不同斷層錯動因素對隧道影響研究分析

山嶺隧道穿越活動斷層時，斷層錯動對隧道造成較大影響。通過數(shù)值模擬，研究分析不同斷層錯動因素對隧道的影響，主要包括斷層錯動速度、斷層破碎帶寬度以及斷層錯動傾角。研究表明斷層錯動速度對隧道影響取決于斷層錯動量；斷層寬度成倍增加時，斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)影響不是正比例增加，但是會是線性增加。修建隧道時應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。

山嶺隧道； 活動斷層； 斷層錯動； 錯動因素； 數(shù)值模擬

U452.2+7A

巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程

［定稿日期］2023-02-28

［作者簡介］何永輝（1990—），男，碩士，工程師，主要從事地下抗減震以及地下工程設(shè)計工作。

0" 引言

在我國西南地區(qū)，高速公路、鐵路作為主要連接外界通道的工具，不可避免地要穿越山嶺，而隧道作為一種有效的穿越山嶺的通道。人們對穿越活動斷層和強(qiáng)震區(qū)的隧道的抗震性能，在很長的一段時間內(nèi)，沒有給予高度重視。直到1995年，日本阪神發(fā)生了7.3級的地震，該地震由斷層的活動引起，屬于上下震動型的強(qiáng)烈地震，地震造成了大量的地下結(jié)構(gòu)破壞。這與學(xué)者們對地下結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的認(rèn)知相反。自此，人們開始逐步加強(qiáng)對地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計的重視［1-3］。

大量的震害調(diào)查結(jié)果表明，活動斷層的突發(fā)性錯動是引發(fā)地震的主要根源［4］。 這主要是活動斷層錯動時，會引發(fā)地表破裂、地面震動和次生地質(zhì)災(zāi)害?？偟膩碚f，地震破壞主要分為兩類：一是地面振動使得地面建筑物與地下構(gòu)造物遭受破壞；二是活動斷層兩盤的巖體錯動，引起地面建筑物和地下構(gòu)造物的破壞［5］。對于我國西南地區(qū)而言，山嶺隧道穿越活動斷層是不可避免的，如何確保山嶺隧道穿越活動斷層后仍然保證正常工作狀態(tài)，是學(xué)術(shù)界的困難課題。斷層錯動因素對隧道影響的研究也處于探索階段。

本文主要從斷層錯動速度、斷層破碎帶寬度以及斷層錯動傾角出發(fā)，通過數(shù)值模擬，研究分析不同斷層錯動因素對隧道影響分析。

1" 模型建立以及計算參數(shù)選取

根據(jù)已有資料的分析可知，隧道受活斷層錯動的影響的因素主要有：錯動速度，斷層破碎帶寬度，斷層破碎帶與隧道的相交角度。下面進(jìn)行數(shù)值建模分析。在上下盤與斷層交界面處設(shè)置接觸面，模擬上、下盤與斷層破碎帶之間的相對錯動。模型尺寸為120 m×110 m×100（180） m（橫向長×高×縱向長），見圖1。

（a）模型整體示意

（b）斷層錯動面示意

取斷層破碎帶的圍巖為V級圍巖，斷層兩側(cè)的圍巖為IV級圍巖。本文選擇IV，V圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表1，襯砌的混凝土物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2" 不同的斷層錯動速度下斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

根據(jù)丁國瑜、周榮軍、趙穎等［6-8］的研究斷層錯動速度

對隧道結(jié)構(gòu)的受力有影響。為了研究分析在不同的斷層錯動速度下，對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響，本文分別對斷層破碎帶寬度為10 m的施加錯動速度為0.04 m/s、0.1 m/s、0.25 m/s、0.4 m/s、1.0 m/s，見表3，進(jìn)行斷層錯動分析，最終的錯動量

為0.3 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，拱頂和拱腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大。本文主要選擇拱頂最大主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力進(jìn)行分析（圖2）。

2.1" 隧道結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力縱向分析

（a）拱頂最大主應(yīng)力""" （b）拱頂最大剪切應(yīng)力

由圖2可以看出當(dāng)斷層錯動速度為1.0 m/s時，隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為64.5 MPa，出現(xiàn)距離在隧道與斷層交界面位移上盤一側(cè)10 m處；隧道結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力為43.5 MPa，出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位移下盤一側(cè)，而且最大剪切應(yīng)力在距離隧道與斷層交界面位移上盤一側(cè)10 m處出現(xiàn)二次峰值，約為32.0 MPa。同時選擇拱腳應(yīng)力沿隧道縱向的變化進(jìn)行研究分析（圖3）。

（a）拱腳最大主應(yīng)力""" （b）拱腳最大剪切應(yīng)力

2.2" 隧道結(jié)構(gòu)拱腳應(yīng)力縱向分析

由圖3可以看出當(dāng)斷層錯動速度為1.0 m/s時，隧道結(jié)構(gòu)拱腳最大的主應(yīng)力為87.0 MPa，出現(xiàn)距離在斷層與隧道交界面右側(cè)處；隧道結(jié)構(gòu)拱腳最小主應(yīng)力為83.5 MPa，出現(xiàn)在斷層與隧道交界面右側(cè)處；隧道結(jié)構(gòu)拱腳最大剪切應(yīng)力為52.5 MPa，出現(xiàn)在斷層斷層破碎帶中間處，約為83.5 MPa。

由圖2和圖3可知，拱頂和拱腳最大主應(yīng)力沿縱向變化的趨勢基本一致。但是兩者出現(xiàn)在斷層不同的位置處。拱頂和拱腳最大剪切應(yīng)力沿縱向變化的分布形態(tài)不一樣。與斷層交界面兩處附近均出現(xiàn)應(yīng)力突變，其中最大值出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位于下盤一側(cè)處。與此同時，拱腳的最大剪切應(yīng)力在斷層破碎帶中間處達(dá)到最大值。由上述分析可以看出，當(dāng)斷層錯動速度不同，斷層錯動量相等的情況下，隧道結(jié)構(gòu)的受力有所變化，基本趨勢是隨著斷層的錯動速度的增加，隧道結(jié)構(gòu)的受力逐漸增大，但增大的幅度不大。這間接表明了，斷層錯動量是隧道結(jié)構(gòu)受力的主要控制因素之一。斷層錯動的主要影響范圍為斷層破碎帶兩側(cè)10 m以內(nèi)。

巖土工程與地下工程何永輝， 王春森： 不同斷層錯動因素對隧道影響研究分析

3" 不同斷層寬度下斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

模型尺寸為120 m×110 m×100 m，參數(shù)見表4。選擇斷層傾角為90°，斷層破碎帶寬度為2 m、10 m、20 m，上盤為固定盤，下盤為活動盤，下盤沿垂直方向錯動0.3 m。

選擇隧道結(jié)構(gòu)拱頂和拱腳進(jìn)行分析：

由圖4可以看出隨著斷層寬度的增加，拱頂?shù)膽?yīng)力基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。工況1，拱頂最大主應(yīng)力為10.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)3 m以內(nèi)；工況2，拱頂最大主應(yīng)力為15.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)5 m以內(nèi)；工況3，拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為60.0 MPa，影響范圍為上盤距離斷層破碎帶一側(cè)的18 m以內(nèi)，下盤距離斷層破碎帶一側(cè)10 m以內(nèi)。

（a）拱頂最大主應(yīng)力""" （b）拱頂最大剪切應(yīng)力

工況1，拱頂最大剪切應(yīng)力為15.5 MPa，影響范圍為影響范圍為斷層兩側(cè)的8 m以內(nèi)；工況2，拱頂最大剪切應(yīng)力為25.5 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)的16 m以內(nèi)；斷層寬度為20 m時，拱頂?shù)淖罴羟兄鲬?yīng)力為50.0 MPa，出現(xiàn)兩個峰值，影響范圍是上盤距離斷層破碎帶一側(cè)的22 m以內(nèi)，下盤距離斷層破碎帶一側(cè)的15 m以內(nèi)，其應(yīng)力分布在隧道與斷層交界面兩處出現(xiàn)最大值。相對于工況1拱頂?shù)淖畲蠹羟袘?yīng)力，工況2寬度增加5倍，對應(yīng)的最剪切主應(yīng)力增加了64.5%，工況3寬度增加10倍，對應(yīng)的拱頂最大剪切應(yīng)力增加了222.6%。將上述工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大和最小主應(yīng)力匯總，見表5，影響范圍以斷層錯對面處起算。

4" 不同斷層傾角下斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

本節(jié)選擇三種不同斷層傾角的模型進(jìn)行計算。由上一節(jié)可以知道，在其他條件相同情況下，斷層寬度越大斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力越大。因此本節(jié)中選擇斷層寬度為20 m，斷層傾角分別為45°、75°、90°的三種情況。設(shè)置錯動條件為：下盤錯動速度為0.1 m/s ，錯動時間為3.0 s，總的錯動量為0.3 m，數(shù)值計算模型見表6。

本節(jié)選擇拱頂、拱腳應(yīng)力沿隧道縱向的變化進(jìn)行分析（圖5）。

（a）拱頂最大主應(yīng)力""""" （b）拱頂最大剪切應(yīng)力

4.1" 隧道結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力縱向分析

由圖5可以看出隨著斷層傾角的增加，拱頂?shù)膽?yīng)力基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。斷層為45°時，拱頂最大主應(yīng)力為38.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)8 m以內(nèi)；斷層傾角為75°時，拱頂最大主應(yīng)力為52.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)9 m以內(nèi)；斷層傾角為90°時，拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為60.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)12 m以內(nèi)。

斷層為45°時，拱頂最大剪切應(yīng)力為25.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)13 m以內(nèi)；斷層傾角為75°時，拱頂最大剪切應(yīng)力為45.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)16 m以內(nèi)；斷層傾角為90°時，拱頂?shù)淖畲蠹羟袘?yīng)力為53.0 MPa，影響范圍為斷層兩側(cè)20 m以內(nèi)。

由上述分析可知，斷層傾角越大，拱頂應(yīng)力受到的影響越大。拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位于上盤一側(cè)處，最大剪切應(yīng)力在斷層兩側(cè)附近出現(xiàn)兩個峰值。拱頂受力的影響范圍主要在隧道與斷層交界面附近的10 m以內(nèi)。

將上述不同傾角斷層錯動下的隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲?、最小主?yīng)力匯總，見表7影響范圍以斷層破碎帶處起算。同理，將拱腳的最大、最小主應(yīng)力匯總，見表8。

4.2" 塑性區(qū)的變化

為了研究在隧道穿越斷層破碎帶的傾角不同時，對隧道周圍圍巖造成的破壞情況，斷層錯動時的圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行分析，見圖6。

由圖6可以看出，斷層破碎帶寬度相同，下盤錯動量相同的情況下，斷層與水平面夾角越小，斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大，影響范圍也越大。這主要時斷層錯動時，隧道結(jié)構(gòu)會受到較大的剪切、擠壓以及拉伸作用。因此在修建隧道時應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。

5" 結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬分析斷層錯動速度、斷層寬度和斷層傾角這三種不同斷層錯動因素對隧道的內(nèi)力影響，及其影響范圍，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在錯動位移相同的情況下，斷層錯動速度對隧道的受力影響基本一致，表明斷層錯動位移對隧道影響大于斷層錯動速度對隧道的影響。斷層錯動對隧道的影響范圍與斷層破碎帶有關(guān)。

（2）斷層寬度成倍增加時，斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)影響不是正比例增加，但是會是線性增加。而且在V級圍巖下，斷層寬度不大于2 m，斷層錯動影響的范圍不大于3 m；斷層寬度大于2 m小于等于10 m，斷層錯動影響的范圍大于3 m小于等于8 m；斷層寬度大于10 m小于等于20 m，斷層錯動影響的范圍大于8 m小于等于10 m。

（3）斷層破碎帶寬度相同，下盤錯動量相同的情況下，斷層與水平面夾角越小，斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大，影響范圍也越大。因此在修建隧道時應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。

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