正断层错动对海底盾构隧道管片及环缝接头影响分析

孙文昊，陈立保，李沛松，王 琦，张 津

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063；3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

引言

活动断层是隧道建设中经常遇到的不良地质条件，隧道结构在受到活动断层错动之后会产生严重破坏[1-4]。如在1999年中国台湾集集地震中，中国台湾8号、14号公路隧道等多座隧道出现了开裂，混凝土衬砌剥落等震害[5]；位于车笼埔活动断层区的石岗坝引水隧道，在进水口下游180 m处发生了剪切滑移，隧道在竖直方向分开4 m，在水平方向分开3 m；2008年汶川地震中，穿越活动断层的主要铁路线路宝成线、广岳线、成昆线、成渝线、内六线隧道均不同程度受损，共计约59处，公路隧道受损亦较为严重[6-7]，其中，处于龙门山断裂带内的龙洞子隧道出现了右线出口边坡垮塌、左线洞口段落石、左线洞门端墙开裂、洞身段环向错台、边墙上部及顶拱二次衬砌塌落等严重破坏，位于映秀大断裂与龙溪断裂之间的龙溪隧道[8]，断层造成隧道上下相对位移达1 m左右的错动变形，衬砌拱部坍塌完全丧失功能[9]。

盾构隧道是由管片通过螺栓连接而成的装配式结构[10]，大量研究表明，盾构隧道接头是整个结构受力及变形的薄弱部位，纵向接头对穿越活动断层的盾构隧道震害影响不容忽视[11-12]。耿萍等[13]通过数值模拟分析了地震作用下盾构隧道纵向螺栓等细部构造的受力特征；闫高明等[14]以跨断层龙溪隧道为依托，通过振动台试验研究了断层错动对带有接头的衬砌结构响应。目前，对山岭隧道和沉管隧道的接头已有较多研究，但对海底盾构隧道接头抗错性能研究相对较少。

依托胶州湾第二海底隧道工程，采用有限元方法模拟正断层环境下隧道环间接头受力变形，对比不同接头螺栓、管片结构形式对隧道管片结构影响的敏感性，以期为穿越活动断层带盾构隧道的抗错动设防提供参考。

1 工程背景

胶州湾第二海底隧道工程横跨胶州湾，连接青岛市市北区与黄岛区，意在构建完善的大青岛全天候跨海交通体系。主线隧道采用钻爆法和盾构法组合施工方案，其中，盾构段隧道长4 510 m。隧道位于鲁东构造带，处于牟平-即墨断裂带，隧道依次穿越F3、F8、F10和F11断层。针对穿越活动断层错动对盾构隧道管片和接头的影响，选取位于隧道盾构段的F3沧口断层进行研究，方案平面见图1。根据地质勘察报告，该断层是中新生代强烈活动的区域性断裂，断层破碎带长约30 m，由许多规模不一的平行断裂组成，断层带两侧地层为早白垩系青山组、杨家庄组和燕山晚期花岗岩岩体。上盘为第四系堆积平原，下盘为山地，为压扭性正断层，断层走向NE，倾向NW，倾角60°～70°，预计最大位错量90 cm。盾构隧道外径15.2 m，管片采用C60钢筋混凝土平板形管片，通用楔形环，“9+1”分块，衬砌厚0.65 m。

图1 胶州湾第二海底隧道工程平面示意

2 计算模型

2.1 数值模型

利用有限元程序ABAQUS[15]建立三维模型，如图2所示。其中，模型尺寸为150 m(长)×100 m(宽)×100 m(高)，断层破碎带宽30 m，断层方向与隧道轴向之间的夹角β=69°。盾构隧道纵向螺栓50组，螺栓长70 cm，隧道中心埋深33 m。

图2 三维有限元模型(单位：m)

为精确地模拟断层位错过程中盾构隧道细部的变形特征[16]，在断层面附近建立30环均质圆环模型(图3)。管片环之间采用纵向螺栓连接，螺栓采用梁单元模拟。根据志波由纪夫等提出的轴向等效刚度模型[17]，隧道结构均采用均质圆筒。管片环间接缝处，法向方向采用硬接触，切向接触采用库伦摩擦接触[18]，管片间等效摩擦应力为

图3 三维有限元细部模型

(1)

式中，τ1、τ2为摩擦面内两垂直方向剪切应力。临界剪切应力为

τcrit=μp

(2)

式中，μ为摩擦系数，根据地勘资料，μ取0.8。

计算模型边界条件如图4所示。模型上表面为自由面，对模型下盘底面(Uy)和横向(Ux)边界施加法向约束以消除刚体运动。为模拟断层错动，对模型上盘施加竖向位移，根据地勘报告，位错量取90 cm。接触面正应力和摩擦系数是影响断层错动的重要物理力学参数，接触面摩擦应力定义为[19]

由此之外，纵观整个艺术史，女性主题艺术的概念仍有着西方女权主义运动的背景，所以并不是所有包含女性的作品都可以称之为女性艺术。这里所提到的西方女权主义运动，它可分为第一代、第二代、第三代。

图4 模型边界

τf=μf(σn-p)

(3)

式中，σn为正应力；p为孔隙水压力；通过直剪试验得到断层上、下盘之间的摩擦系数μf=0.8。

采用摩尔库伦弹塑性本构，定义地层上盘、下盘和断层带围岩，地层物理力学参数见表1，地层分布见图5。盾构管片选用C60混凝土，螺栓采用双折线塑性硬化本构[13]，螺栓的拉伸应力-应变关系如图6所示。

表1 地层物理力学参数

图5 地质剖面

图6 螺栓拉伸应力-应变关系

2.2 影响隧道变形破坏的关键因素

穿越断层的盾构隧道动力响应受多种因素影响，其中，关键影响因素是管片幅宽和纵向螺栓形式。目前，管片组装机构的吊装能力不断提高，管片幅宽有不断加大趋势[20-21]。随着管片幅宽增加，环间接头数目、防水接缝总长度、管片拼装次数、管片制造数量均有明显减少，从而能够明显改善隧道结构防水状况，加快施工进度，降低管片综合造价。对于盾构隧道螺栓接头，常见的接头形式有直螺栓和斜螺栓。其中，直螺栓施工方便、制作简单，但预留手孔较大，易出现管片局部破坏；斜螺栓手孔小，易于拆装，对截面削弱小，且只需对螺栓的一头进行防水和防腐蚀处理，因此，可加快施工进度，降低造价。

通过对不同管片幅宽和纵向螺栓组合，共分6种工况，研究正断层错动下盾构隧道管片及环缝接头的力学特征及破坏模式，具体计算工况见表2。

表2 计算工况

3 结果分析

对各工况计算结果进行整理后，发现断层错动引起管片错台张开主要在断层面和断层带中部位置，如图7所示。提取关键节点沿隧道轴向的内力分布曲线，计算内力极值，对比不同管片幅宽和螺栓形式时管片内力分布规律并总结隧道破坏形式；提取环间接缝的变形和管片应力，分析正断层黏滑错动对管片和环缝接头影响。

图7 幅宽1.5 m直螺栓隧道变形(放大50倍)

3.1 管片内力分析

为研究隧道在断层错动影响下的变形机理，提取隧道横断面轴力、剪力及弯矩沿隧道纵向绘制环间内力分布曲线，发现不同管片幅宽的内力分布规律基本一致，限于篇幅，仅给出1.5 m幅宽的直螺栓和斜螺栓工况下，管片环间内力见图8。

图8 管片环间内力分布

由图8和表3可见，管片环之间无论选择直螺栓还是斜螺栓，两种连接方式的纵向内力分布规律相似，在断层与上下盘交界附近的管片内力受错动影响较大，影响范围约为交界面附近4～5环宽度，此范围内隧道横截面内力出现较强波动，且隧道横截面剪力极值和弯矩极值也出现在此范围内，轴力分布与剪力、弯矩稍有不同，轴力最大处横断面位于断层内部而非断层与上下盘交界附近。从内力大小来看，管片幅宽分别为1.5，1.8，2.0 m时，对比采用两种不同连接方式时内力最大值，轴力为斜螺栓<直螺栓，剪力为斜螺栓>直螺栓，弯矩为斜螺栓>直螺栓。

表3 隧道环间内力最大值

3.2 环缝接头最大张开量分析

提取每个环间的最大张开量值，沿隧道纵向绘制环间接头最大张开量，如图9～图14所示。

图9 环间最大张开量(工况1)

图10 环间最大张开量(工况2)

图11 环间最大张开量(工况3)

图12 环间最大张开量(工况4)

图13 环间最大张开量(工况5)

图14 环间最大张开量(工况6)

由图9～图14可知，采用直螺栓和斜螺栓连接时，环间张开量值均呈现明显的“三峰值”，环间接头张开量峰值均出现在断层与上下盘交界附近及位于断层中部的管片环，此处管片出现明显错台。采用直螺栓连接时，当管片幅宽分别为1.5，1.8，2.0 m时，对应的最大张开量分别为7.19，9.08，9.26 cm；采用斜螺栓连接时，当管片幅宽分别为1.5，1.8，2.0 m时，对应的最大张开量分别为7.09，8.85，8.96 cm。对比可以看出，环间最大张开量为直螺栓>斜螺栓。

3.3 环缝接头最大错台量分析

提取管片每个环间的最大错台量值，沿隧道纵向绘制环间接头最大错台量，如图15、图16所示。

图15 环间最大错台量(直螺栓)

图16 环间最大错台量(斜螺栓)

环间错台量峰值位于上下盘断层面处，且随着管片幅宽增加，错台量逐渐增加。当管片幅宽达到2 m时，直螺栓和斜螺栓的最大错台量分别为33 cm和36 cm。隧道管片错台主要分布在断层面两侧约2 m范围内，且盾构管片离断层面越远，错台量迅速衰减。值得注意的是，在隧道纵向距离4～6 m位置出现了1个次峰，这是由于隧道倾斜69°穿越断层，导致正断层错动依次作用于不同管片的顶部和底部，位于上盘的隧道底部出现脱空区。

3.4 管片和螺栓应力分析

提取通过断层的管片最大主应力和管片环间螺栓Mises应力，发现不同管片幅宽的应力分布基本相似，因此，仅给出管片幅宽1.5 m工况下直螺栓和斜螺栓的应力云图，如图17、图18所示。

图17 管片应力云图(单位：Pa)

图18 螺栓应力云图(单位：Pa)

由图17可知，无论是采用直螺栓还是斜螺栓连接，处于断层与上下盘交界处管片均出现了明显的应力集中，查看该范围内的应力值可以发现，超过了混凝土抗拉强度2.04 MPa，说明在此处混凝土管片已经发生了破坏。由图18可知，无论采用直螺栓连接还是斜螺栓连接，在断层与上下盘交界处的管片环之间的螺栓应力均已经超过了螺栓的极限强度，在交界处进入屈服阶段和破坏的螺栓最密集，螺栓已发生破坏。

4 结论及建议

海底盾构隧道管片幅宽和纵向螺栓是设计的重要参数，针对不同管片幅宽和螺栓形式，研究了海底盾构隧道穿越活动断层时的受力变形特点，结论如下。

(1)弯矩、剪力和轴力均在断层面附近出现较大波动，且剪力和弯矩最大值出现在此范围内，而轴力最大值位于断层带中部。管片内力随管片幅宽的增加而增加，且采用斜螺栓能有效降低管片轴力，但显著增大剪力和弯矩。

(2)采用斜螺栓和直螺栓时，环间张开量值均呈现明显的“三峰值”，峰值出现在断层面和断层带中部，采用斜螺栓可有效抑制环缝的张开量。

(3)隧道管片错台主要发生在上下盘断层面交界处，且集中分布在断层面两侧2 m左右范围内，距离断层面越远管片错台量迅速衰减。

(4)位于断层与上下盘交界处的管片和螺栓出现了明显的应力集中，且超过了混凝土和螺栓的极限抗拉强度，说明混凝土管片和螺栓已经发生了破坏。

(5)针对断层错动条件下隧道接头的破坏模式和范围，对影响范围内的隧道管片合理增强配筋，在海底隧道管片接缝处采用柔性止水带提高隧道的整体柔度，以满足隧道的变形适应性和防水要求。