走滑断层作用下跨断层隧洞破坏机理研究

翁文林 王天强 付兴伟 宁宝宽 周光新

摘要：中国西部地区断层带分布广泛，使得西部地区隧洞建造过程中不可避免穿越活动断层。为研究不同因素对隧洞衬砌结构的影响，根据滇中引水工程香炉山引水隧洞穿越断层的活动形式，采用数值模拟方法模拟不同工况下走滑断层错动引发的隧洞衬砌变形及受力，由此得到断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角这4个主要因素对衬砌结构的影响程度。结果表明：① 断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角4个因素对衬砌影响的程度依次减弱。② 隧洞衬砌在走滑断层错动作用下的变形模式呈“Z”字形分布。③ 断层破碎带范围内的剪力较大，衬砌弯矩分布沿隧洞纵向方向呈中心对称，在断层界限处达到弯矩最大值，衬砌中点的弯矩为0。④ 位于断层带处的隧洞衬砌洞顶及洞底应力分布受敏感参数影响的变化较大，隧洞衬砌两端的压应力较小;左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线呈对称分布，最大压应力出现在断层界限处，因此断层界限应该成为隧洞抗错断的控制重点。

关 键 词：走滑断层; 断层破碎带; 变形特性; 数值模拟; 香炉山隧洞; 隧道工程

中图法分类号： U45   文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.017

0 引 言

中国西部地区断层带分布广泛，地震烈度较大，这一现状导致西部隧道建设过程中不可避免要穿越活动断层。断层破碎带的存在也使得跨断层隧洞错断机制研究成为西部隧道建设中不可回避的一个重要研究内容。断层按照其错动方式可以分为正断层、逆断层和走滑断层3种基本形式，且在我国西部地区以走滑断层为主[1-2]。

就隧洞的错断问题而言，国内外学者通过模型试验方法获得了隧洞錯断下衬砌的结构响应规律[3-13]。出于模型试验的局限性，试验大多采用某一种或几种工况开展不同形式错动作用下的隧洞衬砌结构特性研究[5-8]，无法准确得到影响隧洞衬砌结构的参数敏感性分析结果。基于此，部分学者开始通过数值模拟的方法开展不同试验工况下的隧洞错断模拟研究，且以正断层及逆断层两种错动方式下隧洞衬砌的结构响应特性研究为主[11，14-19]。针对走滑断层错动作用下的衬砌变形及内力响应规律研究相对较少。鉴于此，本文采用有限差分数值计算方法，对比不同断层因素对隧洞衬砌结构影响的敏感程度，分别得到了不同隧洞错动量、断层带宽度、隧洞埋深、断层倾角以及断层带围岩强度下的隧洞衬砌破坏机制。本次研究成果对跨越走滑断层的隧洞设计具有一定的参考意义。

1 依托工程

本文依托的滇中引水工程引水输水隧洞以石鼓为起点，终点至大理洱海东岸，全长约60 km。隧洞段跨越金沙江与澜沧江分水岭，地质条件复杂，沿线发育13条大断（裂）层，其中龙蟠-乔后、丽江-剑川及鹤庆-洱源断裂均表现为全新世区域活动断裂，是3条走向均为NW的全新世活动断裂带（含分支断裂）。现今活动性主要表现为左旋走滑断层的性质，断裂滑动方式均为蠕滑-黏滑复合型，断裂平均水平位错速率为2.2～3.5 mm/a。

2 计算模型

2.1 模型尺寸

基于数值分析软件FLAC3D，隧洞模型采用圆形输水隧洞截面。模型纵向长度沿隧洞中线位置左右各考虑150 m，即总长为300 m。为计算方便，将初支与二衬合并考虑，厚度取0.65 m。为尽量减小模型边界对结果的影响，最终确定模型尺寸长×宽×高为300 m×100 m×100 m（见图1～2）。

2.2 计算方法

鉴于本文研究目的是获取隧洞衬砌对断层因素的敏感程度，模型中隧洞按照完全弹性材料考虑，围岩按照弹塑性材料考虑，将断层带围岩参数弱化以表示原型隧洞围岩的软弱夹层。衬砌与围岩及断层带边界左右及围岩衬砌间的接触部分分别设置不同的接触面单元，接触面设置如图3所示。根据同一研究背景下已有的室内试验拟合结果[20]，接触面的法向刚度kn、切向刚度ks及抗拉强度Rt的参数取值见表1。

边界条件设置方面：为模拟走滑断层的错动方式，模型上部采用自由边界，固定盘其余各面均设置为固定约束;活动盘其余各面限制沿Y轴及Z轴的移动，并在活动盘边界施加沿X轴正向的初始速度，即模型荷载的施加主要通过赋予节点速度控制整个活动盘处的均匀位移值。隧洞的开挖过程主要通过将隧洞范围内的块体设置为空模型，计算达到平衡后再施加衬砌实现。

为较为真实地模拟实际工况下隧洞在断层错动作用下的“脱空”现象，将第一类接触面滑移分离设置为关闭，同时将第二类接触面单元滑移分离设置为打开，进而保证错动过程中衬砌变形导致的衬砌与围岩接触分离。

2.3 参数选取

根据原型隧洞力学性能（见表2），同时为研究断层参数敏感性，上下盘的力学性质依据实际隧洞性质折中选取一致的围岩性质，模拟采用的围岩及衬砌各力学指标见表3。

2.4 计算方案

为获得走滑断层错动作用下输水引水隧洞的断层参数敏感性分析结果，本次模拟结合原型隧洞100 a位移量值并根据不同参数设计出如表4所列计算方案。图4给出了隧洞错动的围岩-衬砌变形示意图。

3 结果分析

3.1 错动量对隧洞的影响

3.1.1 错动量对衬砌变形的影响

图5给出了不同断层错动量下的衬砌变形。从变形图可以看出：在固定盘一侧，衬砌沿受力方向的位移较小，变形模式不受断层错动量改变，最大错动量在左侧的一条断层界限上，且位移值为0.06 m。在断层带区间上，衬砌沿纵向方向变化较大，在右侧的一条断层界限上达到断层带区间上的位移最大值，且与施加的错动量值较为接近。另外，在活动盘一侧，不同错动量条件下的衬砌位移与错动量值较为一致，沿衬砌纵向的位移值基本不变。衬砌错动后的变形结果及位移云图如图6所示。

3.1.2 错动量对衬砌内力的影响

从图7可以得到隧洞在不同断层错动量下的弯矩及剪力变化过程变化规律如下：不同断层错动量下的衬砌弯矩大小及方向关于衬砌中点中心对称分布，剪力大小及方向关于衬砌中轴线处轴对称分布，处于断层带的衬砌弯矩及剪力变化较大。随着错动量的增加，在断层界限处的弯矩值不断增大，最终衬砌最大弯矩值约为60 MN·m，剪力最大值出现在衬砌沿纵向距离的中间位置，当错动量为0.5 m时达到最大剪力为15 MN。

3.1.3 错动量对衬砌应力的影响

图8给出了不同断层错动量下的隧洞衬砌各界面洞顶、洞底、左拱腰及右拱腰处沿隧洞纵向的应力分布特征。结果显示：位于断层带之外的应力分布受断层错动量的影响较小，位于断层带上的应力变化较大，且位于断层界限上的应力达到极值。左右拱腰的纵向应力分布特点为沿衬砌中间截面迹线对称分布，最大压应力出现在隧洞变形后的凹处，最大值为72 MPa。

3.2 断层倾角的影响

以错动量对隧洞衬砌的模拟作为基准工况，分别考虑3种不同断层倾角，从隧洞衬砌的变形规律、衬砌内力及应力3个方面探究不同断层倾角作用下的衬砌结构受力分析。

从不同工况下的隧洞衬砌位移来看（见图9），位于断层带之外的衬砌变形结果较为一致，且位于断层破碎带处的衬砌变形受断层倾角变化也较小。

图10给出了不同断层倾角下的衬砌弯矩及剪力分布。从分布图可看出：弯矩不随断层倾角的变化发生较大的变化，弯矩分布规律较为一致，但位于断层带处的衬砌剪力分布随断层倾角发生变化，断层倾角越大，衬砌剪力也越大。

不同断层倾角下的衬砌应力分布如图11所示。随着断层倾角的增加，位于断层破碎带处的衬砌洞顶纵向应力略有减小，影响程度随隧洞距离断层破碎带的距离增大逐渐减弱。从衬砌左拱腰及右拱腰纵向应力分布看，左右拱腰的纵向应力大小随断层倾角的变化较小，位于断层界限上的应力达到极值。左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线对称分布，最大压应力出现在隧洞变形后的凹处，最大值为80 MPa。

3.3 断层带宽度的影响

将断层破碎带宽度设置为50，75，100 m，并将错动量对隧洞衬砌的模拟作为基准工况，仍从隧洞衬砌的变形规律、衬砌内力及应力3个方面探究不同断层带宽度作用下的衬砌结构受力。

图12给出了不同断层带宽度下的隧洞衬砌变形规律。可以看出，衬砌变形受断层带宽度变化影响较大;位于断层破碎带内的衬砌变形随位错量逐渐增大，达到右侧断层界限时达到断层破碎带内的最大位移量，且与输入的位移量较为接近。位于断层破碎带外的衬砌变形不受断层破碎带宽度的影响。

断层带宽度引起的衬砌弯矩及剪力如图13所示。可以看出衬砌弯矩与剪力受断层带宽度影响较大，断层宽度越大，引起的衬砌弯矩及剪力越小，弯矩极值出现在断层界限上，最大值为150 MN·m。剪力极值出现在衬砌沿纵向方向的中点位置，最大值为25 MN。

从图14可以看到，衬砌纵向应力受断层带宽度影较大。随着断层带宽度的增加，衬砌洞顶沿纵向的压应力逐渐减小，压应力极小值出现在断层界限处，最大压应力为95 MPa。洞底纵向应力随断层带宽度的减小而减小，压应力极大值出现在断层界限处，极小值出现在隧洞衬砌沿纵向的中点处，最大压应力为106 MPa。从衬砌左拱腰及右拱腰纵向应力分布看，左右拱腰的纵向应力分布规律受断层带宽度影响较大，随着断层带宽度的增大，纵向应力极小值逐渐减小。

3.4 断层带参数变化的影响

原型隧洞中断层破碎带岩体参数的变化引起的隧洞衬砌破坏情况不同。为研究不同断层带宽度下隧洞衬砌的结构变形、内力及应力变化，以错动量对隧洞衬砌的影响作为基准工况，主要通过改变岩体弹性模量，从隧洞衬砌的变形规律、衬砌内力及应力3个方面探究断层带参数作用下的衬砌结构受力。

图15给出了不同岩体弹性模量下的隧洞衬砌位移、弯矩及剪力分布规律。从不同工况下的隧洞衬砌位移来看，位于断层带之外的衬砌变形结果较为一致，且位于断层破碎带处的衬砌变形受断层倾角的影响也较小，但可以看到岩体弹性模量越低，对衬砌变形约束越小。从分布图还可看出弯矩在断层界限处随岩体弹模的变化而改变。岩体弹模越大，断层界限处的弯矩越小。断层破碎带处的剪力也与岩体弹模成反比，沿隧洞衬砌纵向的中点剪力达到最大值15 MN。

不同断层带岩体强度参数下的衬砌纵向应力见图16。从图16可知，随着岩体强度的增加，位于断层破碎带处的衬砌洞顶纵向应力减小，位于斷层破碎带外的衬砌洞顶纵向应力不随岩体强度的变化而改变。洞底纵向应力同样仅在断层破碎带范围内发生变化，断层界限处及衬砌中点位置的纵向应力不发生变化，隧洞衬砌纵向应力在断层破碎带的其他位置随岩体强度的增加逐渐减小。

从衬砌左拱腰及右拱腰纵向应力分布看，左右拱腰在断层界限的纵向应力大小随岩体强度的不同变化较大，具体表现为岩体强度越大，纵向应力极小值越大。左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线对称分布，最大压应力出现在隧洞变形后的凹处，最大值为90 MPa。

4 讨 论

首先，从衬砌的变形特征来看，衬砌总体呈现“Z”字形分布。位于断层带处的衬砌变形沿隧洞纵向逐渐增加，且在接近活动盘的断层界限处达到与输入位移较为接近的变形位移。从断层错动量、断层倾角、断层带宽度及断层带围岩强度对衬砌变形影响的结果来看，断层错动量条件下衬砌最大位移增长率为（0.5-0.13）/0.13×100%=284.6%。断层带宽度变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（0.18-0.07）/0.07×100%=157.0%。断层带参数变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（0.35-0.24）/0.24×100%=45.8%。断层带倾角变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（0.35-0.27）/0.27×100%=29.63%。

故影响衬砌变形的4种因素敏感性程度中，断层错动量>断层带宽度>断层带围岩强度>断层倾角。

另外，从衬砌内力分布中可以得到，衬砌弯矩及剪力变化受这4种因素不同程度的影响，具体表现为断层错动量条件下衬砌最大正弯矩增长率为（60-20）/20×100%=200%。断层带宽度变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（148-60）/60×100%=146.7%。断层带参数变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（70-50）/50×100%=40.0%。断层带倾角变化条件下的衬砌最大正弯矩增长率为（60-52）/52×100%=15.38%。

上述结果表明断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角的敏感性依次减弱。

最后，从衬砌洞顶、洞底及两侧拱腰处的纵向应力分布定性来看，4个主要监测位置的应力分布均在断层界限及衬砌纵向中点等特殊位置呈现出一定的分布规律;从洞顶及洞底的纵向应力来看，位于断层带处的隧洞衬砌应力分布受敏感参数的变化较大;断层带两侧的应力随4种敏感参数的变化基本不变，且隧洞衬砌两端的压应力较小。从两侧拱腰的纵向应力来看，左右拱腰的纵向应力沿衬砌中间截面迹线对称分布，最大压应力出现在隧洞变形后的凹侧。

5 结 论

（1） 走滑断层错动作用下，断层错动量、断层带宽度、断层带围岩强度及断层倾角4个因素对衬砌影响的程度依次减弱。

（2） 断层错动量越大，断层破碎带范围内的衬砌内力及应力逐渐增大，处于断层破碎带外的衬砌受断层错动量变化较小。

（3） 断层倾角的变化对衬砌变形、内力及应力分布影响较小，与其他因素综合分析时，可忽略断层倾角对衬砌的影响。

（4） 断层带宽度越大，衬砌变形影响范围越大，但弯矩及剪力最大值与断层带宽度呈负相关，衬砌纵向应力最大值也随断层带宽度的增加逐渐减小。

（5） 断层带围岩强度的变化对衬砌变形、衬砌内力影响较小，主要影响隧洞左右两侧拱腰处的纵向应力，围岩强度越小，纵向应力最大。

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（编辑：郑 毅）