活动断层中隧道结构受力与安全评价

周宇锴， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

随着我国轨道交通事业的不断发展，兴建的线路工程不可避免地遇到跨越活动构造断层问题。活动断层粘滑错动(相对蠕滑错动)是一种短暂突发性断裂构造特征的地质灾害，其拥有突发性强、瞬间变形大、造成的破坏严重等特点。

目前，国内外学者主要通过数值计算方法及试验手段来研究活动断层粘滑错动时隧道衬砌结构的变形特性分析。Gregor[1]通过数值模拟研究了穿越活断层隧道结构的受力特征。Lin[2]等验模拟了逆断层作用下砂土中盾构隧道破坏特征，结合数值计算验证。赵伯明[3]等基于断裂几何学和断层运动学特征，通过模型试验研究了广州活动断裂错动位移对隧道的影响，并且探明了隧道结构在断层错动下的位移和应力变化规律。熊炜等[4]运用Marc软件分析断层错动量、断层倾角等4个因素对正断层环境下公路隧道的受力变形的影响，朱小明等[5]采用FLAC分析断层倾角对隧道纵向稳定性的影响。

本文以地铁隧道衬砌结构经受不同构造条件下的断层粘滑错动作用为出发点，基于正断层形成机制与连续介质分析方法，建立地层-结构模型。

1 隧道结构与接触围岩响应理论分析

根据断层的几何特征与运动方式，结合隧道结构穿越断层的性质，可将隧道结构与接触围岩的相互响应关系认为一种“插销式弹性地基梁”(图1)。

图1 插销式弹性地基梁模式

结合隧道最终变形特征，将隧道结构沿着断层面划分为上盘域隧道结构和下盘域隧道结构，同时受到了环向的接触压力和纵向的摩阻力作用。

2 建立数值计算模型

针对新疆地铁穿越碗窑沟工程中断层实际特点，采用ANSYS有限元方法建模。有限元数值计算模型尺寸为纵向地层和隧道长取250m，地层横向宽取40m，地层埋深方向取15m。碗窑沟断层倾角为58～85 °，碗窑沟断层处地铁隧道埋深为11～16m，

有限元计算模型纵向划分125份网格，每个节点间距为2m。计算时分别对模型的左右边界施加水平约束、模型的前后边界施加纵向约束、在模型的底部边界采用竖向约束。

3 结果分析

3.1 围岩及衬砌结构变形分布规律

(1)在粘滑错动后，衬砌结构沿着纵向发生了“S”状弯曲形变以适应错动位移(图2)。

图2 隧道纵向变形位移云图(单位：m)

(2)在粘滑错动后，上盘近断层面处地表发生了隆起，下盘近断层面处地表发生了沉降。

从图3、图4可看出：

(1)断层错动时，衬砌结构呈现“S”型变形，变形梯度在上下盘各距断层面约-80～50m范围内较大。

(2)上盘衬砌仰拱近断层面处接触力下降为零，说明隧道与地基发生了脱空，脱空区为8m，这同时也导致了隧道纵向受力不均。下盘脱空区为16m。

图3 衬砌拱顶处Y向位移

图4 围岩-衬砌拱顶竖向接触力

3.2 围岩与支护结构应力分布规律

3.2.1 围岩主应力分布规律分析

通过图5分析可知：断层发生粘滑错动后，围岩第一主应力峰值出现在下盘隧道近断层面处左侧拱腰处围岩，峰值为0.727MPa，说明此处受拉破坏严重，上盘断层面处右侧拱腰处围岩出现拉应力，数值为0.987MPa。围岩第三主应力峰值出现在下盘隧道近断层面处仰拱处围岩，峰值为0.150MPa。

(a)第一主应力σ1

(b)第三主应力σ3图5 围岩主应力视图(单位：Pa)

3.2.2 衬砌横断面剪应力分布规律

(1)由衬砌结构横断面剪应力云图(图6)可知，衬砌墙脚，拱腰处出现剪应力集中。

(2)拱腰处最大剪应力2.82MPa，小于C45标号混凝土抗剪强度，说明断层错动作用下，断层面处隧道拱脚处衬砌不会发生环向剪切破坏。

图6 衬砌横断面剪应力云图(单位:Pa)

3.3 围岩与隧道衬砌结构塑性区分布规律

一般的，当结构所受荷载产生的压力超过结构极限承载力时，结构某区域将产生不可恢复的屈服变形，即为塑性区。塑性应变值越大，表征屈服程度越大，结构危险性越高(图7、图8)。

图7 拱顶塑性区分布

图8 仰拱塑性区分布

上下盘顶底部受压区及在断层面周围拱脚至墙脚区域均出现塑性区，塑性应变峰值出现在下盘拱顶处，峰值达到1.058 %。在此种工况下衬砌受拉区虽发生受拉破坏但不出现塑性区。

为了更加详细地分析隧道二次衬砌的塑性区分布规律，根据塑性区云图特征，选取隧道衬砌断面上的2个关键部位拱顶和仰拱提取其计算结果进行分析，根据关键点处的塑性区沿隧道方向的变化规律，分析得出隧道与断层面斜交时：

拱顶-115～-35m的范围内，即上盘共80m范围；

仰拱在-60～60m范围内，即上盘60m、下盘60m范围；

以上区间存在较大的塑性变形，粘滑错动作用对隧道衬砌结构安全性存在较大的影响。

3.4 断面安全系数

进行安全系数计算时，选取9段进行截面的内力分析(表1)，每段长度为10m。

表1 碗窑沟结构断面安全系数分级评价

由安全系数表和结构断面安全系数分级评价表可知，碗窑沟隧道上盘受到断层黏滑错动的影响较小，整体处于可维修范围内；而上盘靠近断层面6m内分段与下盘靠近断层面的3个分段均存在较为严重的破坏，存在严重开裂或坍塌的风险。

4 结束语

本文结合新疆地铁穿越碗窑沟隧道具体工程实例，研究分析了活动断层错动对隧道结构变形、受力及塑性应变的影响，评价隧道各分段的安全系数。其主要结论如下：

(1)在粘滑错动后，衬砌结构沿着纵向发生了“S”状弯曲形变以适应错动位移。与正交工况相比，衬砌结构不仅产生了竖向弯曲变形，同时也产生了水平方向弯曲变形。

(2)顶底部衬砌结构纵向应力具有反对称性质，即在衬砌顶部纵向应力上盘受压明显，下盘衬砌受拉导致混凝土开裂，应力为零，而在衬砌底部纵向应力则上盘受拉下盘明显受压。达到极限错动位移前，衬砌顶底部开裂范围随错距的增大而增大，但增大的趋势明显降低。

(3)上下盘顶底部受压区及在断层面周围拱脚至墙脚区域均出现塑性区，塑性应变峰值出现在下盘拱顶处。因为上盘衬砌仰拱及下盘衬砌拱顶因混凝土拉伸开裂丧失拉应力承受能力，拉应力释放降为零。