強震區跨導熱斷層隧道不同斷層溫度對結構安全性的影響

崔光耀 石文昊 王明勝

(1.北方工業大學， 北京 100144；2.中鐵城市發展投資集團有限公司， 成都 610000)

隨著我國西部山區鐵路的發展，鐵路隧道不可避免地穿越山區強震地區、斷層帶，而此類地區中可能存在高地溫等惡劣地質條件。因此，許多專家、學者開展了大量研究[1-2]。高地溫的地質成因較為復雜，袁偉[3]等認為大氣降水、冰雪融水、河水與地殼深部的高溫高壓熱流進行的熱交換、離子交換等物理化學作用，是海螺溝地區地熱產生的原因；王生仁[4]等發現拉月隧道的高地溫是由雅魯藏布江縫合帶陸-陸碰撞伴隨的斷裂摩擦生熱等所致。為了研究高地溫對于隧道安全性的影響，王志杰[5]等利用數值分析的方法研究了尼格隧道施工期水化熱和高地溫共同作用的傳熱規律，并計算了隧道隔熱層的最優厚度；羅占夫[6]等研究了高黎貢山越嶺段鐵路隧道洞內氣溫滿足規范時隧道圍巖的溫度分布規律；崔光耀[7-8]等分別對拉日鐵路吉沃希噶隧道使用不同減震措施和不同隔熱材料后的安全性提升效果進行了分析對比，并提出了適合該隧道的最優減震措施及最優隔熱材料；唐興華[9]等研究了吉沃希噶隧道初期支護受溫度及應力影響下的施工期特征及演變規律，并對其安全性進行了評價；王明年[10]等利用數值模擬方法探究了大瑞鐵路高黎貢山隧道初期支護和二次襯砌在不同巖溫下的安全性，同時提出了高巖溫隧道支護結構的分級方式。

以上研究主要集中在對非強震區高地溫隧道的安全性分析以及恒定溫度下強震對隧道的影響等方面，而針對不同導熱斷層溫度對強震影響下隧道安全性的影響較少。因此，為提升此類隧道的安全性，保證鐵路隧道能夠安全建設運營，本文以桑珠嶺隧道為研究背景，針對不同斷層溫度跨導熱斷層隧道的強震破壞規律進行了研究。研究成果可為不同斷層溫度跨導熱斷層隧道的理論研究和實際建設提供參考。

1 工程概況

1.1 地質條件

桑珠嶺隧道位于西藏自治區山南市境內的雅魯藏布江桑日峽谷，是連接拉薩市與林芝市的鐵路重難點工程之一。該隧道于2014年12月開工建設，隧道全長16.449 km，地勢海拔在 3 300～5 100 m之間，最大埋深 1 347 m。桑珠嶺隧道存在巖爆、高地溫、溫泉水等不良地質，其中對施工作業環境影響最大的因素為高地溫，開挖時隧道內環境溫度最高可達56 ℃。隧道圍巖主要為堅硬易碎的巖石，圍巖分級為Ⅳ級，破碎帶圍巖分級為Ⅴ級，基巖圍巖分級為Ⅱ級。

1.2 支護設計

隧道初期支護厚度0.25 m，采用C25噴射混凝土；二次襯砌厚0.45 m，采用C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計算模型

以桑珠嶺隧道斷層段為研究背景，利用有限差分軟件Flac3D建立計算模型。隧道埋深設為55 m，縱向長度設為200 m，隧道左右兩側均取4倍隧道洞室寬度(約40 m)。模型底部至隧道下方距離設為55 m，底部基巖厚度設為20 m。破碎帶斷層傾角設為85°，其寬度設為10 m，位于模型中央位置。靜力計算時，模型底部全約束，四周法向約束，頂部無約束；動力計算時，模型底部為靜態邊界，四周為自由場邊界。模型頂部初始溫度為54 ℃，而斷層破碎帶作為導熱通道，是高地溫向周邊環境傳導的主要途徑，因此以其溫度作為變量進行研究。

2.2 計算參數

根據桑珠嶺隧道實際地勘資料，計算分析中選用的具體參數如表1所示。

表1 計算參數表

2.3 計算工況

為研究不同導熱斷層溫度對隧道結構安全性的影響，擬定的計算工況如表2所示。

表2 計算工況表

2.4 動力參數

動力計算中采用局部阻尼，阻尼系數為0.157。使用常規加載方式，利用基線過濾及校正軟件將以 11度地震烈度進行標準化；地震波采用汶川實測地震波(臥龍測站)，從模型底部向模型上部傳遞，持續時間為40 s。地震波的實際加速度時程曲線如圖1所示。

圖1 地震波加速度時程曲線圖

2.5 監測點及監測面布置

以模型斷層中心處為基準，沿隧道縱向左右各取6個監測斷面，如圖2所示。其中D1、D2斷面分別為靠近斷層中心處的下盤與上盤監測斷面。各監測斷面測點布置如圖3所示。

圖2 監測斷面布置圖(m)

圖3 測點布置圖

3 試驗結果及分析

3.1 最大主應力分析

從計算結果中提取全時段中各個監測斷面各測點的最大主應力值，根據最不利原則取全時段中最大值進行分析。各斷面的最大主應力值變化規律如圖4所示，最大主應力計算結果如表3所示。

圖4 最大主應力最大值變化曲線圖

由圖4可知，最大主應力最大值出現在D2監測斷面處。由表3可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時，隧道最大主應力最大值為55.61 MPa。隨著斷層破碎帶溫度逐漸升高，隧道最大主應力最大值也在逐漸增加。斷層破碎帶溫度增加至110 ℃時，最大主應力最大值升至55.61 MPa。最大主應力變化率在1.60%到9.39%之間，其中斷層破碎帶溫度由70 ℃升高至90 ℃時的增量變化較大，總體呈上升趨勢。

表3 最大主應力計算結果表

3.2 最小主應力分析

從計算結果中提取全時段中各個監測斷面各測點的最小主應力值，根據最不利原則取其中最大值進行分析。各斷面的最小主應力值變化規律如圖5所示，最小主應力計算結果如表4所示。

圖5 最小主應力最大值變化曲線圖

由圖5可知，最小主應力最大值出現在D2監測斷面處。由表4可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時，隧道最小主應力最大值為-55.29 MPa；隨著斷層破碎帶溫度逐漸升高，隧道最小主應力最大值逐漸增加；斷層破碎帶溫度增加至110 ℃時，隧道最小主應力最大值升至-61.12 MPa。最小主應力變化率在2.28%到10.54%之間，其中斷層破碎帶溫度由90 ℃升高至110 ℃時的增量變化較大，總體呈上升趨勢。

表4 最小主應力計算結果表

3.3 位移分析

從計算結果中提取全時段各個監測斷面拱頂處測點x、y、z3個方向的位移，根據最不利原則取其中位移最大值進行分析。各斷面的位移變化規律如圖6所示，位移計算結果如表5所示。

圖6 隧道拱頂位移變化圖

由圖6可知，x與z方向的位移最大值出現在S14監測斷面處，y方向的位移最大值出現在X10監測斷面處。由表5可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時，拱頂處的位移為所有工況中最小，其x、y、z方向的拱頂位移分別為57.30 mm、38.58 mm和88.34 mm；當斷層破碎帶溫度為110 ℃時，其x、y、z方向的拱頂位移分別為58.20 mm、38.80 mm和89.57 mm，為所有工況中最大。

表5 位移計算結果表

整體上來看，拱頂x與z方向上的位移增加較為明顯，工況2～工況5相比于工況1的位移分別增加了0.96%～1.57%和0.96%～1.39%；而拱頂y方向上的位移變化幅度相對較小，其工況2～工況5相比于工況1的位移增加了0.29%～0.57%。由此可知，隨著斷層破碎帶的溫度增加，隧道拱頂處的位移也隨之增加，但增加幅度較為平緩。

4 結論

本文以桑珠嶺隧道為研究背景，研究了強震區跨導熱斷層隧道不同斷層溫度結構安全性的影響，得出主要結論如下：

(1)隨著斷層溫度的增加，其最大最小主應力也同步增加，且最大值皆位于D2監測斷面處。各工況的最大主應力和最小主應力增加率分別為1.60%～9.39%與2.28%～10.54%。由此可知高地溫對于跨導熱斷層隧道的結構安全性影響較小。

(2)不同斷層溫度下跨導熱斷層拱頂的各方向位移變化規律大致相同，各方向位移最大值隨著地溫升高皆逐漸增加。其中x與z方向的位移最大值出現在S14斷面處，各監測斷面間溫度差異較為明顯，而y方向的位移最大值出現在X10監測斷面處，各監測斷面間溫度差異較小。總體上看，高地溫對于跨導熱斷層隧道的位移影響也較小。

(3)雖然應力及位移都隨著斷層溫度的增加而增加，但其增加幅度與溫度的增加幅度相比并不明顯。因此高地溫對于跨導熱斷層隧道的安全性和位移影響較小，而對其他指標的影響還有待進一步實驗研究。