不同隧道斜穿斷層角度下襯砌結構力學演化規律分析

趙樹林 張超翔 張志強

地鐵建設中遇到的困難和難題越來越多，其中活斷層錯動成為世界各國地鐵工程中亟待解決的問題。以烏魯木齊軌道交通4號線為工程依托，建立了三維有限元跨斷層隧道數值模型，分析了不同隧道斜穿斷層角度對襯砌結構力學演化規律的影響，獲得了20°、30°、40°、50°交角斷層錯動下隧道襯砌結構的變形規律、應力規律以及塑性區分布規律，為相關工程提供了理論依據。

隧道； 斷層； 斜穿角度； 襯砌結構； 力學演化規律

U455.91 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金項目］高鐵聯合基金項目（項目編號：U1934213）；國家自然科學基金項目（項目編號：51878572）

［作者簡介］趙樹林（1975—），男，本科，高級工程師，研究方向為城市軌道交通。

進入21世紀后，地鐵作為一種城市公共軌道交通工具，它既能快速、安全、方便地解決交通問題，同時占地面積少、噪音小、污染少，儼然成為最為理想的交通系統。然而，在修建地鐵過程中遇到的困難和難題越來越多，比如下穿或近接重要建筑物、下穿河流、不同地層盾構選型、穿越地裂縫以及活斷層等等。其中活斷層錯動成為世界各國地鐵工程中亟待解決的問題。

活動斷層是指會發生位錯的斷層，穿越活動斷層地鐵隧道結構在粘滑錯動下在縱向產生較大的變形，襯砌結構受到拉壓和彎剪等復雜的應力狀態，斷層面處產生開裂、錯臺、剝落、裂縫等嚴重的破壞形態，其他位置也產生不同程度的破壞形態，對于小交角斜穿活動的地鐵隧道，襯砌結構也會產生扭轉、軌道不平順等破壞形態。目前國內外學者進行了大量研究：宋惠珍、蘇生瑞等［1-2］通過數值分析理論推導等手段分析了正逆斷層錯動條件下滑動面的延展情況與地應力發展規律；金瀏、王濱等［3-4］研究了斷層錯動條件下埋地管線的屈曲特征及地震響應規律，探明了埋地管線縱向變形規律和受力特征；鄧亮等［5］采用損傷理論探明了列車循環震動荷載條件下基底動力累積損傷及開裂特征。

不同交角會對襯砌結構的變形和受力狀態產生不同的影響。因此，本文采用數值模擬的手段來研究活動斷層錯動下襯砌結構變形及力學行為。

1 計算模型及參數選取

烏魯木齊軌道交通4號線為中心城內東西向的骨干線，線路全長29.45 km，共設車站21座。4號線在紅光山東路穿越碗窯溝斷層，碗窯溝斷層屬博格達弧形推覆構造西段內部的反沖斷層，發育在侏羅系內。碗窯溝斷層西起平頂山西南，向NE延伸，長約55 km，平面上呈向北突出寬緩弧形。斷裂走向NE，斷面傾向N，傾角40°～80°，為逆沖性質。穿越碗窯溝斷層區間段采用礦山法，斷面形式為馬蹄形，該段隧道整體位于第四系地層內，綜合圍巖分級為V級。

圍巖采用相關聯流動的D-P屈服準則，并考慮圍巖加固區對粘聚力和內摩擦角的提高，加固區彈性模量、粘聚力按照提高20%～30%考慮。隧道結構采用Solid65單元，采用MISO定義混凝土受壓應力應變關系，使用TB，CONCR定義混凝土抗拉極限強度。圍巖以及支護結構的的物理力學參數如表1、表2所示。

交角的存在會對地鐵隧道結構的變形和受力狀態產生不同的影響，小交角情況更明顯，活動斷層與地鐵隧道斜交平面如圖1所示。

為掌握交角存在對地鐵隧道結構的影響規律，分別選取交角為20°、30°、40°和50°的荷載工況，利用Ansys建立地層-結構模型，并在上盤底部施加強制位移進行求解計算，斷層傾角、材料參數、接觸參數與上文相同。

三維有限元分析模型尺寸為長×寬×高=200.2 m×40 m×43.6 m，即隧道縱向長度200 m，橫向寬度取40 m，高度取43.6 m，隧道拱頂到地面取15 m。隧道采用復合式襯砌，接觸面采用擴展拉格朗日法計算，其中，斷層上下盤接觸面接觸行為設定為可滑動但不分離模式，以還原斷層面上的錯動力學行為；初支與圍巖接觸面接觸行為設定為可分離模式（圖2）。

2 計算結果分析

2.1 變形分析

錯距50 cm時不同交角的襯砌結構豎向變形曲線如圖3所示，由圖3可知，在黏滑錯動后，隧道襯砌結構沿著縱向發生了“S”狀彎曲形變以適應錯動位移。隧道襯砌結構產生了縱向彎曲變形。

斜交角度對襯砌結構拱頂和仰拱豎向變形曲線線型影響不大，對變形范圍影響較大。交角20°時，襯砌結構豎向變形受影響范圍為-80～55 m；交角50°時，襯砌結構豎向變形受影響范圍為-60～50 m。

隨著斜交角度的增大，襯砌豎向變形更大，曲線斜率也更大，即斷層面附近的豎向變形曲線相對較陡。可得，斷層與隧道交角越大，土體對襯砌結構變形的約束作用越大。

圖4為錯距50 cm時不同交角下的襯砌結構兩側拱腳橫向變形曲線。由圖可知，斷層錯動不僅引起襯砌結構縱向變形，還出現水平方向變形。從變形曲線可以得出，上盤橫向變形大于下盤，右拱腳橫向變形大于左拱腳。左拱腳的最大橫向變形發生在上盤距離斷層面24.8 m處，為2.56 cm；右拱腳的最大橫向變形發生在上盤距離斷層面24.8 m處，為3.64 cm。此外，交角越大，橫向變形最大值越靠近斷層面。

2.2 受力響應規律分析

不同斜交角度下襯砌結構第一主應力云圖如圖5所示。由圖5可知，上盤拱頂和拱腰部分的拉應力比較集中，下盤仰拱和墻腳部分的拉應力比較集中。隨著交角的增大，襯砌結構的第一主應力最大值分別為24.6 MPa、24.7 MPa、24.7 MPa、25.1 MPa。可見，隨著交角的增大，第一主應力增大。

為具體分析襯砌結構第一主應力的變化規律，提取襯砌結構拱頂和仰拱的第一主應力，繪制如圖6所示的第一主應力縱向分布曲線。由圖6可知，隨著隧道交角的增大，上盤拱頂的第一主應力分別為18.89 MPa、19.37 MPa、19.88 MPa、21.88 MPa，交角越大，第一主應力越大。

圖7為襯砌結構第三主應力變化圖。由圖7可知，仰拱結構的受壓范圍主要集中在-80.0～25.0 m，交角的變化對仰拱的第三主應力影響較小。拱頂第三主應力的分布范圍為-15.0～70.0 m。隧道交角增大，第三主應力最大值增大，最大值所在位置接近斷層面。

2.3 塑性分析

圖8為活動斷層錯動完成后襯砌結構等效塑性云圖，由圖8可知，襯砌結構的塑性區主要在上盤仰拱到墻腳區域和下盤拱頂到拱腰區域。隨著交角從20°增大到40°過程中，塑性區最大值分別為1.12‰、0.99‰、0.86‰，可見，交角越大，塑性最大值越小。

3 結論

（1）斷層與隧道斜交角度越大，斷層面附近變形曲線越陡，豎向變形越明顯，隧道縱向變形范圍越小。

（2）斜交情況下，襯砌結構不僅產生縱向變形，還出現水平方向變形，交角越小，橫向變形范圍越大。

（3）活動斷層錯動影響下，交角越大，襯砌結構拉應力響應最大值越大，縱向受影響范圍略微減小，且受壓應力分布規

律與受拉基本相同。

參考文獻

［1］ 宋惠珍， 曾海容， DenisHeliot， 等. 逆沖斷層應力場的數值模擬［J］. 地震地質， 1999（3）：275-82.

［2］ 蘇生瑞， 朱合華， 王士天， 等. 斷裂物理力學性質對其附近地應力場的影響［J］. 西北大學學報（自然科學版）， 2002（6）：655-8.

［3］ 金瀏， 李鴻晶. 逆沖斷層作用下埋地管道屈曲分析［J］. 工程力學， 2011，28（12）：98-104.

［4］ 王濱. 斷層作用下埋地鋼質管道反應分析方法研究 ［D］. 大連：大連理工大學， 2011.

［5］ 鄧亮， 鄭欣. 基于損傷理論的隧道襯砌結構動力破壞模式研究［J］. 公路交通科技（應用技術版）， 2018，14（4）：213-6.