基于Abaqus 對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)下高速鐵路隧道襯砌受力變形模擬研究

嚴(yán)申華YAN Shen-hua；鄒嘉煒ZOU Jia-wei；陳美鵬CHEN Mei-peng；萬(wàn)進(jìn)明WAN Jin-ming；徐振揚(yáng)XU Zhen-yang；付寧FU Ning；鄭春銘ZHENG Chun-ming；宋飛SONG Fei；李海潮LI Hai-chao；周青ZHOU Qing；蘭福東LAN Fu-dong；李志LI Zhi；黃天煒HUANG Tian-wei；鄒紅湘ZOU Hong-xiang；林穎典LIN Ying-dian

（①中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，杭州 310009；②中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043；③中鐵上海工程局有限公司，上海 200001；④中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024；⑤浙江大學(xué)海洋學(xué)院，杭州 310058；⑥浙江卡浦樂(lè)爾混凝土技術(shù)有限公司，杭州 310015）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路、高速公路、城市地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施的大量興建，隧道等地下工程常常需要穿越活動(dòng)斷層?；顒?dòng)斷層的存在會(huì)引起地層產(chǎn)生變形及錯(cuò)位，這將引起隧道產(chǎn)生過(guò)大變形、錯(cuò)位甚至局部坍塌等災(zāi)害[1-2]。在隧道線路選址時(shí)一般應(yīng)盡量避免線路接近或穿越活動(dòng)斷層。然而，實(shí)際工程中，考慮到經(jīng)濟(jì)性、線路走向等因素的限制，仍有很多隧道需要修建在斷層附近甚至穿越斷層。因此，研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力變形特性及安全性等的影響具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。

斷層錯(cuò)動(dòng)是導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞的最主要原因[3-6]。目前對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形的影響主要采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種手段進(jìn)行研究。Shahidi[7]對(duì)比分析了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下Koohrangs 三號(hào)隧道的二次襯砌減錯(cuò)縫的設(shè)置效果。熊煒[8]借助于商業(yè)有限元分析軟件Marc 軟件探究了正斷層活動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)的受力與變形變化機(jī)制，探討了斷層位錯(cuò)量、傾角以及隧道結(jié)構(gòu)埋深等對(duì)其的影響，歸納得出襯砌的破壞模式。唐曉杰[9]借助于Flac 軟件模擬分析了不同施工工法下地鐵隧道穿越斷層破碎帶時(shí)圍巖的變形情況，探討了注漿加固對(duì)不同工法下斷層破碎帶變形的影響及控制效果。甘星球[10]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了斷層錯(cuò)動(dòng)和地震共同作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，探討了斷層滑移量與地震波輸入方向?qū)σr砌微裂縫產(chǎn)生量、襯砌受力變形的影響規(guī)律。

為進(jìn)一步揭示斷層錯(cuò)動(dòng)下鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，采用數(shù)值分析方法研究斷層錯(cuò)動(dòng)下杭溫鐵路區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)制，探討斷層位移、傾角、破碎帶寬度以及隧道埋深、襯砌厚度等對(duì)隧道襯砌變形和破壞的影響。所得結(jié)論對(duì)鐵路隧道穿越斷層破碎帶時(shí)隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考和依據(jù)。

1 依托工程概論

杭溫鐵路二期工程木匪嶺隧道橫穿浙江省桐廬縣、浦江縣兩地，隧道洞身穿越地層巖性為侏羅系黃尖組J3h 凝灰?guī)r。該隧道共穿越5 條斷層帶和11 條節(jié)理密集帶，斷層與線路夾角約為34°～68°，視傾角為76°～84°。破碎帶內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖芯多為碎塊狀、角礫狀。隧道區(qū)內(nèi)的地下水較發(fā)育，主要為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。整個(gè)隧道高低溫地應(yīng)力變化大，存在巖體破碎、巖爆、坍塌、淺埋突水等施工風(fēng)險(xiǎn)。

隧道設(shè)計(jì)采用單洞雙線隧道方案，斷面形狀為馬蹄形，凈寬×凈高=14.86m×12.74m，采用由初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌方案。設(shè)計(jì)行車速度為350km/h。隧洞全長(zhǎng)10240.34m，最大埋深200 多米，為杭溫鐵路最長(zhǎng)隧道。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，選取IV 級(jí)圍巖進(jìn)行模擬。根據(jù)圣維南原理，當(dāng)模型尺寸足夠大，例如模型邊界至隧道邊緣的最小距離超過(guò)隧道半徑3 倍時(shí)，可以忽略計(jì)算模型邊界截?cái)鄬?duì)計(jì)算結(jié)果的影響。因此，根據(jù)隧道洞徑的大小，設(shè)置模型的長(zhǎng)、寬和高分別為150m、90m 和80m。隧道埋深取50m，最大開(kāi)挖洞徑為13.3m?？紤]到斷層破碎帶的影響，在計(jì)算模型長(zhǎng)度方向設(shè)置與隧道走向夾角為71°、寬度為12m、視傾角為80°的斷層破碎帶。計(jì)算模型頂部設(shè)為自由邊界，側(cè)面設(shè)為水平向約束，底部設(shè)為豎直約束。鐵路隧道整體計(jì)算數(shù)值分析模型如圖1 所示。

圖1 鐵路隧道整體計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

在進(jìn)行模擬時(shí)，隧道圍巖及斷層破碎帶巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性模型，襯砌采用彈性模型。計(jì)算時(shí)，只考慮自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)作用；考慮不同介質(zhì)之間存在相對(duì)滑動(dòng)，在襯砌管片與圍巖以及斷層破碎帶與圍巖之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.4。其中，襯砌管片之間以及管片與圍巖之間為可分離的硬接觸，而斷層破碎帶之間設(shè)置為不可分離的硬接觸。

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程

具體開(kāi)挖模擬過(guò)程分四步：第一步：施加初始地應(yīng)力；第二步：通過(guò)單元生死實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖隧道；第三步：激活單元實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)的施加；第四步：在隧道斷層上、下盤的邊界上施加相反方向的位移以實(shí)現(xiàn)斷層錯(cuò)動(dòng)作用的模擬。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖2 給出了斷層破碎帶寬度為12m、位錯(cuò)量分別為0.1、0.3 和0.6m 時(shí)地表豎向位移沿隧道走向的變化情況。從圖中可看出：在一定的斷層位錯(cuò)量下，斷層上、下盤的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致地表豎向位移沿著隧道走向從0 逐漸增大到峰值后，然而急劇下降到最小值后又沿著隧道走向逐漸趨于0。不同位錯(cuò)量下地表豎向位移沿隧道走向的變化趨勢(shì)相同，但位移峰值不同。位錯(cuò)量越大，位移峰值越大。從圖中還可以看出，地表豎向位移峰值所處位置基本不變，且豎向位移起伏變化范圍約為50m，近似等于4 倍斷層破碎帶寬度范圍。這是由于平均位錯(cuò)量越大，斷層上下盤錯(cuò)動(dòng)的能量也越大，地表豎向位移也相應(yīng)增大。

圖3 和圖4 給出了斷層破碎帶寬度為12m、位錯(cuò)量分別為0.1、0.3 和0.6m 時(shí)襯砌拱腰最大和最小主應(yīng)力沿隧道走向的變化情況。從圖中可看出：隧道襯砌左、右拱腰處的最大主應(yīng)力均為正值（拉力），最小主應(yīng)力均為負(fù)值（壓力）；對(duì)于某一給定的位錯(cuò)量下，隧道襯砌拱腰處的最大和最小主應(yīng)力沿著隧道走向從某一值逐漸增大/減小到峰值后再逐漸減小/增大到初始值附近。對(duì)于不同的斷層位錯(cuò)量，最大和最小主應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同，但峰值卻隨著斷層位錯(cuò)量的增大而增大。從圖中還可看出，最大和最小主應(yīng)力出現(xiàn)的位置基本相同。對(duì)于左拱腰，不同位錯(cuò)量下最大主應(yīng)力值在距離模型后端1 倍斷層破碎帶寬度處達(dá)到最大值，而最小主應(yīng)力峰值在模型前端1 倍斷層破碎帶寬度處出現(xiàn)峰值；對(duì)于右拱腰，峰值出現(xiàn)規(guī)律恰好相反。

圖4 不同位錯(cuò)量下襯砌拱腰最小主應(yīng)力沿隧道走向的變化情況

4 結(jié)論

本文以某高速鐵路區(qū)間隧道為研究對(duì)象，針對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)以及斷層寬度和傾角下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，研究了不同斷層位錯(cuò)量、斷層寬度及傾角下襯砌結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化規(guī)律，可知：

①斷層破碎帶附近隧道管片由于斷層上下盤的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致襯砌管片的彎矩、應(yīng)力和豎向位移變化都會(huì)發(fā)生激烈波動(dòng)，此處極易產(chǎn)生拉扭彎矩而發(fā)生破壞現(xiàn)象。

②斷層上、下盤相對(duì)位錯(cuò)量越大，其錯(cuò)動(dòng)能量也越大，導(dǎo)致地表豎向位移峰值越大，其影響范圍約為4 倍斷層破碎帶寬度范圍。

③不同的斷層位錯(cuò)量導(dǎo)致襯砌拱腰處的最大和最小主應(yīng)力沿隧道走向的變化趨勢(shì)相同，但其峰值卻隨著斷層位錯(cuò)量的增大而增大。最大和最小主應(yīng)力出現(xiàn)的位置基本相同，均在斷層破碎帶與圍巖交界面處。