逆斷層錯動下淺埋地鐵隧道襯砌結構的反應特征

陶連金， 殷福鸞， 安 韶

(北京工業大學 城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

0 引 言

國內外學者對隧道穿越斷層方面做了較為詳細的研究。張偉喜等[2]針對活動正斷層黏滑錯動系統計算分析了整體式隧道襯砌結構縱向應變、主應力、裂縫和圍巖-初期支護附加接觸力等分布規律。趙寶平[3]針對不同斷層錯距分析逆斷層錯動作用下隧道襯砌受力與變形規律得出襯砌破壞形式。熊煒等[4]研究了斷層錯動量、斷層傾角、隧道埋深以及隧道與斷層的交角等因素對正斷層公路山嶺隧道襯砌受力變形的影響。趙伯明等[5]對跨斷層隧道在斷層發生錯動時的響應機理進行數值模擬，對比分析在不同斷層傾角、斷層寬度及圍巖條件下，隧道的位移響應、結構變形和襯砌內力變化規律，以及隧道結構的塑性區開展情況。孫飛等[6-7]通過數值模擬、變形監測和模型實驗方法，分析了斷層錯動下，正斷層塑性區分布規律、裂縫分布特征及隧道結構在斷層剪切錯動下的破壞范圍及破壞形態。焦鵬飛等[8]采用FLAC3D有限差分軟件,建立數值模型,分析由于地震引發的逆斷層錯動作用對正交穿越斷層隧道的影響,并揭示其影響機理。陳海亮等[9]以現場監測與數值模擬相結合的手段，對斷層寬度20 m、傾角70°,以及斷層寬度8 m、傾角65°的跨斷層隧道變形及破壞機理進行分析，探索了斷層錯動對跨斷層隧道的影響及破壞特征。從前人研究可以看出，深埋山嶺隧道襯砌受力變形方面已取得不少成果，但淺埋地鐵隧道跨活動斷裂方面的研究比較少。筆者在前人對斷層調查和研究基礎上，采用有限元軟件ABAQUS，考慮了斷層錯動距離和隧道埋深兩個影響因素，模擬分析斷層錯動作用下，兩種不同因素條件下隧道襯砌結構的受力與變形，以期為相關工程提供一定的指導。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵2號線某隧道區間大角度通過西山斷層北支，見圖1。該斷層形成于中更新世中晚期，最新活動時間為晚更新世晚期，屬晚更新世活動斷層，走向N45°～70°E，傾向N，傾角44°～ 83°，具逆沖性質。由于人類活動(如抽取地下水)和全新世構造應力的影響，目前，活動斷層每年的垂直速率達到1～5 mm/a。地質剖面見圖2。

圖1 西山斷層東段南北支示意

圖2 地質剖面

2 模型建立

2.1 計算方案

取斷層上下盤各100 m建立計算模型，模型包括斷層破碎帶、上盤、下盤、上覆土層和襯砌5個部分，均采用實體單元，其中斷層破碎帶為煤層。模型長×寬×高分別為252 m×68 m×60 m，斷層傾角為45°，隧道直徑為6.7 m，初期支護和二次襯砌厚度分別為350和250 mm。計算模型幾何尺寸和網格劃分見圖3(以隧道埋深12 m為例)，土體和襯砌網格劃分均采用C3D8R單元。

圖3 模型尺寸與網格劃分

根據實際工程，隧道結構建于上覆土層中，將該次計算斷層錯距取為5.0、10.0、16.5、20.0 cm，隧道埋深取為12、10和8 m，計算方案見表1。

表1 計算方案

2.2 計算參數

數值模擬中圍巖和斷層破碎帶采用彈塑性模型，摩爾庫倫屈服準則，襯砌為復合式襯砌，采用彈性模型模擬，外襯與土體采用摩擦接觸，摩擦系數為0.4[10]。模擬分為3步：初始地應力平衡—隧道開挖施加襯砌—施加斷層錯動位移。在前兩個分析步中，模型底部及側邊界施加法向約束，上部邊界為自由邊界，在最后一個分析步中，由于逆斷層錯動為上盤相對下盤作向上運動，因此為實現該錯動過程，釋放上盤底部及側邊界法向約束，并在相應的位置上施加位移來模擬斷層錯動，位移加載邊界條件見圖4。

圖4 位移加載模擬

圍巖力學參數參考所依托隧道工程地質勘測資料，計算參數如表2。

表2 計算參數

3 計算結果與分析

3.1 不同斷層錯距對襯砌受力變形的影響

3.1.1 位移分析

兩組患者VAS評分結果見表3，兩組患者VAS評分均隨時間延長而顯著下降，不同時間點間差異有統計學意義（P＜0.05）。但相應時間點早期組與晚期組VAS評分差異均無統計學意義（P＞0.05））。末次隨訪所有患者結核中毒癥狀及局部疼痛均消失，結核病灶均無局部復發。

圖5是隧道埋深12 m，逆斷層錯動16.5 cm時，放大50倍的地層豎向位移云圖和襯砌的豎向位移云圖。從圖5可見，上盤受錯動位移的作用，使上盤土體產生向上的位移16.5 cm，隧道襯砌沿著縱向發生了“S”狀彎曲，襯砌產生向上的位移16.5 cm。

圖5 豎向位移云圖

圖6是逆斷層錯動不同錯距時襯砌拱頂處的豎向位移曲線。圖6中，以模型下盤邊界處為0點，往右側指向上盤方向為正，破碎帶兩側邊界分別在縱向坐標100和152 m處，斷層錯動發生在縱向坐標152 m處，縱坐標的豎向位移s，以豎直向上為正，向下為負。隨著縱向距離dy的減小，襯砌豎向位移逐漸減小。隨著斷層錯動距離的增加，襯砌豎向位移逐漸增大。

圖6 拱頂豎向位移曲線

襯砌的豎向位移分為3個階段，整體上升段(一階段)、差異變形段(二階段)、漸趨平緩段(三階段)。斷層錯動作用下，襯砌豎向位移整體上升段發生在上盤區段；差異變形段發生在斷層錯動面附近一定范圍，在該范圍內，襯砌豎向位移變化差異明顯；漸趨平緩段發生在斷層下盤，襯砌豎向位移逐漸趨于平緩。

錯動5 cm時，襯砌漸趨平緩段范圍沿縱向0～112 m，差異變形段112～168 m，襯砌整體上升段168～252 m；錯動10 cm時，襯砌漸趨平緩段范圍沿縱向0～108 m，差異變形段108～168 m，襯砌整體上升段168～252 m；錯動16.5 cm時，襯砌漸趨平緩段范圍沿縱向0～112 m，差異變形段112～168 m，襯砌整體上升段168～252 m；錯動20 cm時，襯砌漸趨平緩段范圍沿縱向0～110 m，差異變形段110～168 m，襯砌整體上升段168～252 m?？傮w來看，襯砌變形的影響范圍(差異變形段)幾乎不受斷層錯距的影響。

3.1.2 結構內力分析

圖7為斷層錯動作用下襯砌內力分布曲線。

從圖7可以看出，襯砌彎矩沿縱向距離呈“S”形變化，且正負彎矩交界點在斷層錯動面處，兩側大致呈現反對稱分布，襯砌的彎曲變形集中在該范圍。當斷層錯動5 cm時，正負彎矩最大值分別出現在沿縱向140、160 m處，分別為-126.3、152.7 MN·m；斷層錯動10.0 cm時，正負彎矩最大值分別出現在136、160 m處，分別為-229.5、285.8 MN·m；斷層錯動16.5 cm時，正負彎矩最大值分別出現在136、160 m處，分別為-352.5、428 MN·m；斷層錯動20.0 cm時，正負彎矩最大值分別出現在132、160 m處，分別為-411.8、494.8 MN·m?？梢钥闯?，隨著斷層錯距的增加，襯砌彎矩M逐漸增大但變化趨勢相同。

當斷層錯動5.0、10.0、16.5、20.0 cm時，剪力FQ最大值分別為24.2、40.8、55.3、60.8 MN，軸力FN最大值分別為-90、-165.7、-211.1、-218.2 MN。襯砌剪力和軸力在斷層錯動面處達到最大，向兩側逐漸減小，隨著斷層錯距的增大，襯砌軸力和剪力逐漸增大。

3.1.3 襯砌縱向應力分析

縱向應力采用建立圓上三節點柱局部坐標系提取，局部坐標系示意見圖8。

圖8 局部坐標系

圖9為隧道埋深12 m，斷層錯動16.5 cm下，襯砌拱頂、拱底縱向應力分布云圖，其中拉應力為正，壓應力為負。

圖9 襯砌縱向應力云圖

圖10為不同斷層錯動距離下，襯砌拱頂和拱底縱向應力變化曲線。由圖10可見,隨著斷層錯動距離的增加，襯砌拱頂和拱底縱向應力逐漸增大。

圖10 不同斷層錯距時襯砌的縱向應力變化曲線

由圖10可見，拱頂和拱底的壓應力均大于拉應力，拉、壓應力變化點出現在斷層錯動面處，襯砌的拉、壓應力集中分布在斷層錯動面兩側，向兩側逐漸減小，由于周圍圍巖的作用，遠離斷層破碎帶的區域，襯砌拱頂和拱底均呈現一定的壓應力。斷層錯動5.0、10.0、16.5、20.0 cm時，襯砌拱頂壓應力最大值出現在沿縱向140、136、136和136 m處，分別為-14.8、-28.2、-40.2、-44.6 MPa；拱底壓應力最大值均出現在沿縱向168 m處，分別為-17.6、-32.4、-45.0、-49.0 MPa；襯砌拱頂拉應力最大值均出現在沿縱向160 m處，分別為2.8、5.3、11.5、15.8 MPa；拱底拉應力最大值出現在沿縱向148、144、140、140 m處，分別為0.7、1.3、7.7、8.0 MPa?？梢婋S著斷層錯距的增加，襯砌縱向應力逐漸增大。

3.2 不同隧道埋深對襯砌受力變形的影響

3.2.1 結構內力分析

圖11為斷層錯動16.5 cm作用下不同埋深隧道襯砌沿軸向的內力分布曲線。由圖11可以看出，隧道埋深12、10、8 m時，襯砌彎矩最大值出現在沿縱向160、164、164 m處,分別為428.0、376.1、340.4 MN·m。隨著隧道埋深的減小，襯砌彎矩最大值逐漸減小，但總體變化趨勢相同。隧道埋深12、10、8 m時，襯砌剪力最大值分別為55.3、41.4、33.3 MN，軸力最大值分別為-211.1、-176.7、-156.1 MN，襯砌剪力和軸力均在斷層錯動面處達到最大值，隨著隧道埋深的減小，襯砌剪力和軸力逐漸減小。

圖11 不同隧道埋深時襯砌的內力分布

綜上，隨著隧道遠離斷層，襯砌對斷層錯動的響應逐步減弱。遠離斷層帶一定距離后，襯砌內力變化趨于平緩，收斂于一個穩定的較小值。

3.2.2 襯砌縱向應力分析

圖12為不同埋深條件下襯砌縱向應力變化曲線。

圖12 不同隧道埋深時襯砌的縱向應力變化曲線

由圖12可見，埋深12、10、8 m時，襯砌拱頂壓應力最大值均出現在沿縱向136 m處，分別為-40.2、-37.6、-35.0 MPa；拱底壓應力最大值均出現在沿縱向168 m處，分別為-45.0、-37.1、-33.0 MPa；襯砌拱頂拉應力最大值均出現在沿縱向160 m處，分別為11.5、11.0、10.6 MPa；拱底拉應力最大值均出現在沿縱向140 m處，分別為7.7、7.5、7.4 MPa。隨著隧道埋深的減小，襯砌拉壓應力最大值逐漸減小，但襯砌縱向應力總體變化趨勢不變。

4 結 論

(1)襯砌拱頂豎向位移在斷層錯動面附近呈三區段“S”形變化，襯砌的影響范圍(差異變形段)幾乎不受錯距的影響。

(2)隨著斷層錯距的增加，地層釋放的能量增加，襯砌豎向位移、內力和縱向應力均逐漸增大。

(3)隨著隧道埋深的減小，隧道底部距斷層錯動面距離越大，土層耗散能量越多，襯砌內力和縱向應力最大值逐漸減小。

(4)襯砌的剪力和軸力在斷層錯動面處取得最大值，彎矩和縱向應力最大值分布在斷層錯動面兩側。襯砌在斷層錯動面及其附近容易發生張拉擠壓型破壞和剪斷破壞，應重點設防。