双断层错动下隧道衬砌结构力学响应研究

王天木, 郑贺民, 徐 飞, 张建宇

(1.石家庄铁道大学安全工程与应急管理学院,河北 石家庄 050043;2.中国铁路设计集团,天津 300308)

目前国内学者主要对隧道穿越单断层进行大量研究[1-6],取得众多成果,跨双断层隧道衬砌力学响应分析[7]研究较少。本文主要研究双断层错动对隧道衬砌结构产生的影响,为日后的隧道修建与运营设置防护区域提供参考。

1 工程概况

新建汕汕铁路工程汕头湾隧道活动断裂区域起止桩号为DK160+980-DK161+480,经过的活动断裂带主要是北西向桑浦山断裂带。北西向桑浦山断裂带由多组断层组成,表现为地都-莲塘断裂、南陇水库-鮀东断裂、西坑-长德龙断裂和东山湖-龙坑断裂,本文取围岩等级以Ⅴ级为主的南陇水库-鮀东断裂中的主干断层(F9、F10)为主要研究对象,以探究最不利工况下跨双断层隧道衬砌结构力学响应特征。根据GNSS监测及水准测量成果,同时考虑监测存在一定的误差,推测断裂活动速率在水平方向和垂直方向均小于1 mm/a,以100 a为研究周期,考虑安全系数,取10 cm为最终错动距离。

2 模型建立及参数选取

2.1 模型尺寸选取

为了消除断层错动时边界条件对隧道结构的影响,模型沿隧道轴向长度为300 m,其中断层宽度均为20 m,隧道埋深40 m,模型尺寸为135 m×80 m×300 m,断层倾角为80°,隧道与断层走向交角为90°,正交穿过断层,如图1所示。采用Abaqus CAE建模,围岩与断层破碎带均采用三维结构实体单元模拟,假设为理想弹塑性材料,采用Mohr-Coulomb弹塑性准则。根据地质勘察报告,F9断层与F10断层处均为燕山期第三次入侵花岗岩,以粗砾砂为主,含少量角砾及粉粒,在数值仿真中按砂层取值。物理力学参数如表1所示。为了简化计算,衬砌结构简化为具有一定厚度的单层实体结构,衬砌外径为15 m,厚度为1 m,具体参数为密度2 700 kg/m3,弹性模量为390 MPa,泊松比为0.2。采用C3D8R八节点缩减积分单元对模型进行网格划分,划分结果如图2所示。

图1 隧道正交穿越双断层 图2 三维模型网格划分

2.2 材料属性确定

围岩与断层、围岩与隧道接触均按照相互作用设置摩擦系数,法向作用为“硬接触”,切向作用为“罚”,岩土与岩土之间摩擦系数为0.6,岩体与混凝土之间摩擦系数为0.8[8]。为模拟断层错动,同时考虑模型收敛,通过控制上盘位移、对下盘施加位移荷载的方法来模拟活动断层发生的过程。通过施加x、y两个方向的位移分量的方法模拟正断层位移荷载。位移荷载施加方式如图3所示。

表1 围岩物理力学参数

图3 位移荷载施加

3 计算结果及分析

3.1 错动距离对隧道衬砌最大主应力的影响

3.1.1 断层间距150 m

在两断层间距为150 m、断层错动距离为10 cm时,隧道衬砌不同部位的最大主应力如图4所示。

图4 断层错动10 cm时衬砌最大主应力云图(单位:Pa)

图5为断层间距150 m时不同错动距离下隧道衬砌拱顶等部位最大主应力分布变化。由图可以看出,随着断层错动距离的增大,隧道衬砌各部位受力也随之增大,其中正值为拉、负值为压。在上盘与断层破碎带交界处,衬砌拱顶受压,压应力最大值达2.4 MPa;仰拱的受力与拱顶相反,在上盘与断层破碎带交界处受拉,拉应力最大值达2.2 MPa;拱腰处在断层上盘与下盘交界处压应力最大,达到2.0 MPa,未达到混凝土抗压强度32.5 MPa。

综上分析,断层间距为150 m时,下盘处拱顶位置最大拉应力达2.46 MPa,上盘处仰拱部位最大拉应力为2.23 MPa,拱顶与仰拱位置处最大主应力均达到混凝土抗拉强度值,均超过混凝土抗拉强度1.71 MPa,隧道衬砌产生受拉破坏,隧道衬砌所受拉力增长幅度较大,应注意在隧道衬砌结构受拉区设置抗错断措施。拱顶与拱腰之间出现100 m过渡段,应力值基本为0 MPa,仰拱过渡段隧道衬砌开始受压,断层错动影响范围逐步扩散。在断层左右45～60 m范围内存在剧烈应力变化,判断该范围内混凝土存在破坏可能,该范围以外位置处隧道衬砌结构所产生最大主应力较小,可将双断层看作是两个独立断层进行分析。

图5 断层间距150 m不同断层错动距离下衬砌最大主应力分布

3.1.2 断层间距120 m

断层间距为120 m时力学响应特征与断层间距为150 m隧道衬砌力学响应特征相似。在上盘与断层破碎带交界处,衬砌拱顶以下盘处受拉为主;仰拱的受力与拱顶相反,在上盘与断层交界处以受拉为主;拱腰处在断层上盘与下盘交界处压应力最大。拱顶与拱腰部位在两断层间出现60 m过渡段;仰拱过渡段隧道衬砌出现受压,且压力增加0.5 MPa,断层错动影响范围逐步扩散(如图6所示)。在断层两侧50 m范围内存在剧烈应力变化,判断该范围内混凝土存在破坏可能,该范围之外存在最大主应力基本为0 MPa区域,故当断层间距为120 m,断层错动对隧道衬砌产生相互作用较弱,仍可将双断层作为两独立断层进行分析,对可能产生破坏部位进行分区设防。

图6 断层间距120 m不同断层错动距离衬砌仰拱最大主应力曲线下

3.1.3 断层间距90 m

图7为断层间距为90 m时不同断层错动距离下衬砌最大主应力。随着断层错动距离的增大,隧道衬砌不同部位的受力情况与断层间距为150 m和120 m时有所不同,隧道拱顶、拱腰及仰拱处均产生拉应力,拱腰处位于断层破碎带中心位置所受拉应力值最大为2.62 MPa;拱顶位置所产生最大拉应力达2.2 MPa;仰拱位置所产生最大拉应力为2.25 MPa,最大拉应力以断层中心位置向断层两侧45～60 m范围内产生影响,且均达到混凝土最大抗拉强度1.71 MPa,隧道衬砌存在产生张拉破坏的可能。

3.2 不同断层间距对隧道衬砌结构影响及规律

3.2.1 相同错动距离下衬砌最大主应力分析

相同倾角活动性断层,错动距离均为10 cm时,当断层间距不同时隧道结构各部位衬砌最大主应力如图8所示。

根据数值模拟结果可以得出,在相同错动距离、倾角的双断层区域,隧道拱顶衬砌结构在断层间距为120～150 m范围时,最大主应力在断层两侧呈对称分布,且两断层间存在平滑过渡区域。拱顶所受最大主应力在断层间距为150 m时,以上盘受压为主,最大主应力为2.4 MPa,且最大主应力峰值不随着断层间距的减小而产生较大变化。当两断层间距为90 m时,拱顶最大主应力以受拉为主,且上盘隧道衬砌受力状态发生改变,拉应力最大值为2.25 MPa。

图7 断层间距90 m不同断层错动距离下衬砌最大主应力

拱腰处在断层间距为120～150 m情况下,衬砌结构在断层中心位置以受压为主,中间过渡段呈“凹”型分布,且随着断层间距的减小,拱腰位置呈现受拉趋势,当断层间距为120 m时,衬砌结构中部受力相较于断层间距为135 m情况时增大29.6%。当断层间距为90 m时,拱腰处均受到张拉作用,拉应力最大值为2.62 MPa,且两断层间拉应力为0.48 MPa。

在隧道仰拱处,当断层间距为120～150 m范围时,仰拱处衬砌结构在断层两侧45～60 m范围内受相反作用力,且受力拉压情况与拱顶受力位置相反。在断层间距为150 m时,以下盘受压为主,压应力为2.60 MPa;当断层间距为90 m时,仰拱处衬砌以受拉为主,拉应力最大值为2.25 MPa,两断层间隧道衬砌应力出现叠加部分,应力值为0.64 MPa。

随着断层间距的减小,隧道衬砌拱顶与仰拱位置受压区域最大压应力逐渐减小,当断层间距为90m时,隧道拱顶及仰拱位置均以受拉为主,应对包含断层在内区域设置抗错断措施,防止隧道产生张拉破坏。

图8 错动距离相同、断层间距不同时衬砌最大主应力分布

3.2.2 隧道衬砌剪应力分析

图9显示当断层间距为150 m时、错动距离达到10 cm隧道衬砌的剪应力云图,剪应力最大值主要集中在衬砌拱腰位置,由于衬砌结构完全对称,剪应力对称分布,取右侧进行研究。

图10显示不同断层间距情况下隧道衬砌拱腰位置剪应力曲线,剪应力最大值为16 MPa,大于C50混凝土抗剪强度3.2 MPa,衬砌拱腰处发生剪切破坏。根据应力曲线可以看出,随着断层错动距离增加,剪应力的大小随之增加,但影响范围基本不发生变化。

当两断层间距为150 m时,隧道衬砌产生剪应力范围主要集中在断层破碎带中心两侧45 m范围内,其余部位未见产生明显剪应力,故断层错动对隧道衬砌剪应力未产生相互影响;当断层间距不断减小时,在一定断层错动距离下,隧道衬砌剪应力最大值并不受到断层间距改变的影响,当断层间距为90 m时,由图10可以看出剪应力产生剪应力部位出现叠加,并且远超混凝土抗剪强度,因此应在双断层范围内设置抗剪措施,重点关注。

图9 断层间距150 m、错动10 cm时衬砌剪应力应力云图(单位:Pa)

图10 不同错动距离不同断层间距衬砌剪应力分布

4 结论

(1)正断层错动后,隧道结构拱顶与仰拱位置受拉应力占主导位置,导致衬砌受围岩张拉牵引更加严重,衬砌结构更加容易产生破坏。

(2)随着断层错动距离的增大,隧道衬砌结构最大主应力、剪应力不断增大,但衬砌结构影响范围不随错动距离大小影响,主要集中在断层面附近45～60 m范围内。当断层破碎带宽度为20 m、断层间距大于120 m时,两断层间距对隧道衬砌无相互作用,可当作两个单断层进行独立分析,隧道结构拱顶位置在下盘处主要受张拉作用,在上盘处以受压为主,仰拱位置受力与之相反。

(3)当断层破碎带宽为20 m、断层间距大于等于120 m时,拱腰最大主应力出现在上盘与下盘交界位置处,以受压为主;当断层间距为90 m时,双断层产生错动时,衬砌结构以受拉为主,且在断层破碎带处产生张拉破坏。随着断层间距的减小,隧道衬砌拱顶与仰拱位置受压区域最大压应力逐渐减小,当断层间距为90 m时,隧道拱顶及仰拱位置均以受拉为主,且隧道衬砌发生张拉破坏。

(4)当断层间距大于等于120 m时,应对断层破碎带两侧45～60 m范围内进行分区设防。