康西瓦断裂错动对近断层隧道影响的数值模拟分析

王 杰，盛 俭，赵梦丹，王欣宇

（南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京 210009）

引言

隧道工程选线经常遇到断层问题，尤其在我国活断层分布广泛的西部地区。活断层错动会产生地层永久性位移，造成隧道衬砌开裂、渗水，衬砌错台、二衬掉块和隧道垮塌等［1－3］。所以研究断层错动对隧道结构的影响对保障隧道安全运行有重要作用。

近几年国内外关于断层错动对隧道结构受力的影响已有大量研究。主要集中于断层类型、断层倾角、位错量以及损伤特性的研究。邵润萌［4］分别对走滑断层、正断层和逆断层进行建模，研究隧道衬砌在不同断层错动方式下的受力特征，发现倾滑断层和走滑断层受到的影响部位不同且大小相反。汪振等［5］研究不同断层倾角作用下山岭隧道结构的变形特性，发现随断层倾角的增大，隧道衬砌处于严重损伤和完全损毁状态的长度要明显减小。马亚丽娜等［6］使用三维离散－连续耦合数值模拟方法研究断层错动对隧道响应特征影响的研究，发现随着断层错动量的增加衬砌位移有增大的趋势。梁建文等［7］认为在倾滑断层错动下，衬砌受压损伤最大值均分布在拱顶处，衬砌受拉损伤最大值均分布在拱腰处。Yan 等［8］发现衬砌节段间接头的调节可以有效减小结构受拉损伤的长度。

综上所述，已有研究主要集中于断层走向与隧道结构相交的情形。若隧道位于断层错动区间内，一般很难在震后幸免［9］。我国的隧道设计规范也明确要求隧道选址需要避让活断层［10－11］。且在实际工程中隧道结构与断层走向不相交的情形较多，但关于此方面的研究还较少。赵伯明等［12－13］建立走滑断层错动作用下距离断层破碎带不同长度的隧道结构，认为隧道与断层之间的距离为100 m 时处于安全状态。此结论是否适用于倾滑断层还需进一步研究。吴明［14］根据西安地铁3 号线的地质情况，开展了平行于地裂缝的地铁隧道避让距离研究，但其研究的是断层倾角为85°的正断层，未涉及逆断层的研究。同样的，贺凯［15］通过大型物理模型试验配合数值模拟仿真分析，确定近距离平行条件下断与隧道结构的安全距离，但其仅完成了一组模型试验的研究。陈之毅等［16］发现断层与隧道间距越远隧道结构受力越趋于稳定。但是其研究是针对隐伏逆断层。李廷春等［17］研究了隧道位置分别位于断层上下盘时隧道结构的变形特征，发现位于断层上盘的隧道比位于下盘的隧道更易受到断层错动影响，但其考虑的影响因素为较为单一。

鉴于近距离平行逆断层的隧道结构的受力特征还有待进一步分析。所以文中在之前相关研究的基础上，以康西瓦断裂为主要背景，利用ABAQUS 有限元软件建立隧道与断层走向平行的力学模型，模拟逆断层与隧道不同间距以及不同位错量下隧道结构的受力特征。文中多种工况下的数值研究成果将对近距离平行于断层走向的隧道工程研究是一个很好的补充。

1 工程概况

隧道附近的主要断裂为康西瓦断裂，该断裂一条大型带有逆冲分量的全新世活动断裂。总体沿北西、北西西向孤形延伸，断裂面向北倾，地表倾角60°～70°，属压扭性断裂。区域性主断裂带是划分西昆仑和喀喇昆仑褶皱系的分界断裂，对区内沉积建造、岩浆活动、变质作用以及地貌特征等具有明显的控制作用，沿断裂带地震遗迹广布。区内沿区域性断裂带岩浆活动较为活跃，主断裂带两侧均有岩浆岩出露。在主断裂带的巨大挤压及搓碎作用下，河谷两岸岩体中普遍有强烈的片理化、角砾岩化及构造混杂堆积等现象，形成宽达数公里的动力破碎变质带和构造混杂岩带，断裂带内的物质软弱，强度低，在外应力作用下，极易发生坍塌、碎落、滑塌以及泥石流等地质灾害。沿断裂还有第四纪火山岩及4～6 级震中分布，1948年策勒南6¼级地震，1963年6月26日麻扎6.0 级地震与该断裂有关。该断裂是十分活跃的全新世活动断裂，卫星影像上可以清晰的看到断裂断错了全新世的洪积扇（图1），虽然断裂与隧道大致平行未与隧道相交，但是和隧道的距离小于50 m，这种情况下，断裂活动是否会影响隧道的安全性还有待于进一步研究。

图1 断裂卫星影像图Fig.1 Satellite image of the fault

该断裂未来百年可能发生的最大震级为7.0 级左右，根据邓起东［18］建立的震级与地表破裂位错之间的关系，算出地震震级为7.0级时对应的断层的位错量为1.0 m。

2 隧道数值计算模型

文中的整体模型结构断层破碎带为一倾斜的薄弱岩体，模型长×宽×高为220 m×100 m×50 m。隧道轴向与断层走向平行，断层破碎带宽20 m，断层倾角为60°。同时为了更好的进行对比分析，建立隧道结构出口距离断层破碎带20、30、40、50 m 的4 个三维模型。隧道模型按照工程中常采用的三心圆拱，其外轮廓尺寸为高8.25 m、宽12.00 m，衬砌厚0.65 m，为了方便计算，将一衬和二衬简化为一体。具体衬砌尺寸见图1。模型由衬砌、围岩和断层破碎带三部分组成，均采用实体单元模拟。具体模型尺寸见图2、图3。

图2 衬砌尺寸及模型图Fig.2 Lining size and model figure（Unit：m）

图3 计算模型简图Fig.3 Diagram of computing model（Unit：m）

2.1 参数选取及断层面处理

计算时土体假设为理想弹塑性材料，围岩、断层均采用D－P弹塑性模型，将衬砌按完全弹性材料考虑，使用强度等级为C30混凝土［19］。模型中围岩及衬砌参数根据工程实际的勘察资料以及隧道设计规范确定，考虑到围岩抗断措施的效果，在此基础上提高了围岩的粘聚力和内摩擦角［20］。具体材料物理力学参数见表1。断层面接触采用ABAQUS软件中自带的可滑动接触方式，隧道－围岩接触面采用摩擦接触面形式。

表1 材料物理力学参数［19］Table 1 Physical-mechanical parameters of materials

2.2 边界条件

模拟逆断层错动时，由于断层有一定倾角，拟将速度沿坐标投影施加，即在上盘底面分别施加向上垂直速度和沿断层方向水平速度，下盘底面施加固定约束。设定错动时间为10 s，使得倾角60°的逆断层沿滑动面错动1 m，垂直错动位移分量0.87 m，垂直错动速度0.087 m/s，水平错动位移分量0.5 m，水平错动速度0.05 m/s［21］。

本次模拟主要研究断层错动作用下近断层隧道的变形情况，为了更好的进行对比分析，在隧道距离断层破碎带分别是20、30、40、50 m情况下，并考虑了错距分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m的应力及变形。

3 相同竖向位移距断层破碎带不同距离的模拟结果

本节研究在逆断层错动作用下不同隧道与断层破碎带之间的距离对隧道结构的变形与受力影响。通过数值模拟得到了位错量为1.0 m，间距分别为20、30、40 和50 m 时衬砌的数值计算结果，并据此就竖向位移及结构损伤情况进行分析。

3.1 隧道衬砌变形分析

隧道距离断层破碎带20 m，总位错量为1.0 m 时的断层竖向位移分布云图如图4 所示，与断层破碎带距离分别为20、30、40、50 m 的隧道衬砌竖向位移云图如图5所示。从图中可以看出，在逆断层错动作用下，随着隧道与断层破碎度的间距不断增加，隧道竖向位移不断减小；且隧道最大竖向位移值逐渐由偏拱腰一侧转移到拱顶处，位移整体呈正向移动。

图4 断层竖向位移分布云图Fig.4 Vertical displacement nephogram of fault

图5 不同间距下隧道竖向位移分布云图Fig.5 Vertical displacement nephogram of lining under different distance

表2统计分析了4 种工况下，隧道拱顶、仰拱、左拱腰和右拱腰的竖向位移值，由表中可以看出当隧道与断层破碎带的间距由10 m增加到40 m时，竖向位移变化比较显著，超出40 m之后，隧道拱顶、左拱腰和拱底的竖向位移下降缓慢。

表2 不同间距下隧道衬砌竖向位移统计分析表Table 2 Statistic and analytical table of liner vertical displacement under different distance

3.2 结构损伤分析

对于混凝土受压损伤，当受压损伤因子接近0.3 时开始出现受压损伤破坏，所以当损伤因子小于0.3 时处于安全状态。对于混凝土受拉损伤，当损伤值小于0.1 时处于安全状态，超过0.1 时开始出现受拉损伤破坏［22－23］，随着损伤值变大结构受到的破坏也越严重。

隧道距离断层破碎带20 m 时因断层错动产生的损伤云图如图6 所示。由图中可以看出隧道结构的受压损伤的最大值集中于拱脚处，受拉损伤集中于右侧拱腰处。受压损伤最大值为0.97，受拉损伤最大值为0.16均大于混凝土塑性损伤的临界值，所以在隧道距离断层破碎带20 m时隧道处于破坏状态。

图6 间距为20 m时隧道结构损伤云图Fig.6 Damage nephogram of tunnel with spacing of 20 m

表3统计了4种工况下隧道受到的损伤情况。由表中可以看出，随着隧道与断层破碎带距离的增加，受拉和受压损伤值均逐步减小。受压损伤最大值逐渐由右拱脚处转移到拱顶，受拉损伤最大值逐渐由右拱腰处转移到右拱脚处，且受压损伤最大值始终大于受拉损伤最大值。当L介于20 m 和30 m 之间时，隧道结构的受拉、压损伤值变化显著。当L大于30 m 时，受拉、压损伤值变化趋于平缓，此时受拉、压损伤最大值均低于混凝土塑性临界值，说明此时隧道结构处于安全状态，说明在位错量为1.0 m 时，断层错动对隧道结构造成损伤破坏的隧道与断层破碎带距离的临界值为30 m。

表3 不同位错下隧道损伤部位及最大值统计分析表Table 3 Statistic and analytical table of liner damage under different dislocation

4 相同间距不同位错量的模拟结果

本节保持隧道与断层破碎带之间的距离20 m 不变。分析逐步增加位错量情形下断层错动造成的隧道结构的变形与受力规律。断层位错量以0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m为例。

4.1 隧道衬砌变形分析

图7 表示位错量分别为0.2、0.8 m 时因断层错动隧道衬砌结构产生的竖向相对位移云图。由图中可以看出，随着位错量的增加隧道衬砌结构的竖向相对位移也随之增加。且隧道最大竖向位移值均集中于拱顶和右侧拱腰处，位移整体呈正向移动。

图7 不同位错量下隧道衬砌竖向位移分布云图Fig.7 Vertical displacement nephogram of lining under different dislocation

表4统计分析了4 种工况下隧道拱顶、仰拱、左拱腰和右拱腰的竖向相对位移值，由表中可以看出，当位错量为0.2 m 时，隧道最大值集中于拱顶处；随着位错量由0.2 m 增加到1.0 m 时，隧道竖向位移最大值由拱顶转移到右拱腰处。同时，拱顶的竖向位移始终大于仰拱的，左拱腰的竖向位移小于右拱腰的。究其原因为右拱腰为靠近断层破碎带一侧，逆断层发生错动时两盘沿着断层面产生挤压作用，且隧道围岩较坚硬将大部分变形直接传递给隧道，使隧道在靠近断层破碎带一侧发生较大相对位移。

表4 不同位错量下隧道衬砌竖向位移统计分析表Table 4 Statistic and analytical table of liner vertical displacement under different dislocation

4.2 结构损伤分析

位错量0.8 m，隧道与断层破碎带间距为20 m 时，因断层错动造成的隧道结构的损伤情况如图8 所示。从图中可以看出，隧道衬砌受压损伤主要集中分布在靠近断层一侧拱脚位置，隧道衬砌受拉损伤主要集中分布在靠近断层一侧拱腰位置，且受压损伤值大于受拉损伤值。此时隧道衬砌结构的受拉、压损伤值均大于混凝土塑性损伤临界值，说明此时隧道是处于破坏状态。

图8 位错量为0.8 m时隧道结构损伤云图Fig.8 Damage nephogram of tunnel with dislocation amount of 0.8 m

表5 表示在断层错动下位错量分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m 造成隧道衬砌结构损伤的统计分析表。从表中可以看出，随着断层位错量的增加隧道结构的受拉、压损伤越大，断层错动对隧道造成的破坏也越严重。当位错量为0.2 m 时，隧道结构还未产生损伤区域；位错量为0.4 m 时，隧道结构开始出现损伤；位错量超过0.4 m 时，隧道结构的受拉、压损伤值急剧增大，但在位错量为0.4 m 和0.6 m 时均未达到混凝土塑性损伤极限值，所以认为此时的隧道结构是处于安全状态；位错量达到0.8 m 时，隧道结构的受拉、压损伤值均大于混凝土塑性损伤临界值，此时隧道结构遭到破坏。说明在隧道与断层破碎带间距为20 m 时，断层错动作用下隧道结构产生破坏的临界位错量为0.8 m。

表5 不同位错量下隧道衬砌结构损伤统计分析表Table 5 Statistic and analytical table of liner damage under different dislocation

5 结论

通过对逆断层错动作用下近断层隧道的数值模拟分析，得到以下结论：

（1）在断层位错量一定的情况下，随着隧道结构与断层破碎带间距的增大，受到逆断层错动影响产生的竖向位移和损伤值均减小。且最大竖向位移值逐渐由隧道结构的顶部转移到右侧拱腰处。隧道结构的受压损伤破坏主要集中在隧道顶部和右侧拱脚处，右侧拱脚受压损伤值大于拱顶。受拉损伤破坏主要集中在隧道结构的左侧拱肩和右侧拱腰处，右侧拱腰的受拉损伤值大于左侧拱肩。受压损伤值均大于受拉损伤值。发现断层错动对隧道结构造成损伤破坏的隧道与断层破碎带距离的临界值为30 m。

（2）在隧道与断层破碎带距离一定时，随着断层位错量的增加，受到逆断层错动影响产生的竖向位移和损伤值均增大。发现断层错动作用下隧道结构产生损伤破坏的临界位错量为0.8 m。

（3）在进行近断层隧道设计时，对于受拉、压损伤剧烈的部位增加抗断设计，如布设锚杆、纵向钢筋以及柔性接头等。