双断层错动作用下马蹄形隧道结构破坏影响分析

张超翔,尹 超,张亚勇,张志强

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.苏州轨道交通集团建设分公司,江苏苏州 215004)

改革开放以来，我国国民经济飞速发展，以地铁为代表的轨道交通凭借其绿色环保、输送客流量大、不占用宝贵的城市地面空间等特性在各种交通方式中脱颖而出[1]。

与交通工程大发展所对应的，是我国复杂的地形地貌与频发的各类地质灾害。我国板块构造运动强烈，当强震来袭时，隧道和地下结构同样会发生面层脱落、衬砌开裂、中柱倒塌等严重破坏[2]。这些破坏往往出现在断层带、洞口地质结构突变区或软弱区，以及竖井与隧道连接处、交叉隧道重叠处等衬砌结构刚度变化处。

国内外学者对跨断层铁路隧道开展了大量研究。闫茜，张龙等[3-7]通过实地勘探、模型试验以及数值模拟，研究了断层对铁路隧道的影响；祁彬溪等[8]研究了断层错动速率及断层面摩擦系数等因素的影响；梁建文等[9]开展了倾角为45°断层下盾构隧道结构的弹塑性分析；张云飞等[10]研究了断层错位量的影响；刘学增等[11]通过模型试验，研究了逆断层下隧道的破坏特征；孙飞等[12]结合模型试验与数值模拟，研究了跨正断层隧道破坏形态；SABAGH等[13]通过离心实验研究了跨断层隧道的破坏状态；AVAL等[14]分析了近断层地震动与远断层的不同，指出近断层地震动容易引起结构的冲击破坏；LI等[15]通过动力时程分析方法研究了相关隧道的地震反应特征；赵晨阳等[16]通过数值模拟，研究了跨断层车站合理施工方法；郑泽源等[17]通过建立三维数值模型，分析了跨断层隧道施工掌子面的稳定性；阎锡东等[18]通过分析跨断层隧道风险因素，建立了风险评价模型；SHEN等[19]通过振动台试验，分析了柔性接头隧道的设计方式；YAN等[20]提出了一种延性钢筋橡胶衬砌接头，并进行了试验研究。

现有研究主要针对跨单一断层隧道，而对穿越间距较小双断层地铁隧道力学响应研究很少。当隧道建设面临穿越双断层情况时，伴随着断层交角、倾角等特征的不同，其受力变形机理也会产生不同，如何保证隧道建设与运营管理的安全性成为隧道设计与施工的一大重点难点。针对双断层错动叠加对隧道结构产生的影响，研究了不同断层错距、间距以及倾角下隧道结构的破坏影响，所获成果可为双断层作用下的隧道纵向结构设防提供技术支撑。

1 工程概况

以新疆乌鲁木齐市轨道交通4号线工程为依托，线路穿越6条断层带，其中，在北广场站至棉纺仓库站区间多次穿越全新世活动断层—九家湾断层组。

九家湾断层组位于乌鲁木齐西山背斜以北、由乌苏群(Q2)构成的岗状砾质台地上(亦称老砾石台地)。断层组为西山掀斜隆起断块内部的次级断层，其主断层为褶皱地层之下深度约10 km的侏罗纪煤系内的滑脱面。其主要由4条走向N60°～65°E，基本等间距平行排列的断层组成，4条断层由北向南分别为九家湾断层组第1条断层(F2-1)、九家湾断层组第2条断层(F2-2)、九家湾断层组第3条断层(F2-3)、九家湾组第4条断层(F2-4)。乌鲁木齐市轨道交通4号线穿越断层位置如图1所示。

图1 乌鲁木齐市轨道交通4号线地铁隧道穿越断层

根据勘探报告所提供的资料以及《4号线活断层专题研究报告》，确定本文计算工况为隧道穿越Fj1断层和Fj2断层。其中，Fj1断层倾角为58°，与隧道走向交角为70°；Fj2断层倾角为45°，与隧道走向交角为60°。断层之间的距离为150 m，断层破碎带宽度为30 m，未来百年错动量为0.5 m。按照地铁规划，埋深取15 m，隧道设计断面为马蹄形断面。

2 有限元模型

2.1 参数选取

采用通用有限元软件ANSYS进行数值计算，计算模型地层结构和围岩参数根据乌鲁木齐轨道交通4号线地勘报告以及TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》确定，围岩类型为侏罗系中等风化泥岩，浅层地表分布不规律杂填土，为简化计算将地层视为单一岩体。假设围岩和隧道衬砌材料均为理想弹塑性材料，满足D-P屈服条件和相关联流动准则[21]，并考虑围岩加固区对黏聚力和内摩擦角的提高，加固区弹性模量、黏聚力提高幅度为40%～50%。根据工程设计，将隧道周围2 m的围岩设置为加固区，相关参数如表1所示。

表1 围岩参数

衬砌模拟中，初期支护采用300 mm厚C25喷射混凝土以及I25a型钢钢架(间距0.5 m)；二次衬砌采用C45混凝土。考虑钢拱架的加强作用，采用等效刚度法将其强度进行折算，其公式如下

(1)

式中，E为初支等效刚度(弹性模量)；Ec为喷射混凝土弹性模量；Eg为工字钢弹性模量；Sc为喷射混凝土面积；Sg为工字钢断面面积。

隧道为整体式衬砌，不考虑变形缝。围岩与结构采用Solid65单元模拟，而混凝土应力应变关系和破坏准则分别采用MISO多线性各向同性强化模型和CONCR模型。按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)相关规定，隧道衬砌混凝土应力-应变曲线如图2所示。

图2 衬砌结构应力-应变曲线

其支护结构相关参数如表2所示。

表2 混凝土参数

2.2 模型建立

在边界方面，模型左右前后边界均设置了垂直于面约束。在破碎带与母岩交界位置设置接触面，将断层地质运动简化为两断层间土体发生了沿断层面的向下滑移，且两断层错距与错动速率相同，如图3所示。

图3 数值模型加载模式

断层破碎带宽度、倾角、交角等参数按照第1节工程概况选取。建立计算模型如图4所示。

图4 双断层作用下有限元模型

在断层破碎带与母岩交界位置及衬砌与围岩之间设置CONTA173接触单元，接触面类型为标准接触。接触模型如图5所示。其中，围岩与衬砌接触面摩擦系数取0.7，断层滑移面摩擦系数取0.1。

图5 接触模型

2.3 衬砌结构力学响应分区

实际工程中，针对断层错动作用下沿隧道纵向破坏影响，提出了隧道纵向分区设防的设计理念，即按照隧道受错动影响程度将衬砌划分为不同的区间(主控区、影响区、一般区)。位于影响区的隧道一般会出现密集的裂缝，内部空间也会受到少量挤压；位于主控区的隧道会出现衬砌结构的剥落掉块等现象，并可观测到沿衬砌环的贯穿裂缝。

从结构安全与设防考虑，划分影响区和主控区，判识标准为：①影响区—隧道衬砌出现受迫变形，洞内仰拱-拱顶竖向相对位移出现波动为标准；②主控区—断层达到最大错距时，衬砌出现环向贯通裂缝的区域为标准。断层错动作用下衬砌结构力学响应分区如图6所示。

图6 衬砌破坏分区示意

3 错距对隧道力学规律的影响

根据建立的双断层错动隧道数值模型，施加不同错距(0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 m)的强制位移，分析结构的受力特征。

拱顶竖向位移曲线如图7所示。不同断层间距的隧道整体均呈“凹”字形变化。竖向位移变化显著区域主要在-120～-45 m和35～100 m之间，中间变化平缓的区域有80 m左右。

图7 双断层作用下拱顶竖向位移

对于双断层错动引起的隧道空间压缩，研究仰拱-拱顶的竖向相对位移曲线(同一断面拱顶与仰拱竖向位移相减)，如图8所示。

图8 不同断层错距下衬砌仰拱-拱顶竖向相对位移

在两断层处隧道衬砌的竖向相对位移出现明显波动，在Fj1逆断层处上盘相对位移负向增大，最大为10.9 mm，表明该位置发生了竖向净空压缩现象；而下盘处相对位移为正值，最大为5.5 mm，表明该位置发生了竖向净空扩大现象。在Fj2正断层处上盘相对位移为正值，下盘相对位移为负值，与逆断层相反，并且在+69.7 m处出现了最大竖向相对位移值70.1 mm。

如图9所示，墙角剪应力总体呈现由断层面处集中，随后向两侧扩展的规律。断层错动量较小时，剪应力集中于断层面附近；随着错动量的增大，由于剪应力超过结构抗剪强度以及衬砌破坏导致的应力释放，使得剪应力影响范围及应力集中点逐渐向两侧扩展。

图9 不同断层错距下衬砌墙角剪应力

衬砌开裂分布如图10所示。断层开始错动时，Fj1逆断层上盘拱顶、下盘仰拱，Fj2正断层的上盘仰拱、下盘拱顶就因受拉出现张拉裂缝，上下盘的开裂范围基本相同；断层错距提高时，裂缝逐渐向周围的衬砌延伸，并在Fj2正断层出现了环向裂缝贯通现象；随着错距继续提高，裂缝范围继续扩展，错距达到0.2 m时，Fj1逆断层面处衬砌也出现了环向裂缝贯通。

图10 不同错距下衬砌开裂分布

随着错距增大，出现环向裂缝贯通的衬砌范围增大不明显，破坏严重位置主要集中在断层面附近。在断层面附近隧道的拱腰和墙脚处受到剪应力集中现象，会最先出现衬砌的斜向碎裂。

基于计算结果，结合主控区、影响区划分，可得断层错动0.5 m时主控区和影响区范围如表3所示。实际工程中可按照表中所示分区长度进行针对性分区设防。

表3 错距0.5 m时隧道分区长度 m

4 断层间距对隧道力学规律的影响

分别设置距离为60，90，120 m与150 m，比较断层错动0.5 m时断层间距对衬砌力学响应特性的影响。不同断层间距下，隧道整体竖向变形如图11所示。

图11 不同断层间距下拱顶竖向位移

断层错动位移峰值基本相同。特别的，当断层间隔为60 m时，衬砌在较短区间内经历了迅速下沉及抬升，在-53 m处曲线尖端存在剧烈的位移趋势变化，该处衬砌环和连接处最有可能出现拉伸开裂或挤压溃缩等混凝土破坏现象。

剪应力分布曲线如图12所示。断层面处衬砌剪应力最大。Fj1逆断层拱腰剪应力最大值为5.76 MPa。Fj2正断层的剪应力在上盘先减少至0而后在断层面迅速增加，最大值也为5.76 MPa。断层间距减小，剪应力变化程度更为剧烈。

图12 不同断层间距下衬砌拱腰剪应力

不同断层间距下，衬砌开裂分布如图13所示。在间距60 m工况下，两个开裂区几乎重合，导致隧道出现了150 m范围内的破裂发展区；在间距为90 m的工况下，边墙和仰拱的破裂发展区增至180 m，两断层中间衬砌拱顶出现了纵向裂缝，这是由于衬砌被上方土体压溃造成的；当两个断层带间距为90 m之内时，相邻断层错动引起的衬砌开裂区存在重合带；当双断层间距在120 m以上时，左右断层面的开裂区域基本独立。

图13 不同断层间距下衬砌开裂分布

5 断层倾角对隧道力学规律的影响

与上文相比，Fj1断层不改变倾角及交角，在Fj2断层在保持交角60°不变的前提下，将倾角分别设置为45°，60°，75°和90°，对比断层倾角对隧道力学特性响应影响。

图14、图15分别为拱顶竖向位移、拱脚横向位移曲线。倾角越大，衬砌错动范围越小，位移曲线的斜率相应越大，隧道周围土体对衬砌的位移约束作用也就越明显。

图14 不同断层倾角下衬砌拱顶竖向位移

图15 不同断层倾角下衬砌左拱脚横向位移

随着倾角从45°增大至90°，横向位移影响范围逐渐收窄，横向位移峰值呈降低趋势，分别为-27.8，-28.8，-26.8 mm和-17.5 mm。可见，倾角增大对衬砌横向位移有着非常明显的抑制作用。

不同倾角剪应力分布曲线如图16所示。图16中，当倾角为60°时剪应力曲线最平缓，当倾角为45°时曲线波动幅度最大，且在Fj2正断层破裂面两侧出现剪应力反向。

图16 不同断层倾角下衬砌拱腰剪应力

不同断层倾角下，衬砌开裂分布如图17所示。由图17可以看出，断层倾角的改变对隧道开裂分布影响较弱。

图17 不同断层倾角下衬砌开裂分布

当Fj2正断层倾角为45°时，正断层处衬砌出现环向贯通裂缝的范围最大，分布长度达到了26 m，且在拱顶出现了大范围的纵缝，整体破坏程度更为严重；而当倾角为90°时破坏分布范围最小，Fj2正断层环向贯通裂缝分布长度仅为15 m。除倾角45°的情况外，其他工况在双断层的中间区域存在50 m左右的安全区，在此区中未见明显的裂缝。

6 结论

针对地铁隧道连续穿越双断层的工况，基于混凝土破坏准则，建立了三维数值模型，分析研究得出以下结论。

(1)正断层错动后与断层面相切接触区域更大，导致衬砌受围岩张拉牵引作用更强烈，故正断层错动条件下的隧道衬砌结构破坏更为严重。

(2)从开裂分布来看，随着错距增大，衬砌严重破坏区域变化不大，主要集中在断层面附近。断层破碎带宽度为30 m条件下，当断层间距≥120 m，对工程无互相影响关系。

(3)拱腰和墙角受到断层错动剪切作用影响更大，这些位置集中出现斜裂缝。断层与隧道交叉部出现大量纵缝、环缝，可能出现衬砌剥落。

(4)断层倾角越大，衬砌纵向错动范围越小，位移曲线的斜率相应越大；倾角增大对衬砌横向位移有明显抑制作用，倾角越大横向位移越小。

(5)设计中可以按照隧道受错动影响程度，对隧道衬砌进行分区设防。

(6)为减轻断层错动对隧道结构安全性的影响，应在断层破碎带边缘处设置变形缝或伸缩缝。