李学锋，代志萍，谷雪影，曹自豪

(1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092;2.上海同岩土木科技有限公司，上海 200092)

0 引言

断层带错动的永久变形，对于穿越其中的隧道的影响是巨大的，甚至会产生毁灭性的后果。研究人员对龙门山主干活动断裂的水平和垂直运动速率的研究表明，水平运动速率为 0.18～1.28 mm/年，垂直运动速率为0.03～1.07 mm/年。为保证活断层地震错动下隧道结构免遭过大破坏，国内外学者尝试采用抗断设计来减小灾害的发生，保证结构安全。冯启民等［1］研究了埋地管道在大位移断裂错动下的反应，并指出作用的效应与断裂类型及管道埋深均有关系。Gregor T.等［2］(2007)通过有限差分法和有限元法，利用计算模型评估断层错动下隧道结构的行为，计算结果表明了数值分析的可行性。刘学增等［3－4］通过模型试验研究了砂性土中断层不同倾角、错动方式对隧道结构的影响。邵润萌［5］结合成兰线铁路项目，建立围岩－断层－隧道体系的有限元模型，计算断层错动作用对穿越断层的隧道的影响。C.Tan等［6］(2000)研究了深圳断层区的活动性，通过模拟现场三维构造应力，计算了最大水平主压应力和隧道轴线之间的夹角。刘学增等［7］通过模型试验研究逆断层粘滑错动对隧道的影响。张志超等［8］研究了断层对地下管线的影响。针对不同变形缝间距对隧道抗错断的影响的研究很少。模型试验不能完全考虑各种影响因素，因此，很难准确描述断层错动对隧道的影响［9－10］。本文以位于活动断裂带的棋盘石隧道为依托，通过建立数值模型，分析不同节段长度隧道在断层错动位移下围岩压力和隧道二次衬砌内力的变化情况以及隧道塑性应变变化和塑性区发展趋势，为隧道施工提供参考。

1 工程概况

拟建棋盘石隧道位于四川省绵竹市清平乡棋盘村后缘山体，设计起点里程为K20+310，洞底标高为964.400 m，终点里程为 K21+233，洞底标高为991.900 m，建筑限界净空9.0 m(宽)×5.0 m(高)，隧道纵坡2.98%(单向坡)。隧道线型较顺直，进口轴线方向348°，在K20+700处弯曲，轴线方向变为355°。F21－1活动断裂带为逆冲断层，断层上下2盘地层为二叠系阳新组和三叠系飞仙观组地层。根据物探测试结果，断层破碎带宽度为20～40 m，破碎带由构造角砾岩组成，夹断层泥。断层破碎带可能含水，物探测试电阻率低。隧道全长923 m，最大埋深211 m，围岩以Ⅴ、Ⅵ级为主。

2 模型建立及计算参数选取

取F22－1断层带前后80 m左右建立数值模拟模型。地质断面简图及模型分别如图1和图2所示。隧道节段长度取5，7，10 m，相邻节段间设置宽0.3 m的剪切位移缝。

图1 隧道地质断面简图Fig.1 Sketch of geological profile of tunnel

参考工程勘测资料，并结合规范要求，给出的围岩和断层的物理力学参数及衬砌混凝土参数见表1。初期衬砌采用线弹性模型模拟，其他材料均采用弹塑性摩尔－库伦模型进行模拟。变形缝模拟为弹性材料，其弹性模量取二次衬砌的1/100，其余参数相同。不考虑水的作用。

图2 模型分析段示意图Fig.2 Division of numerical model

表1 数值模型参数表Table 1 Parameters of numerical model

运用ABAQUS有限元分析软件显式分析步运算模型模拟断层错动。模拟时，每一个增量步设为2 cm。由于断层与周围岩体有一定的夹角，因此，每个增量步的位移都将沿坐标投影施加。在第1步时，约束模型底部的竖直向位移，前后、左右两侧施加水平方向的位移约束，上部边界为自由边界。通过对上盘底面和左侧面添加位移边界条件，对断层错动进行模拟。隧道使用寿命按100年取值;结合龙门山活动断裂带运动速率，断层最大错动位移取20 cm。

本模型主要研究活动断裂带附近隧道应力及变形的变化。

3 隧道与围岩之间接触压力的分布和变化规律

图3为断层错动位移20 cm时隧道二次衬砌受到的围岩压力云图。图3中，隧道取断层带附近节段，自上而下分别为节段长度5，7，10 m的隧道(下同)。随错动位移增大，断层带左端节段围岩压力首先开始增加，由拱顶和拱底向拱腰和拱脚发展，在拱脚处出现最大值，并不断增加。与其他节段长度的隧道相比，节段长度为5 m的隧道在断层带区域内的压力更为均匀。

图4和图5分别是拱腰和拱脚处不同节段长度隧道围岩压力随错动位移变化示意图。随着错动位移的增加，拱腰和拱脚处的围岩压力不同程度地增大，且拱脚处压力值远大于拱腰处，最大为其3倍(节段长度10 m隧道，错动20 cm时)。对于断层带外的部分，节段长度为10 m的隧道较之其他2种隧道围岩压力要大。对于断层带中的各节段，拱腰处压力区别并不明显;节段长度为7 m的隧道的拱脚处压力略大于其他2种节段长度的隧道的拱脚处压力。

图3 断层错动20 cm时围岩压力变化分布图Fig.3 Pattern of surrounding rock pressure under 20 cm fault movement

图4 隧道拱腰处围岩压力变化Fig.4 Pattern of surrounding rock pressure at arch waist

图5 隧道拱脚处围岩压力变化Fig.5 Pattern of surrounding rock pressure at spring line

4 隧道二次衬砌最大轴向应力的变化规律

图6为断层错动20 cm时隧道二次衬砌最大轴向应力区段云图。从图6中可以看出，节段长度为5 m的隧道的最大轴向应力最小，表明节段长度越短，断层错动引起的轴向应力被变形缝材料吸收得越多;节段长度为10 m的隧道，最大轴向应力达到1.243 MPa，其压应力也是三者中最大的，为另外2种节段长度隧道的2～3倍，即轴向拉压应力集中明显，容易产生受拉破坏。

图7为隧道二次衬砌最大轴向应力在断层错动下的变化。断层错动3 cm后，节段长度为10 m的隧道的最大轴向应力一直大于其他2种节段长度的情况，稳定在1.2 MPa左右，可见节段长度为10 m的隧道的二次衬砌更容易发生受拉破坏;对于节段长度为7，5 m的隧道，断层错动8 cm后最大轴向应力基本一致。

图6 断层错动20 cm时隧道二次衬砌最大轴向应力分布图Fig.6 Pattern of maximum axial stress of secondary lining of tunnel under 20 cm fault movement

图7 隧道二次衬砌最大轴向应力变化图Fig.7 Curves of variation of maximum axial stress of secondary lining of tunnel

5 隧道二次衬砌塑性应变变化特征

图8—10分别为断层错动10，15，20 cm时隧道的塑性应变分布图。

图8 断层错动10 cm时隧道的塑性应变分布图Fig.8 Pattern of plastic strain of tunnel under 10 cm fault movement

图9 断层错动15 cm时隧道的塑性应变分布图Fig.9 Pattern of plastic strain of tunnel under 15 cm fault movement

图10 断层错动20 cm时隧道的塑性应变分布图Fig.10 Pattern of plastic strain of tunnel under 20 cm fault movement

断层错动10 cm时，塑性应变主要集中在断层带区域内的前几个节段的拱腰部分;随着错动位移的增加，塑性应变扩散到整个节段。对于节段长度为5 m的隧道，塑性应变分布的范围较大;其他2种工况差异很小，即变形缝间距过大对提高隧道抗错断效果无显著作用。

图11和图12为隧道拱腰和拱脚随错动位移变化的塑性应变。塑性应变主要集中在断层带区域前段部分，随错动位移增加总体呈增加趋势。错动10 cm时，拱腰处塑性应变远大于拱脚处塑性应变，最大是其5倍(节段长度为10 m的隧道);随着错动位移的增加，塑性区扩展，拱脚与拱腰处塑性应变相差很小。节段长度为10 m的隧道的拱脚与拱腰处的最大塑性应变略大于其他2种工况。

图11 隧道拱腰处塑性应变变化Fig.11 Pattern of plastic strain at tunnel arch waist

图12 隧道拱脚处塑性应变变化Fig.12 Pattern of plastic strain at tunnel spring line

6 结论与讨论

1)断层错动对隧道的影响主要集中在断层带内左侧区域的隧道，拱腰和拱脚部位受力和变形明显。断层抬升过程中，上覆土层被动土压力及隧道两侧围岩均对隧道产生阻力，断层带内隧道为拉张剪切组合受力，受力和变形明显合乎常理。

2)节段长度为10 m的隧道的最大轴向应力达到1.243 MPa，是节段长度为5 m的隧道的1.5倍。节段长度越小，二次衬砌的最大轴向应力越小，即变形缝材料可以吸收部分应力。变形缝间距越小，隧道整体柔性越大，使得二次衬砌不致出现过大的应力，有利于隧道的抗错断。

3)节段长度为5 m的隧道的塑性应变分布区域最大。节段长度对二次衬砌最大塑性应变的影响不明显。综合考虑本文3种工况，节段长度为7 m者最优。

4)本文建立的模型是针对特定工程的，其结果的普遍适用性不强。如果要研究隧道的抗错断一般规律，需建立更具代表性的模型。

［1］ 冯启民，赵林.跨越断层埋地管道屈曲分析［J］.地震工程与工程振动，2001，4(21):80－87.(FENG Qimin，ZHAO Lin.Buckling analysis of buried pipes subjected to fault movement［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2001，4(21):80－87.(in Chinese))

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