不同隧道斜穿断层角度下衬砌结构力学演化规律分析

赵树林 张超翔 张志强

地铁建设中遇到的困难和难题越来越多，其中活断层错动成为世界各国地铁工程中亟待解决的问题。以乌鲁木齐轨道交通4号线为工程依托，建立了三维有限元跨断层隧道数值模型，分析了不同隧道斜穿断层角度对衬砌结构力学演化规律的影响，获得了20°、30°、40°、50°交角断层错动下隧道衬砌结构的变形规律、应力规律以及塑性区分布规律，为相关工程提供了理论依据。

隧道； 断层； 斜穿角度； 衬砌结构； 力学演化规律

U455.91 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金项目］高铁联合基金项目（项目编号：U1934213）；国家自然科学基金项目（项目编号：51878572）

［作者简介］赵树林（1975—），男，本科，高级工程师，研究方向为城市轨道交通。

进入21世纪后，地铁作为一种城市公共轨道交通工具，它既能快速、安全、方便地解决交通问题，同时占地面积少、噪音小、污染少，俨然成为最为理想的交通系统。然而，在修建地铁过程中遇到的困难和难题越来越多，比如下穿或近接重要建筑物、下穿河流、不同地层盾构选型、穿越地裂缝以及活断层等等。其中活断层错动成为世界各国地铁工程中亟待解决的问题。

活动断层是指会发生位错的断层，穿越活动断层地铁隧道结构在粘滑错动下在纵向产生较大的变形，衬砌结构受到拉压和弯剪等复杂的应力状态，断层面处产生开裂、错台、剥落、裂缝等严重的破坏形态，其他位置也产生不同程度的破坏形态，对于小交角斜穿活动的地铁隧道，衬砌结构也会产生扭转、轨道不平顺等破坏形态。目前国内外学者进行了大量研究：宋惠珍、苏生瑞等［1-2］通过数值分析理论推导等手段分析了正逆断层错动条件下滑动面的延展情况与地应力发展规律；金浏、王滨等［3-4］研究了断层错动条件下埋地管线的屈曲特征及地震响应规律，探明了埋地管线纵向变形规律和受力特征；邓亮等［5］采用损伤理论探明了列车循环震动荷载条件下基底动力累积损伤及开裂特征。

不同交角会对衬砌结构的变形和受力状态产生不同的影响。因此，本文采用数值模拟的手段来研究活动断层错动下衬砌结构变形及力学行为。

1 计算模型及参数选取

乌鲁木齐轨道交通4号线为中心城内东西向的骨干线，线路全长29.45 km，共设车站21座。4号线在红光山东路穿越碗窑沟断层，碗窑沟断层属博格达弧形推覆构造西段内部的反冲断层，发育在侏罗系内。碗窑沟断层西起平顶山西南，向NE延伸，长约55 km，平面上呈向北突出宽缓弧形。断裂走向NE，断面倾向N，倾角40°～80°，为逆冲性质。穿越碗窑沟断层区间段采用矿山法，断面形式为马蹄形，该段隧道整体位于第四系地层内，综合围岩分级为V级。

围岩采用相关联流动的D-P屈服准则，并考虑围岩加固区对粘聚力和内摩擦角的提高，加固区弹性模量、粘聚力按照提高20%～30%考虑。隧道结构采用Solid65单元，采用MISO定义混凝土受压应力应变关系，使用TB，CONCR定义混凝土抗拉极限强度。围岩以及支护结构的的物理力学参数如表1、表2所示。

交角的存在会对地铁隧道结构的变形和受力状态产生不同的影响，小交角情况更明显，活动断层与地铁隧道斜交平面如图1所示。

为掌握交角存在对地铁隧道结构的影响规律，分别选取交角为20°、30°、40°和50°的荷载工况，利用Ansys建立地层-结构模型，并在上盘底部施加强制位移进行求解计算，断层倾角、材料参数、接触参数与上文相同。

三维有限元分析模型尺寸为长×宽×高=200.2 m×40 m×43.6 m，即隧道纵向长度200 m，横向宽度取40 m，高度取43.6 m，隧道拱顶到地面取15 m。隧道采用复合式衬砌，接触面采用扩展拉格朗日法计算，其中，断层上下盘接触面接触行为设定为可滑动但不分离模式，以还原断层面上的错动力学行为；初支与围岩接触面接触行为设定为可分离模式（图2）。

2 计算结果分析

2.1 变形分析

错距50 cm时不同交角的衬砌结构竖向变形曲线如图3所示，由图3可知，在黏滑错动后，隧道衬砌结构沿着纵向发生了“S”状弯曲形变以适应错动位移。隧道衬砌结构产生了纵向弯曲变形。

斜交角度对衬砌结构拱顶和仰拱竖向变形曲线线型影响不大，对变形范围影响较大。交角20°时，衬砌结构竖向变形受影响范围为-80～55 m；交角50°时，衬砌结构竖向变形受影响范围为-60～50 m。

随着斜交角度的增大，衬砌竖向变形更大，曲线斜率也更大，即斷层面附近的竖向变形曲线相对较陡。可得，断层与隧道交角越大，土体对衬砌结构变形的约束作用越大。

图4为错距50 cm时不同交角下的衬砌结构两侧拱脚横向变形曲线。由图可知，断层错动不仅引起衬砌结构纵向变形，还出现水平方向变形。从变形曲线可以得出，上盘横向变形大于下盘，右拱脚横向变形大于左拱脚。左拱脚的最大横向变形发生在上盘距离断层面24.8 m处，为2.56 cm；右拱脚的最大横向变形发生在上盘距离断层面24.8 m处，为3.64 cm。此外，交角越大，横向变形最大值越靠近断层面。

2.2 受力响应规律分析

不同斜交角度下衬砌结构第一主应力云图如图5所示。由图5可知，上盘拱顶和拱腰部分的拉应力比较集中，下盘仰拱和墙脚部分的拉应力比较集中。随着交角的增大，衬砌结构的第一主应力最大值分别为24.6 MPa、24.7 MPa、24.7 MPa、25.1 MPa。可见，随着交角的增大，第一主应力增大。

为具体分析衬砌结构第一主应力的变化规律，提取衬砌结构拱顶和仰拱的第一主应力，绘制如图6所示的第一主应力纵向分布曲线。由图6可知，随着隧道交角的增大，上盘拱顶的第一主应力分别为18.89 MPa、19.37 MPa、19.88 MPa、21.88 MPa，交角越大，第一主应力越大。

图7为衬砌结构第三主应力变化图。由图7可知，仰拱结构的受压范围主要集中在-80.0～25.0 m，交角的变化对仰拱的第三主应力影响较小。拱顶第三主应力的分布范围为-15.0～70.0 m。隧道交角增大，第三主应力最大值增大，最大值所在位置接近断层面。

2.3 塑性分析

图8为活动断层错动完成后衬砌结构等效塑性云图，由图8可知，衬砌结构的塑性区主要在上盘仰拱到墙脚区域和下盘拱顶到拱腰区域。随着交角从20°增大到40°过程中，塑性区最大值分别为1.12‰、0.99‰、0.86‰，可见，交角越大，塑性最大值越小。

3 结论

（1）断层与隧道斜交角度越大，断层面附近变形曲线越陡，竖向变形越明显，隧道纵向变形范围越小。

（2）斜交情况下，衬砌结构不仅产生纵向变形，还出现水平方向变形，交角越小，横向变形范围越大。

（3）活动断层错动影响下，交角越大，衬砌结构拉应力响应最大值越大，纵向受影响范围略微减小，且受压应力分布规

律与受拉基本相同。

参考文献

［1］ 宋惠珍， 曾海容， DenisHeliot， 等. 逆冲断层应力场的数值模拟［J］. 地震地质， 1999（3）：275-82.

［2］ 苏生瑞， 朱合华， 王士天， 等. 断裂物理力学性质对其附近地应力场的影响［J］. 西北大学学报（自然科学版）， 2002（6）：655-8.

［3］ 金浏， 李鸿晶. 逆冲断层作用下埋地管道屈曲分析［J］. 工程力学， 2011，28（12）：98-104.

［4］ 王滨. 断层作用下埋地钢质管道反应分析方法研究 ［D］. 大连：大连理工大学， 2011.

［5］ 邓亮， 郑欣. 基于损伤理论的隧道衬砌结构动力破坏模式研究［J］. 公路交通科技（应用技术版）， 2018，14（4）：213-6.