康西瓦斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)近斷層隧道影響的數(shù)值模擬分析

王 杰，盛 儉，趙夢(mèng)丹，王欣宇

（南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)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(wèn)題，尤其在我國(guó)活斷層分布廣泛的西部地區(qū)?；顢鄬渝e(cuò)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生地層永久性位移，造成隧道襯砌開(kāi)裂、滲水，襯砌錯(cuò)臺(tái)、二襯掉塊和隧道垮塌等［1－3］。所以研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響對(duì)保障隧道安全運(yùn)行有重要作用。

近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)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(cuò)量以及損傷特性的研究。邵潤(rùn)萌［4］分別對(duì)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(cuò)動(dòng)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(zhǎng)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(cuò)動(dòng)對(duì)隧道響應(yīng)特征影響的研究，發(fā)現(xiàn)隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加襯砌位移有增大的趨勢(shì)。梁建文等［7］認(rèn)為在傾滑斷層錯(cuò)動(dòng)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(zhǎng)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(cuò)動(dòng)區(qū)間內(nèi)，一般很難在震后幸免［9］。我國(guó)的隧道設(shè)計(jì)規(guī)范也明確要求隧道選址需要避讓活斷層［10－11］。且在實(shí)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(cuò)動(dòng)作用下距離斷層破碎帶不同長(zhǎng)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(shí)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(hào)線的地質(zhì)情況，開(kāi)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(guò)大型物理模型試驗(yàn)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(yàn)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(duì)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(pán)時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的變形特征，發(fā)現(xiàn)位于斷層上盤(pán)的隧道比位于下盤(pán)的隧道更易受到斷層錯(cuò)動(dòng)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(cuò)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(duì)近距離平行于斷層走向的隧道工程研究是一個(gè)很好的補(bǔ)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(dòng)斷裂?？傮w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(duì)區(qū)內(nèi)沉積建造、巖漿活動(dòng)、變質(zhì)作用以及地貌特征等具有明顯的控制作用，沿?cái)嗔褞У卣疬z跡廣布。區(qū)內(nèi)沿區(qū)域性斷裂帶巖漿活動(dòng)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)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?cái)嗔堰€有第四紀(jì)火山巖及4～6 級(jí)震中分布，1948年策勒南6?級(jí)地震，1963年6月26日麻扎6.0 級(jí)地震與該斷裂有關(guān)。該斷裂是十分活躍的全新世活動(dòng)斷裂，衛(wèi)星影像上可以清晰的看到斷裂斷錯(cuò)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(dòng)是否會(huì)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(lái)百年可能發(fā)生的最大震級(jí)為7.0 級(jí)左右，根據(jù)鄧起東［18］建立的震級(jí)與地表破裂位錯(cuò)之間的關(guān)系，算出地震震級(jí)為7.0級(jí)時(shí)對(duì)應(yīng)的斷層的位錯(cuò)量為1.0 m。

2 隧道數(shù)值計(jì)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(zhǎng)×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(shí)為了更好的進(jìn)行對(duì)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(gè)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(jì)算，將一襯和二襯簡(jiǎn)化為一體。具體襯砌尺寸見(jiàn)圖1。模型由襯砌、圍巖和斷層破碎帶三部分組成，均采用實(shí)體單元模擬。具體模型尺寸見(jiàn)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(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of computing model（Unit：m）

2.1 參數(shù)選取及斷層面處理

計(jì)算時(shí)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(qiáng)度等級(jí)為C30混凝土［19］。模型中圍巖及襯砌參數(shù)根據(jù)工程實(shí)際的勘察資料以及隧道設(shè)計(jì)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(jiàn)表1。斷層面接觸采用ABAQUS軟件中自帶的可滑動(dòng)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(cuò)動(dòng)時(shí)，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(pán)底面分別施加向上垂直速度和沿?cái)鄬臃较蛩剿俣?，下盤(pán)底面施加固定約束。設(shè)定錯(cuò)動(dòng)時(shí)間為10 s，使得傾角60°的逆斷層沿滑動(dòng)面錯(cuò)動(dòng)1 m，垂直錯(cuò)動(dòng)位移分量0.87 m，垂直錯(cuò)動(dòng)速度0.087 m/s，水平錯(cuò)動(dòng)位移分量0.5 m，水平錯(cuò)動(dòng)速度0.05 m/s［21］。

本次模擬主要研究斷層錯(cuò)動(dòng)作用下近斷層隧道的變形情況，為了更好的進(jìn)行對(duì)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(cuò)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(cuò)動(dòng)作用下不同隧道與斷層破碎帶之間的距離對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的變形與受力影響。通過(guò)數(shù)值模擬得到了位錯(cuò)量為1.0 m，間距分別為20、30、40 和50 m 時(shí)襯砌的數(shù)值計(jì)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(cuò)量為1.0 m 時(shí)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(cuò)動(dòng)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??；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(dòng)。

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(jì)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(shí)，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(jì)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(duì)于混凝土受壓損傷，當(dāng)受壓損傷因子接近0.3 時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)受壓損傷破壞，所以當(dāng)損傷因子小于0.3 時(shí)處于安全狀態(tài)。對(duì)于混凝土受拉損傷，當(dāng)損傷值小于0.1 時(shí)處于安全狀態(tài)，超過(guò)0.1 時(shí)開(kāi)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(shí)因斷層錯(cuò)動(dòng)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(shí)隧道處于破壞狀態(tài)。

圖6 間距為20 m時(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)，受拉、壓損傷值變化趨于平緩，此時(shí)受拉、壓損傷最大值均低于混凝土塑性臨界值，說(shuō)明此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，說(shuō)明在位錯(cuò)量為1.0 m 時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)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(cuò)下隧道損傷部位及最大值統(tǒng)計(jì)分析表Table 3 Statistic and analytical table of liner damage under different dislocation

4 相同間距不同位錯(cuò)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(cuò)量情形下斷層錯(cuò)動(dòng)造成的隧道結(jié)構(gòu)的變形與受力規(guī)律。斷層位錯(cuò)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(cuò)量分別為0.2、0.8 m 時(shí)因斷層錯(cuò)動(dòng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向相對(duì)位移云圖。由圖中可以看出，隨著位錯(cuò)量的增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)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(dòng)。

圖7 不同位錯(cuò)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(jì)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(duì)位移值，由表中可以看出，當(dāng)位錯(cuò)量為0.2 m 時(shí)，隧道最大值集中于拱頂處；隨著位錯(cuò)量由0.2 m 增加到1.0 m 時(shí)，隧道豎向位移最大值由拱頂轉(zhuǎn)移到右拱腰處。同時(shí)，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?yàn)橛夜把鼮榭拷鼣鄬悠扑閹б粋?cè)，逆斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)兩盤(pán)沿著斷層面產(chǎn)生擠壓作用，且隧道圍巖較堅(jiān)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(duì)位移。

表4 不同位錯(cuò)量下隧道襯砌豎向位移統(tǒng)計(jì)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(cuò)量0.8 m，隧道與斷層破碎帶間距為20 m 時(shí)，因斷層錯(cuò)動(dòng)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(shí)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(shuō)明此時(shí)隧道是處于破壞狀態(tài)。

圖8 位錯(cuò)量為0.8 m時(shí)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(cuò)動(dòng)下位錯(cuò)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(jì)分析表。從表中可以看出，隨著斷層位錯(cuò)量的增加隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷越大，斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道造成的破壞也越嚴(yán)重。當(dāng)位錯(cuò)量為0.2 m 時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)還未產(chǎn)生損傷區(qū)域；位錯(cuò)量為0.4 m 時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)損傷；位錯(cuò)量超過(guò)0.4 m 時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的受拉、壓損傷值急劇增大，但在位錯(cuò)量為0.4 m 和0.6 m 時(shí)均未達(dá)到混凝土塑性損傷極限值，所以認(rèn)為此時(shí)的隧道結(jié)構(gòu)是處于安全狀態(tài)；位錯(cuò)量達(dá)到0.8 m 時(shí)，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(shí)隧道結(jié)構(gòu)遭到破壞。說(shuō)明在隧道與斷層破碎帶間距為20 m 時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的臨界位錯(cuò)量為0.8 m。

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

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)逆斷層錯(cuò)動(dòng)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(cuò)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(cuò)動(dòng)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(cuò)動(dòng)對(duì)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(shí)，隨著斷層位錯(cuò)量的增加，受到逆斷層錯(cuò)動(dòng)影響產(chǎn)生的豎向位移和損傷值均增大。發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷破壞的臨界位錯(cuò)量為0.8 m。

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