不同隧道斜穿斷層角度下襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)演化規(guī)律分析

趙樹林 張超翔 張志強(qiáng)

地鐵建設(shè)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(shù)值模型，分析了不同隧道斜穿斷層角度對襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)演化規(guī)律的影響，獲得了20°、30°、40°、50°交角斷層錯動下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、應(yīng)力規(guī)律以及塑性區(qū)分布規(guī)律，為相關(guān)工程提供了理論依據(jù)。

隧道； 斷層； 斜穿角度； 襯砌結(jié)構(gòu)； 力學(xué)演化規(guī)律

U455.91 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金項目］高鐵聯(lián)合基金項目（項目編號：U1934213）；國家自然科學(xué)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(jìn)入21世紀(jì)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(tǒng)。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(gòu)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(fā)生位錯的斷層，穿越活動斷層地鐵隧道結(jié)構(gòu)在粘滑錯動下在縱向產(chǎn)生較大的變形，襯砌結(jié)構(gòu)受到拉壓和彎剪等復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，斷層面處產(chǎn)生開裂、錯臺、剝落、裂縫等嚴(yán)重的破壞形態(tài)，其他位置也產(chǎn)生不同程度的破壞形態(tài)，對于小交角斜穿活動的地鐵隧道，襯砌結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、軌道不平順等破壞形態(tài)。目前國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究：宋惠珍、蘇生瑞等［1-2］通過數(shù)值分析理論推導(dǎo)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(yīng)力發(fā)展規(guī)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(yīng)規(guī)律，探明了埋地管線縱向變形規(guī)律和受力特征；鄧亮等［5］采用損傷理論探明了列車循環(huán)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(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)產(chǎn)生不同的影響。因此，本文采用數(shù)值模擬的手段來研究活動斷層錯動下襯砌結(jié)構(gòu)變形及力學(xué)行為。

1 計算模型及參數(shù)選取

烏魯木齊軌道交通4號線為中心城內(nèi)東西向的骨干線，線路全長29.45 km，共設(shè)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(dá)弧形推覆構(gòu)造西段內(nèi)部的反沖斷層，發(fā)育在侏羅系內(nèi)。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(zhì)。穿越碗窯溝斷層區(qū)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(nèi)，綜合圍巖分級為V級。

圍巖采用相關(guān)聯(lián)流動的D-P屈服準(zhǔn)則，并考慮圍巖加固區(qū)對粘聚力和內(nèi)摩擦角的提高，加固區(qū)彈性模量、粘聚力按照提高20%～30%考慮。隧道結(jié)構(gòu)采用Solid65單元，采用MISO定義混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使用TB，CONCR定義混凝土抗拉極限強(qiáng)度。圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的的物理力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。

交角的存在會對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力狀態(tài)產(chǎn)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(jié)構(gòu)的影響規(guī)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(jié)構(gòu)模型，并在上盤底部施加強(qiáng)制位移進(jìn)行求解計算，斷層傾角、材料參數(shù)、接觸參數(shù)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?qū)挾热?0 m，高度取43.6 m，隧道拱頂?shù)降孛嫒?5 m。隧道采用復(fù)合式襯砌，接觸面采用擴(kuò)展拉格朗日法計算，其中，斷層上下盤接觸面接觸行為設(shè)定為可滑動但不分離模式，以還原斷層面上的錯動力學(xué)行為；初支與圍巖接觸面接觸行為設(shè)定為可分離模式（圖2）。

2 計算結(jié)果分析

2.1 變形分析

錯距50 cm時不同交角的襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲形變以適應(yīng)錯動位移。隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了縱向彎曲變形。

斜交角度對襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)豎向變形受影響范圍為-80～55 m；交角50°時，襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兩側(cè)拱腳橫向變形曲線。由圖可知，斷層錯動不僅引起襯砌結(jié)構(gòu)縱向變形，還出現(xiàn)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(fā)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(fā)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(yīng)規(guī)律分析

不同斜交角度下襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)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(yīng)力比較集中，下盤仰拱和墻腳部分的拉應(yīng)力比較集中。隨著交角的增大，襯砌結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值分別為24.6 MPa、24.7 MPa、24.7 MPa、25.1 MPa?？梢?，隨著交角的增大，第一主應(yīng)力增大。

為具體分析襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力的變化規(guī)律，提取襯砌結(jié)構(gòu)拱頂和仰拱的第一主應(yīng)力，繪制如圖6所示的第一主應(yīng)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?shù)牡谝恢鲬?yīng)力分別為18.89 MPa、19.37 MPa、19.88 MPa、21.88 MPa，交角越大，第一主應(yīng)力越大。

圖7為襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力變化圖。由圖7可知，仰拱結(jié)構(gòu)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(yīng)力影響較小。拱頂?shù)谌鲬?yīng)力的分布范圍為-15.0～70.0 m。隧道交角增大，第三主應(yīng)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(jié)構(gòu)等效塑性云圖，由圖8可知，襯砌結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)主要在上盤仰拱到墻腳區(qū)域和下盤拱頂?shù)焦把鼌^(qū)域。隨著交角從20°增大到40°過程中，塑性區(qū)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(jié)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(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生縱向變形，還出現(xiàn)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(jié)構(gòu)拉應(yīng)力響應(yīng)最大值越大，縱向受影響范圍略微減小，且受壓應(yīng)力分布規(guī)

律與受拉基本相同。

參考文獻(xiàn)

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

［2］ 蘇生瑞， 朱合華， 王士天， 等. 斷裂物理力學(xué)性質(zhì)對其附近地應(yīng)力場的影響［J］. 西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)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(xué)， 2011，28（12）：98-104.

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

［5］ 鄧亮， 鄭欣. 基于損傷理論的隧道襯砌結(jié)構(gòu)動力破壞模式研究［J］. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2018，14（4）：213-6.