跨活斷層公路隧道損傷規(guī)律研究

摘 要：【目的】斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的安全運(yùn)營(yíng)往往會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此需要探究活斷層走滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的損傷特性?！痉椒ā勘狙芯恳阅晨缁顢鄬庸匪淼罏楸尘?，建立三維彈塑性有限元模型，分析不同斷層錯(cuò)動(dòng)量及不同隧道斷層交角下二襯的損傷規(guī)律?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明：二襯的軸向應(yīng)變隨錯(cuò)動(dòng)量的增大而增大，主要表現(xiàn)為隨著穿越角度的減小，軸向應(yīng)變逐漸由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，與斷層角度走向一致；二襯的拉伸壓縮損傷隨錯(cuò)動(dòng)量的增大而增大，拉伸損傷沿隧道環(huán)向發(fā)展，壓縮損傷主要分布于隧道拱頂和仰拱處，隨著穿越角度的減小，二襯的拉伸損傷的程度和范圍減小，二襯的壓縮損傷區(qū)域從拱頂和仰拱處向隧道兩側(cè)邊墻處發(fā)展，并在最后完全貫通?！窘Y(jié)論】本研究可為跨活斷層隧道工程的建設(shè)提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程；走滑斷層；破碎帶；襯砌損傷；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U451? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）10-0059-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.012

Abstract： [Purposes] Fault dislocation often has an important impact on the safe operation of tunnel，so it is necessary? to explore the damage characteristics of tunnel caused by the strike-slip dislocation of an active fault. [Methods] This study took a highway tunnel spanning an active fault as the background， established a three-dimensional elastic-plastic finite element model， and analyzed the damage law of the secondary lining under different fault dynamics and different tunnel fault intersection angles. [Findings] The results show that the axial strain of the secondary lining increases with the increase of dislocation momentum， which is mainly manifested as a gradual shift from tensile strain to compressive strain as the crossing angle decreases， and is consistent with the direction of the fault angle; the tensile compression damage of the second lining increases with the increase of displacement， and the tensile damage develops along the tunnel circumference. The compression damage is mainly distributed at the tunnel arch and inverted arch. As the crossing angle decreases， the degree and scope of the tensile damage of the second lining decrease. The compression damage area of the second lining develops from the arch and inverted arch to the side walls of the tunnel， and finally fully penetrates. [Conclusions] This study can provide some theoretical reference for the construction of cross-active fault tunnel engineering.

Keywords： tunnel engineering; strike-slip fault; fracture zone; lining damage; numerical simulation

0 引言

活動(dòng)斷層是隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)，隨著我國(guó)公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，大量公路隧道被規(guī)劃、興建，大量隧道將不可避免地穿越活動(dòng)斷層，斷層錯(cuò)動(dòng)會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉壓損傷、剪切破壞、錯(cuò)臺(tái)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生坍塌［1］。因此，開(kāi)展跨活斷層隧道損傷規(guī)律的研究具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道襯砌損傷機(jī)制及損傷規(guī)律開(kāi)展了大量研究工作。Lin等［2］依托室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了逆斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中盾構(gòu)隧道管片的變形情況及破壞特征。Sabagh等［3］進(jìn)行了1 g離心機(jī)模型試驗(yàn)，結(jié)果顯示正斷層斷裂會(huì)引起較大的集中沉降，并對(duì)隧道造成較為嚴(yán)重的破壞。馬亞麗娜等［4］將離散—連續(xù)耦合法引入跨活動(dòng)斷層隧道錯(cuò)斷破碎機(jī)制研究中，探討了在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，圍巖破碎特征和隧道襯砌的位移變化和內(nèi)力分布。汪振等［5］在正斷層斷裂數(shù)值模擬過(guò)程中運(yùn)用了斷裂力學(xué)的粘單元，分析了不同錯(cuò)動(dòng)量和不同斷層傾角對(duì)襯砌損傷的影響規(guī)律。孫飛等［6］依托室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)正斷層錯(cuò)動(dòng)作用下地鐵盾構(gòu)管片與圍巖直接的相互作用機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在正斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中上盤(pán)隧道的仰拱位置出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

綜上所述，既有研究成果多基于正斷層或逆斷層開(kāi)展，而基于走滑斷層的研究較少。鑒于此，本研究依托某跨走滑斷層公路隧道，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，基于混凝土塑性損傷本構(gòu)，建立三維彈塑性有限元數(shù)值模型，以斷層錯(cuò)動(dòng)量、隧道與斷層交角為分析變量，研究斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道結(jié)構(gòu)的塑性損傷規(guī)律，以期為跨活斷層隧道的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型分析

以某實(shí)際公路隧道為研究背景，隧道采用鉆爆法施工，襯砌體系由初期支護(hù)和二次襯砌組成。初期支護(hù)厚0.25 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，二次襯砌厚0.60 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，隧道橫斷面輪廓如圖1所示。隧道近出口段穿越活動(dòng)斷層，斷層寬度為415 m，據(jù)GPS最新觀測(cè)結(jié)果顯示，該活動(dòng)斷層以右旋走滑活動(dòng)為主，100 a錯(cuò)動(dòng)距離200～300 mm。

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立非線性有限元模型如圖2所示。模擬中，簡(jiǎn)單假設(shè)巖體和斷層破碎帶均質(zhì)性良好，材料性質(zhì)保持不變，完整巖體和破碎帶本構(gòu)均為Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，巖石物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50218—2014）［7］選取，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

ABAQUS中的混凝土塑性損傷本構(gòu)（CDP Model）能夠反映混凝土材料在塑性階段的拉裂和壓碎現(xiàn)象，故本模擬中襯砌本構(gòu)采用CDP模型。

襯砌混凝土彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［8］定義，具體參數(shù)見(jiàn)表2。初支與周?chē)鷰r體采用ABAQUS中的綁定約束；初期支護(hù)和二次襯砌、斷層滑動(dòng)面設(shè)置為摩擦接觸。

2 斷層錯(cuò)動(dòng)量對(duì)隧道襯砌損傷規(guī)律影響分析

斷層的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)過(guò)程也是能量釋放的過(guò)程，伴隨錯(cuò)動(dòng)量的增大，能量釋放不斷增大，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的破壞程度越大。選取斷層傾角90°工況為基本分析模型，探討在不同錯(cuò)動(dòng)量Δ下隧道襯砌軸向應(yīng)變、拉壓損傷及襯砌全斷面損傷縱向分布規(guī)律，斷層錯(cuò)動(dòng)量分別取5 cm、10 cm、20 cm、30 cm。

不同錯(cuò)動(dòng)量Δ作用下的隧道襯砌軸向應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，圖3中正值表示拉應(yīng)變，而負(fù)值表示壓應(yīng)變。由此可知，走滑斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道襯砌沿軸向以受拉為主，最大拉伸應(yīng)變集中于錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)的邊墻處，與斷層傾角方向一致，且隨斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加，拉伸應(yīng)變也隨之增大，表明斷層面兩側(cè)邊墻處隧道襯砌受到了強(qiáng)烈的拉伸作用。

不同錯(cuò)動(dòng)量下隧道二襯的拉伸損傷如圖4所示，由圖4可知，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量Δ=5 cm時(shí)，二襯首先在斷層錯(cuò)動(dòng)面處的右邊墻上出現(xiàn)豎向拉伸損傷，隨著錯(cuò)動(dòng)量的增加，二襯受拉損傷逐漸向斷層面的兩側(cè)發(fā)展，表現(xiàn)為活動(dòng)盤(pán)中二襯右側(cè)邊墻產(chǎn)生拉伸損傷，破碎帶區(qū)域二襯左側(cè)邊墻產(chǎn)生拉伸損傷。這表明隧道在90°穿越走滑斷層過(guò)程中，隧道二襯的受拉損傷主要分布在斷層錯(cuò)動(dòng)面處及斷層錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)的邊墻處，且沿隧道環(huán)向發(fā)展。

不同斷層錯(cuò)動(dòng)量下隧道二襯的壓縮損傷如圖5所示，由圖5可知，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量Δ=5 cm時(shí)，二襯首先在斷層錯(cuò)動(dòng)面處的拱頂拱腰處開(kāi)始產(chǎn)生壓縮損傷，隨著錯(cuò)動(dòng)量的增加，拱頂與仰拱處的二襯受壓損傷的區(qū)域和程度逐漸發(fā)展；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量Δ=30 cm時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)面處的二襯拱頂和仰拱處均產(chǎn)生了嚴(yán)重的壓縮損傷，且壓縮損傷有向兩側(cè)邊墻處貫通的趨勢(shì)。表明隧道在90°穿越走滑斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中，二襯的受壓損傷主要分布在斷層錯(cuò)動(dòng)面附近的拱頂和仰拱處。

3 斷層交角對(duì)隧道襯砌損傷規(guī)律的影響分析

活動(dòng)斷層與隧道的交角是斷層的重要幾何特征，交角的不同會(huì)顯著影響隧道在錯(cuò)動(dòng)中的損傷特性。實(shí)際工程中，由于選線限制、區(qū)域地質(zhì)條件、施工成本等制約因素的影響，隧道往往會(huì)以不同角度穿越活動(dòng)走滑斷層。選取隧道與斷層交角分別為50°、60°、70°、80°和90°，分析隧道與斷層交角對(duì)右旋走滑斷層蠕滑錯(cuò)動(dòng)下隧道襯砌響應(yīng)的影響規(guī)律，斷層錯(cuò)動(dòng)量取100 a內(nèi)最大錯(cuò)動(dòng)距離30 cm。

不同斷層交角下隧道二襯的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。由圖6可知，當(dāng)隧道與斷層交角為90°與80°時(shí)，隧道襯砌沿軸向以受拉為主，最大拉伸應(yīng)變集中于錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)的邊墻處；隨著斷層交角的減小，軸向應(yīng)變逐漸由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，壓應(yīng)變主要分布于斷層面處，與斷層角度走向一致。這表明隨著隧道穿越角度的減小，隧道軸向應(yīng)變由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變。

隧道與不同斷層交角下隧道二襯的拉伸損傷如圖7所示。由圖7可知，各角度穿越時(shí)隧道的受拉損傷存在明顯差異，當(dāng)隧道與斷層交角為90°時(shí)，隧道由于受到較大的軸向拉應(yīng)力，故襯砌的拉伸損傷程度和范圍較嚴(yán)重，隨著隧道與斷層交角的變小，在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道會(huì)受到比較明顯的軸向壓應(yīng)力，從而減小了襯砌在斷層運(yùn)動(dòng)作用下拉伸損傷的程度和范圍，最大受拉損傷因子從90°穿越時(shí)的0.98減小至50°穿越時(shí)的0.72。

隧道與不同斷層交角下隧道二襯的壓縮損傷如圖8所示。由圖8可知，各角度穿越時(shí)襯砌的壓縮損傷因子峰值基本相近，最大損傷因子分布于拱頂和仰拱處，且隨著穿越角度變小，襯砌的壓縮損傷區(qū)域從拱頂和仰拱處向隧道兩側(cè)邊墻處發(fā)展，并在最后完全貫通。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)建立走滑斷層錯(cuò)動(dòng)的隧道三維有限元模型，討論不同斷層錯(cuò)動(dòng)量和不同穿越交角情況下隧道襯砌的損傷情況，揭示活動(dòng)斷層作用下隧道襯砌的損傷機(jī)理，得出以下結(jié)論。

①隧道二襯的軸向應(yīng)變隨錯(cuò)動(dòng)量的增加呈遞增趨勢(shì)，以拉應(yīng)變?yōu)橹?，且最大拉伸?yīng)變集中在斷層錯(cuò)動(dòng)面及兩側(cè)的邊墻處。

②二襯的拉伸壓縮損傷隨錯(cuò)動(dòng)量的增大而增大，二襯的受拉損傷主要分布在斷層錯(cuò)動(dòng)面處及斷層錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)的邊墻處，且沿隧道環(huán)向發(fā)展，二襯的壓縮損傷主要分布在斷層錯(cuò)動(dòng)面附近的拱頂和仰拱處。

③隨著穿越角度的減小，二襯軸向應(yīng)變逐漸由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，壓應(yīng)變主要分布于斷層面處，與斷層角度走向一致。

④隨穿越角度的減小，二襯的拉伸損傷的程度和范圍減小，二襯的壓縮損傷區(qū)域從拱頂和仰拱處向隧道兩側(cè)邊墻處發(fā)展，并在最后完全貫通。

參考文獻(xiàn)：

［1］何川，李林，張景，等.隧道穿越斷層破碎帶震害機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（3）：427-434.

［2］LIN M L，CHUNG C F，JENG F S， et al. The deformation of overburden soil induced by thrust faulting and its impact on underground tunnels［J］. Engineering Geology，2007，92（3/4）： 110-132.

［3］SABAGH M，GHALANDARZADEH A. Centrifugal modeling of continuous shallow tunnels at active normal faults intersection［J］. Transportation Geotechnics， 2020， 22：100325.

［4］馬亞麗娜，盛謙，崔臻，等.基于三維離散-連續(xù)耦合方法的跨活動(dòng)斷裂隧洞錯(cuò)斷破壞機(jī)制研究［J］巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（S2）：240-245.

［5］汪振，鐘紫藍(lán)，趙密，等.正斷型斷裂模擬及其對(duì)山嶺隧道影響研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（10）：1876-1884.

［6］孫飛，張志強(qiáng)，易志偉.正斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2019，40（9）：3037-3044，3053

［7］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50218—2014［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

［8］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010（2015年）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

收稿日期：2022-11-16

作者簡(jiǎn)介：陳斌輝（1985—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。