康西瓦斷裂錯動對近斷層隧道影響的數(shù)值模擬分析

王 杰，盛 儉，趙夢丹，王欣宇

（南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，江蘇南京 210009）

引言

隧道工程選線經(jīng)常遇到斷層問題，尤其在我國活斷層分布廣泛的西部地區(qū)。活斷層錯動會產(chǎn)生地層永久性位移，造成隧道襯砌開裂、滲水，襯砌錯臺、二襯掉塊和隧道垮塌等［1－3］。所以研究斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響對保障隧道安全運行有重要作用。

近幾年國內(nèi)外關(guān)于斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響已有大量研究。主要集中于斷層類型、斷層傾角、位錯量以及損傷特性的研究。邵潤萌［4］分別對走滑斷層、正斷層和逆斷層進(jìn)行建模，研究隧道襯砌在不同斷層錯動方式下的受力特征，發(fā)現(xiàn)傾滑斷層和走滑斷層受到的影響部位不同且大小相反。汪振等［5］研究不同斷層傾角作用下山嶺隧道結(jié)構(gòu)的變形特性，發(fā)現(xiàn)隨斷層傾角的增大，隧道襯砌處于嚴(yán)重?fù)p傷和完全損毀狀態(tài)的長度要明顯減小。馬亞麗娜等［6］使用三維離散－連續(xù)耦合數(shù)值模擬方法研究斷層錯動對隧道響應(yīng)特征影響的研究，發(fā)現(xiàn)隨著斷層錯動量的增加襯砌位移有增大的趨勢。梁建文等［7］認(rèn)為在傾滑斷層錯動下，襯砌受壓損傷最大值均分布在拱頂處，襯砌受拉損傷最大值均分布在拱腰處。Yan 等［8］發(fā)現(xiàn)襯砌節(jié)段間接頭的調(diào)節(jié)可以有效減小結(jié)構(gòu)受拉損傷的長度。

綜上所述，已有研究主要集中于斷層走向與隧道結(jié)構(gòu)相交的情形。若隧道位于斷層錯動區(qū)間內(nèi)，一般很難在震后幸免［9］。我國的隧道設(shè)計規(guī)范也明確要求隧道選址需要避讓活斷層［10－11］。且在實際工程中隧道結(jié)構(gòu)與斷層走向不相交的情形較多，但關(guān)于此方面的研究還較少。趙伯明等［12－13］建立走滑斷層錯動作用下距離斷層破碎帶不同長度的隧道結(jié)構(gòu)，認(rèn)為隧道與斷層之間的距離為100 m 時處于安全狀態(tài)。此結(jié)論是否適用于傾滑斷層還需進(jìn)一步研究。吳明［14］根據(jù)西安地鐵3 號線的地質(zhì)情況，開展了平行于地裂縫的地鐵隧道避讓距離研究，但其研究的是斷層傾角為85°的正斷層，未涉及逆斷層的研究。同樣的，賀凱［15］通過大型物理模型試驗配合數(shù)值模擬仿真分析，確定近距離平行條件下斷與隧道結(jié)構(gòu)的安全距離，但其僅完成了一組模型試驗的研究。陳之毅等［16］發(fā)現(xiàn)斷層與隧道間距越遠(yuǎn)隧道結(jié)構(gòu)受力越趨于穩(wěn)定。但是其研究是針對隱伏逆斷層。李廷春等［17］研究了隧道位置分別位于斷層上下盤時隧道結(jié)構(gòu)的變形特征，發(fā)現(xiàn)位于斷層上盤的隧道比位于下盤的隧道更易受到斷層錯動影響，但其考慮的影響因素為較為單一。

鑒于近距離平行逆斷層的隧道結(jié)構(gòu)的受力特征還有待進(jìn)一步分析。所以文中在之前相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以康西瓦斷裂為主要背景，利用ABAQUS 有限元軟件建立隧道與斷層走向平行的力學(xué)模型，模擬逆斷層與隧道不同間距以及不同位錯量下隧道結(jié)構(gòu)的受力特征。文中多種工況下的數(shù)值研究成果將對近距離平行于斷層走向的隧道工程研究是一個很好的補充。

1 工程概況

隧道附近的主要斷裂為康西瓦斷裂，該斷裂一條大型帶有逆沖分量的全新世活動斷裂。總體沿北西、北西西向孤形延伸，斷裂面向北傾，地表傾角60°～70°，屬壓扭性斷裂。區(qū)域性主斷裂帶是劃分西昆侖和喀喇昆侖褶皺系的分界斷裂，對區(qū)內(nèi)沉積建造、巖漿活動、變質(zhì)作用以及地貌特征等具有明顯的控制作用，沿斷裂帶地震遺跡廣布。區(qū)內(nèi)沿區(qū)域性斷裂帶巖漿活動較為活躍，主斷裂帶兩側(cè)均有巖漿巖出露。在主斷裂帶的巨大擠壓及搓碎作用下，河谷兩岸巖體中普遍有強烈的片理化、角礫巖化及構(gòu)造混雜堆積等現(xiàn)象，形成寬達(dá)數(shù)公里的動力破碎變質(zhì)帶和構(gòu)造混雜巖帶，斷裂帶內(nèi)的物質(zhì)軟弱，強度低，在外應(yīng)力作用下，極易發(fā)生坍塌、碎落、滑塌以及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。沿斷裂還有第四紀(jì)火山巖及4～6 級震中分布，1948年策勒南6?級地震，1963年6月26日麻扎6.0 級地震與該斷裂有關(guān)。該斷裂是十分活躍的全新世活動斷裂，衛(wèi)星影像上可以清晰的看到斷裂斷錯了全新世的洪積扇（圖1），雖然斷裂與隧道大致平行未與隧道相交，但是和隧道的距離小于50 m，這種情況下，斷裂活動是否會影響隧道的安全性還有待于進(jìn)一步研究。

圖1 斷裂衛(wèi)星影像圖Fig.1 Satellite image of the fault

該斷裂未來百年可能發(fā)生的最大震級為7.0 級左右，根據(jù)鄧起東［18］建立的震級與地表破裂位錯之間的關(guān)系，算出地震震級為7.0級時對應(yīng)的斷層的位錯量為1.0 m。

2 隧道數(shù)值計算模型

文中的整體模型結(jié)構(gòu)斷層破碎帶為一傾斜的薄弱巖體，模型長×寬×高為220 m×100 m×50 m。隧道軸向與斷層走向平行，斷層破碎帶寬20 m，斷層傾角為60°。同時為了更好的進(jìn)行對比分析，建立隧道結(jié)構(gòu)出口距離斷層破碎帶20、30、40、50 m 的4 個三維模型。隧道模型按照工程中常采用的三心圓拱，其外輪廓尺寸為高8.25 m、寬12.00 m，襯砌厚0.65 m，為了方便計算，將一襯和二襯簡化為一體。具體襯砌尺寸見圖1。模型由襯砌、圍巖和斷層破碎帶三部分組成，均采用實體單元模擬。具體模型尺寸見圖2、圖3。

圖2 襯砌尺寸及模型圖Fig.2 Lining size and model figure（Unit：m）

圖3 計算模型簡圖Fig.3 Diagram of computing model（Unit：m）

2.1 參數(shù)選取及斷層面處理

計算時土體假設(shè)為理想彈塑性材料，圍巖、斷層均采用D－P彈塑性模型，將襯砌按完全彈性材料考慮，使用強度等級為C30混凝土［19］。模型中圍巖及襯砌參數(shù)根據(jù)工程實際的勘察資料以及隧道設(shè)計規(guī)范確定，考慮到圍巖抗斷措施的效果，在此基礎(chǔ)上提高了圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角［20］。具體材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。斷層面接觸采用ABAQUS軟件中自帶的可滑動接觸方式，隧道－圍巖接觸面采用摩擦接觸面形式。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)［19］Table 1 Physical-mechanical parameters of materials

2.2 邊界條件

模擬逆斷層錯動時，由于斷層有一定傾角，擬將速度沿坐標(biāo)投影施加，即在上盤底面分別施加向上垂直速度和沿斷層方向水平速度，下盤底面施加固定約束。設(shè)定錯動時間為10 s，使得傾角60°的逆斷層沿滑動面錯動1 m，垂直錯動位移分量0.87 m，垂直錯動速度0.087 m/s，水平錯動位移分量0.5 m，水平錯動速度0.05 m/s［21］。

本次模擬主要研究斷層錯動作用下近斷層隧道的變形情況，為了更好的進(jìn)行對比分析，在隧道距離斷層破碎帶分別是20、30、40、50 m情況下，并考慮了錯距分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m的應(yīng)力及變形。

3 相同豎向位移距斷層破碎帶不同距離的模擬結(jié)果

本節(jié)研究在逆斷層錯動作用下不同隧道與斷層破碎帶之間的距離對隧道結(jié)構(gòu)的變形與受力影響。通過數(shù)值模擬得到了位錯量為1.0 m，間距分別為20、30、40 和50 m 時襯砌的數(shù)值計算結(jié)果，并據(jù)此就豎向位移及結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行分析。

3.1 隧道襯砌變形分析

隧道距離斷層破碎帶20 m，總位錯量為1.0 m 時的斷層豎向位移分布云圖如圖4 所示，與斷層破碎帶距離分別為20、30、40、50 m 的隧道襯砌豎向位移云圖如圖5所示。從圖中可以看出，在逆斷層錯動作用下，隨著隧道與斷層破碎度的間距不斷增加，隧道豎向位移不斷減小；且隧道最大豎向位移值逐漸由偏拱腰一側(cè)轉(zhuǎn)移到拱頂處，位移整體呈正向移動。

圖4 斷層豎向位移分布云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram of fault

圖5 不同間距下隧道豎向位移分布云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram of lining under different distance

表2統(tǒng)計分析了4 種工況下，隧道拱頂、仰拱、左拱腰和右拱腰的豎向位移值，由表中可以看出當(dāng)隧道與斷層破碎帶的間距由10 m增加到40 m時，豎向位移變化比較顯著，超出40 m之后，隧道拱頂、左拱腰和拱底的豎向位移下降緩慢。

表2 不同間距下隧道襯砌豎向位移統(tǒng)計分析表Table 2 Statistic and analytical table of liner vertical displacement under different distance

3.2 結(jié)構(gòu)損傷分析

對于混凝土受壓損傷，當(dāng)受壓損傷因子接近0.3 時開始出現(xiàn)受壓損傷破壞，所以當(dāng)損傷因子小于0.3 時處于安全狀態(tài)。對于混凝土受拉損傷，當(dāng)損傷值小于0.1 時處于安全狀態(tài)，超過0.1 時開始出現(xiàn)受拉損傷破壞［22－23］，隨著損傷值變大結(jié)構(gòu)受到的破壞也越嚴(yán)重。

隧道距離斷層破碎帶20 m 時因斷層錯動產(chǎn)生的損傷云圖如圖6 所示。由圖中可以看出隧道結(jié)構(gòu)的受壓損傷的最大值集中于拱腳處，受拉損傷集中于右側(cè)拱腰處。受壓損傷最大值為0.97，受拉損傷最大值為0.16均大于混凝土塑性損傷的臨界值，所以在隧道距離斷層破碎帶20 m時隧道處于破壞狀態(tài)。

圖6 間距為20 m時隧道結(jié)構(gòu)損傷云圖Fig.6 Damage nephogram of tunnel with spacing of 20 m

表3統(tǒng)計了4種工況下隧道受到的損傷情況。由表中可以看出，隨著隧道與斷層破碎帶距離的增加，受拉和受壓損傷值均逐步減小。受壓損傷最大值逐漸由右拱腳處轉(zhuǎn)移到拱頂，受拉損傷最大值逐漸由右拱腰處轉(zhuǎn)移到右拱腳處，且受壓損傷最大值始終大于受拉損傷最大值。當(dāng)L介于20 m 和30 m 之間時，隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷值變化顯著。當(dāng)L大于30 m 時，受拉、壓損傷值變化趨于平緩，此時受拉、壓損傷最大值均低于混凝土塑性臨界值，說明此時隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，說明在位錯量為1.0 m 時，斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)造成損傷破壞的隧道與斷層破碎帶距離的臨界值為30 m。

表3 不同位錯下隧道損傷部位及最大值統(tǒng)計分析表Table 3 Statistic and analytical table of liner damage under different dislocation

4 相同間距不同位錯量的模擬結(jié)果

本節(jié)保持隧道與斷層破碎帶之間的距離20 m 不變。分析逐步增加位錯量情形下斷層錯動造成的隧道結(jié)構(gòu)的變形與受力規(guī)律。斷層位錯量以0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m為例。

4.1 隧道襯砌變形分析

圖7 表示位錯量分別為0.2、0.8 m 時因斷層錯動隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向相對位移云圖。由圖中可以看出，隨著位錯量的增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)的豎向相對位移也隨之增加。且隧道最大豎向位移值均集中于拱頂和右側(cè)拱腰處，位移整體呈正向移動。

圖7 不同位錯量下隧道襯砌豎向位移分布云圖Fig.7 Vertical displacement nephogram of lining under different dislocation

表4統(tǒng)計分析了4 種工況下隧道拱頂、仰拱、左拱腰和右拱腰的豎向相對位移值，由表中可以看出，當(dāng)位錯量為0.2 m 時，隧道最大值集中于拱頂處；隨著位錯量由0.2 m 增加到1.0 m 時，隧道豎向位移最大值由拱頂轉(zhuǎn)移到右拱腰處。同時，拱頂?shù)呢Q向位移始終大于仰拱的，左拱腰的豎向位移小于右拱腰的。究其原因為右拱腰為靠近斷層破碎帶一側(cè)，逆斷層發(fā)生錯動時兩盤沿著斷層面產(chǎn)生擠壓作用，且隧道圍巖較堅硬將大部分變形直接傳遞給隧道，使隧道在靠近斷層破碎帶一側(cè)發(fā)生較大相對位移。

表4 不同位錯量下隧道襯砌豎向位移統(tǒng)計分析表Table 4 Statistic and analytical table of liner vertical displacement under different dislocation

4.2 結(jié)構(gòu)損傷分析

位錯量0.8 m，隧道與斷層破碎帶間距為20 m 時，因斷層錯動造成的隧道結(jié)構(gòu)的損傷情況如圖8 所示。從圖中可以看出，隧道襯砌受壓損傷主要集中分布在靠近斷層一側(cè)拱腳位置，隧道襯砌受拉損傷主要集中分布在靠近斷層一側(cè)拱腰位置，且受壓損傷值大于受拉損傷值。此時隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷值均大于混凝土塑性損傷臨界值，說明此時隧道是處于破壞狀態(tài)。

圖8 位錯量為0.8 m時隧道結(jié)構(gòu)損傷云圖Fig.8 Damage nephogram of tunnel with dislocation amount of 0.8 m

表5 表示在斷層錯動下位錯量分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m 造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷的統(tǒng)計分析表。從表中可以看出，隨著斷層位錯量的增加隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷越大，斷層錯動對隧道造成的破壞也越嚴(yán)重。當(dāng)位錯量為0.2 m 時，隧道結(jié)構(gòu)還未產(chǎn)生損傷區(qū)域；位錯量為0.4 m 時，隧道結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)損傷；位錯量超過0.4 m 時，隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷值急劇增大，但在位錯量為0.4 m 和0.6 m 時均未達(dá)到混凝土塑性損傷極限值，所以認(rèn)為此時的隧道結(jié)構(gòu)是處于安全狀態(tài)；位錯量達(dá)到0.8 m 時，隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷值均大于混凝土塑性損傷臨界值，此時隧道結(jié)構(gòu)遭到破壞。說明在隧道與斷層破碎帶間距為20 m 時，斷層錯動作用下隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的臨界位錯量為0.8 m。

表5 不同位錯量下隧道襯砌結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計分析表Table 5 Statistic and analytical table of liner damage under different dislocation

5 結(jié)論

通過對逆斷層錯動作用下近斷層隧道的數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：

（1）在斷層位錯量一定的情況下，隨著隧道結(jié)構(gòu)與斷層破碎帶間距的增大，受到逆斷層錯動影響產(chǎn)生的豎向位移和損傷值均減小。且最大豎向位移值逐漸由隧道結(jié)構(gòu)的頂部轉(zhuǎn)移到右側(cè)拱腰處。隧道結(jié)構(gòu)的受壓損傷破壞主要集中在隧道頂部和右側(cè)拱腳處，右側(cè)拱腳受壓損傷值大于拱頂。受拉損傷破壞主要集中在隧道結(jié)構(gòu)的左側(cè)拱肩和右側(cè)拱腰處，右側(cè)拱腰的受拉損傷值大于左側(cè)拱肩。受壓損傷值均大于受拉損傷值。發(fā)現(xiàn)斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)造成損傷破壞的隧道與斷層破碎帶距離的臨界值為30 m。

（2）在隧道與斷層破碎帶距離一定時，隨著斷層位錯量的增加，受到逆斷層錯動影響產(chǎn)生的豎向位移和損傷值均增大。發(fā)現(xiàn)斷層錯動作用下隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞的臨界位錯量為0.8 m。

（3）在進(jìn)行近斷層隧道設(shè)計時，對于受拉、壓損傷劇烈的部位增加抗斷設(shè)計，如布設(shè)錨桿、縱向鋼筋以及柔性接頭等。