巖及襯砌各力學指標見表3。

2.4 計算方案

為獲得走滑斷層錯動作用下輸水引水隧洞的斷層參數敏感性分析結果，本次模擬結合原型隧洞100 a位移量值并根據不同參數設計出如表4所列計算方案。圖4給出了隧洞錯動的圍巖-襯砌變形示意圖。

3 結果分析

3.1 錯動量對隧洞的影響

3.1.1 錯動量對襯砌變形的影響

圖5給出了不同斷層錯動量下的襯砌變形。從變形圖可以看出：在固定盤一側，襯砌沿受力方向的位移較小，變形模式不受斷層錯動量改變，最大錯動量在左側的一條斷層界限上，且位移值為0.06 m。在斷層帶區間上，襯砌沿縱向方向變化較大，在右側的一條斷層界限上達到斷層帶區間上的位移最大值，且與施加的錯動量值較為接近。另外，在活動盤一側，不同錯動量條件下的襯砌位移與錯動量值較為一致，沿襯砌縱向的位移值基本不變。襯砌錯動后的變形結果及位移云圖如圖6所示。

3.1.2 錯動量對襯砌內力的影響

從圖7可以得到隧洞在不同斷層錯動量下的彎矩及剪力變化過程變化規律如下：不同斷層錯動量下的襯砌彎矩大小及方向關于襯砌中點中心對稱分布，剪力大小及方向關于襯砌中軸線處軸對稱分布，處于斷層帶的襯砌彎矩及剪力變化較大。隨著錯動量的增加，在斷層界限處的彎矩值不斷增大，最終襯砌最大彎矩值約為60 MN·m，剪力最大值出現在襯砌沿縱向距離的中間位置，當錯動量為0.5 m時達到最大剪力為15 MN。

3.1.3 錯動量對襯砌應力的影響

圖8給出了不同斷層錯動量下的隧洞襯砌各界面洞頂、洞底、左拱腰及右拱腰處沿隧洞縱向的應力分布特征。結果顯示：位于斷層帶之外的應力分布受斷層錯動量的影響較小，位于斷層帶上的應力變化較大，且位于斷層界限上的應力達到極值。左右拱腰的縱向應力分布特點為沿襯砌中間截面跡線對稱分布，最大壓應力出現在隧洞變形后的凹處，最大值為72 MPa。

3.2 斷層傾角的影響

以錯動量對隧洞襯砌的模擬作為基準工況，分別考慮3種不同斷層傾角，從隧洞襯砌的變形規律、襯砌內力及應力3個方面探究不同斷層傾角作用下的襯砌結構受力分析。

從不同工況下的隧洞襯砌位移來看（見圖9），位于斷層帶之外的襯砌變形結果較為一致，且位于斷層破碎帶處的襯砌變形受斷層傾角變化也較小。

圖10給出了不同斷層傾角下的襯砌彎矩及剪力分布。從分布圖可看出：彎矩不隨斷層傾角的變化發生較大的變化，彎矩分布規律較為一致，但位于斷層帶處的襯砌剪力分布隨斷層傾角發生變化，斷層傾角越大，襯砌剪力也越大。

不同斷層傾角下的襯砌應力分布如圖11所示。隨著斷層傾角的增加，位于斷層破碎帶處的襯砌洞頂縱向應力略有減小，影響程度隨隧洞距離斷層破碎帶的距離增大逐漸減弱。從襯砌左拱腰及右拱腰縱向應力分布看，左右拱腰的縱向應力大小隨斷層傾角的變化較小，位于斷層界限上的應力達到極值。左右拱腰的縱向應力沿襯砌中間截面跡線對稱分布，最大壓應力出現在隧洞變形后的凹處，最大值為80 MPa。

3.3 斷層帶寬度的影響

將斷層破碎帶寬度設置為50，75，100 m，并將錯動量對隧洞襯砌的模擬作為基準工況，仍從隧洞襯砌的變形規律、襯砌內力及應力3個方面探究不同斷層帶寬度作用下的襯砌結構受力。

圖12給出了不同斷層帶寬度下的隧洞襯砌變形規律。可以看出，襯砌變形受斷層帶寬度變化影響較大;位于斷層破碎帶內的襯砌變形隨位錯量逐漸增大，達到右側斷層界限時達到斷層破碎帶內的最大位移量，且與輸入的位移量較為接近。位于斷層破碎帶外的襯砌變形不受斷層破碎帶寬度的影響。

斷層帶寬度引起的襯砌彎矩及剪力如圖13所示?？梢钥闯鲆r砌彎矩與剪力受斷層帶寬度影響較大，斷層寬度越大，引起的襯砌彎矩及剪力越小，彎矩極值出現在斷層界限上，最大值為150 MN·m。剪力極值出現在襯砌沿縱向方向的中點位置，最大值為25 MN。

從圖14可以看到，襯砌縱向應力受斷層帶寬度影較大。隨著斷層帶寬度的增加，襯砌洞頂沿縱向的壓應力逐漸減小，壓應力極小值出現在斷層界限處，最大壓應力為95 MPa。洞底縱向應力隨斷層帶寬度的減小而減小，壓應力極大值出現在斷層界限處，極小值出現在隧洞襯砌沿縱向的中點處，最大壓應力為106 MPa。從襯砌左拱腰及右拱腰縱向應力分布看，左右拱腰的縱向應力分布規律受斷層帶寬度影響較大，隨著斷層帶寬度的增大，縱向應力極小值逐漸減小。

3.4 斷層帶參數變化的影響

原型隧洞中斷層破碎帶巖體參數的變化引起的隧洞襯砌破壞情況不同。為研究不同斷層帶寬度下隧洞襯砌的結構變形、內力及應力變化，以錯動量對隧洞襯砌的影響作為基準工況，主要通過改變巖體彈性模量，從隧洞襯砌的變形規律、襯砌內力及應力3個方面探究斷層帶參數作用下的襯砌結構受力。

圖15給出了不同巖體彈性模量下的隧洞襯砌位移、彎矩及剪力分布規律。從不同工況下的隧洞襯砌位移來看，位于斷層帶之外的襯砌變形結果較為一致，且位于斷層破碎帶處的襯砌變形受斷層傾角的影響也較小，但可以看到巖體彈性模量越低，對襯砌變形約束越小。從分布圖還可看出彎矩在斷層界限處隨巖體彈模的變化而改變。巖體彈模越大，斷層界限處的彎矩越小。斷層破碎帶處的剪力也與巖體彈模成反比，沿隧洞襯砌縱向的中點剪力達到最大值15 MN。

不同斷層帶巖體強度參數下的襯砌縱向應力見圖16。從圖16可知，隨著巖體強度的增加，位于斷層破碎帶處的襯砌洞頂縱向應力減小，位于斷層破碎帶外的襯砌洞頂縱向應力不隨巖體強度的變化而改變。洞底縱向應力同樣僅在斷層破碎帶范圍內發生變化，斷層界限處及襯砌中點位置的縱向應力不發生變化，隧洞襯砌縱向應力在斷層破碎帶的其他位置隨巖體強度的增加逐漸減小。

從襯砌左拱腰及右拱腰縱向應力分布看，左右拱腰在斷層界限的縱向應力大小隨巖體強度的不同變化較大，具體表現為巖體強度越大，縱向應力極小值越大。左右拱腰的縱向應力沿襯砌中間截面跡線對稱分布，最大壓應力出現在隧洞變形后的凹處，最大值為90 MPa。

4 討 論

首先，從襯砌的變形特征來看，襯砌總體呈現“Z”字形分布。位于斷層帶處的襯砌變形沿隧洞縱向逐漸增加，且在接近活動盤的斷層界限處達到與輸入位移較為接近的變形位移。從斷層錯動量、斷層傾角、斷層帶寬度及斷層帶圍巖強度對襯砌變形影響的結果來看，斷層錯動量條件下襯砌最大位移增長率為（0.5-0.13）/0.13×100%=284.6%。斷層帶寬度變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（0.18-0.07）/0.07×100%=157.0%。斷層帶參數變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（0.35-0.24）/0.24×100%=45.8%。斷層帶傾角變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（0.35-0.27）/0.27×100%=29.63%。

故影響襯砌變形的4種因素敏感性程度中，斷層錯動量>斷層帶寬度>斷層帶圍巖強度>斷層傾角。

另外，從襯砌內力分布中可以得到，襯砌彎矩及剪力變化受這4種因素不同程度的影響，具體表現為斷層錯動量條件下襯砌最大正彎矩增長率為（60-20）/20×100%=200%。斷層帶寬度變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（148-60）/60×100%=146.7%。斷層帶參數變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（70-50）/50×100%=40.0%。斷層帶傾角變化條件下的襯砌最大正彎矩增長率為（60-52）/52×100%=15.38%。

上述結果表明斷層錯動量、斷層帶寬度、斷層帶圍巖強度及斷層傾角的敏感性依次減弱。

最后，從襯砌洞頂、洞底及兩側拱腰處的縱向應力分布定性來看，4個主要監測位置的應力分布均在斷層界限及襯砌縱向中點等特殊位置呈現出一定的分布規律;從洞頂及洞底的縱向應力來看，位于斷層帶處的隧洞襯砌應力分布受敏感參數的變化較大;斷層帶兩側的應力隨4種敏感參數的變化基本不變，且隧洞襯砌兩端的壓應力較小。從兩側拱腰的縱向應力來看，左右拱腰的縱向應力沿襯砌中間截面跡線對稱分布，最大壓應力出現在隧洞變形后的凹側。

5 結 論

（1） 走滑斷層錯動作用下，斷層錯動量、斷層帶寬度、斷層帶圍巖強度及斷層傾角4個因素對襯砌影響的程度依次減弱。

（2） 斷層錯動量越大，斷層破碎帶范圍內的襯砌內力及應力逐漸增大，處于斷層破碎帶外的襯砌受斷層錯動量變化較小。

（3） 斷層傾角的變化對襯砌變形、內力及應力分布影響較小，與其他因素綜合分析時，可忽略斷層傾角對襯砌的影響。

（4） 斷層帶寬度越大，襯砌變形影響范圍越大，但彎矩及剪力最大值與斷層帶寬度呈負相關，襯砌縱向應力最大值也隨斷層帶寬度的增加逐漸減小。

（5） 斷層帶圍巖強度的變化對襯砌變形、襯砌內力影響較小，主要影響隧洞左右兩側拱腰處的縱向應力，圍巖強度越小，縱向應力最大。

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（編輯：鄭 毅）