断层错动对高速铁路隧道衬砌结构受力变形特性的影响研究

严申华 YAN Shen-hua；邹嘉炜 ZOU Jia-wei；陈美鹏 CHEN Mei-peng；万进明 WAN Jin-ming；徐振扬 XU Zhen-yang；付宁 FU Ning；郑春铭 ZHENG Chun-ming；宋飞 SONG Fei；李海潮 LI Hai-chao；周青 ZHOU Qing；兰福东 LAN Fu-dong；李志 LI Zhi；黄天炜 HUANG Tian-wei；邹红湘 ZOU Hong-xiang；林颖典 LIN Ying-dian

（①中国铁路上海局集团有限公司杭州铁路枢纽工程建设指挥部，杭州 310009 ；②中铁二十二局集团有限公司，北京 100043；③中铁上海工程局有限公司，上海 200000；④中铁十二局集团有限公司，太原，030024；⑤浙江大学海洋学院，杭州 310058；⑥浙江卡浦乐尔混凝土技术有限公司，杭州 310015）

0 引言

随着我国大规模兴建高速铁路、高速公路、城市地铁等基础设施，地下工程如隧道常需穿越活动断层。活动断层存在会导致地层发生变形和错位，从而引发隧道产生过大变形、错位甚至局部坍塌等灾害[1-2]。在选址隧道线路时，通常应尽量避免线路接近或穿越活动断层。然而，在实际工程中，由于经济性、线路走向等因素的限制，仍有许多隧道需要修建在断层附近甚至穿越断层。因此，研究断层错动对隧道结构受力变形特性及安全性等方面的影响具有重要的理论价值和工程实际意义。

断层错动是导致隧道衬砌结构严重破坏的主要原因[3-6]。目前，研究断层错动对隧道衬砌结构受力变形影响的方法主要包括室内模型试验和数值模拟。Shahidi[7]对比分析了断层黏滑错动下Koohrangs 三号隧道中二次衬砌减错缝的效果。熊炜[8]利用商业有限元分析软件Marc 研究了正断层活动对隧道结构受力和变形的机制，探讨了断层位错量、倾角和隧道埋深等因素的影响，并总结了衬砌的破坏模式。唐晓杰[9]使用Flac 软件模拟分析了不同施工工法下地铁隧道穿越断层破碎带时围岩的变形情况，研究了注浆加固对不同工法下断层破碎带变形的影响和控制效果。甘星球[10]通过振动台试验研究了断层错动和地震共同作用下隧道衬砌结构的响应，探讨了断层滑移量和地震波输入方向对衬砌微裂缝产生量和受力变形的影响规律。陶连金[11]研究了逆断层错动对浅埋地铁隧道受力变形的影响机制，研究了不同断层错动距离和隧道埋深下隧道结构受力变形的变化规律。

为了深入了解断层错动对铁路隧道衬砌结构的力学响应机制，本研究采用数值分析方法，探究了杭温铁路区间隧道在断层错动下的衬砌结构受力变形机制。研究重点包括断层位移、倾角、破碎带宽度、隧道埋深以及衬砌厚度等因素对隧道衬砌的变形和破坏的影响。通过这些研究结果，可以为铁路隧道在穿越断层破碎带时的设计与施工提供参考和依据。

1 依托工程概论

杭温铁路二期工程木匪岭隧道横穿浙江省桐庐县和浦江县，穿越的地层岩性为侏罗系黄尖组J3h 凝灰岩。该隧道穿越了5 条断层带和11 条节理密集带，断层与线路夹角约为34°至68°，视倾角为76°至84°。在破碎带内，岩体发生破碎，岩芯多为碎块状或角砾状。隧道区域地下水发育，主要包括基岩裂隙水和构造裂隙水。整个隧道面临着高低温地应力的大幅变化，存在施工风险，如岩体破碎、岩爆、坍塌和浅埋突水等。

该隧道采用单洞双线隧道方案，断面形状为马蹄形，净宽度为14.86m，净高度为12.74m。设计方案采用了由初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌方案。设计时考虑了行车速度为350 公里/小时。隧道的全长为10240.34m，最大埋深超过200m，是杭温铁路中最长的隧道。

2 数值计算模型

2.1 计算模型的建立

根据地质勘察报告，选择了IV 级围岩进行模拟。根据圣维南原理，在模型尺寸足够大的情况下，即模型边界至隧道边缘的最小距离超过隧道半径的3 倍时，可以忽略计算模型边界截断对计算结果的影响。因此，根据隧道洞径的大小，我们设置了模型的长、宽和高分别为150m、90m和80m。隧道的埋深为50m，最大开挖洞径为13.3m。考虑到断层破碎带的影响，我们在计算模型的长度方向上设置了与隧道走向夹角为71°、宽度为12m、视倾角为80°的断层破碎带。计算模型的顶部设为自由边界，侧面设为水平向约束，底部设为竖直约束。图1 展示了数值分析模型的示意图。

图1 铁路隧道数值分析模型

2.2 计算参数选取

在进行模拟时，采用了Mohr-Coulomb 弹塑性模型来描述隧道围岩及断层破碎带岩体的行为，而衬砌则采用弹性模型。在计算过程中，考虑了自重产生的初始应力场的影响；同时考虑了不同介质之间的相对滑动，在衬砌管片与围岩以及断层破碎带与围岩之间引入了摩擦接触，摩擦系数设定为0.4。衬砌管片之间以及管片与围岩之间采用可分离的硬接触模型，而断层破碎带之间采用不可分离的硬接触模型。

表1 隧道围岩及衬砌物理力学性质参数

2.3 数值模拟过程

具体的开挖模拟过程可分为四个步骤：第一步是施加初始地应力；第二步是通过单元的激活与去激活来实现隧道的开挖；第三步是激活单元以施加衬砌结构的应力；第四步是在隧道断层的上下盘边界上施加相反方向的位移，以模拟断层的错动作用。

3 计算结果及分析

断层宽度值大小对隧道衬砌响应有重要影响。为揭示断层破碎带宽度对其的影响，分别取破碎带宽度为8m、12m 和15m 以及断层位错量为0.3m，计算了沿隧道走向的衬砌拱腰处纵向应力，其结果如图2 所示。从图中可看出，对于一定的断层宽度和位错量下，左拱腰处的纵向应力沿着隧道走向由0 逐渐增大到最大值（正值），然后又逐渐减小到最小值后再继续增大（负值）到0；右拱腰处的变化规律与左拱腰类似。对于不同的断层宽度，曲线的变化规律相同，但峰值不同。断层宽度越大，峰值也越大。这说明在错动位移作用下，在断层破碎带内产生了剪应力，使得一盘受到拉应力，另一盘受到挤压应力作用，从而导致衬砌发生弯曲变形。

图2 不同破碎带宽度下衬砌拱腰纵向应力沿隧道走向的变化情况

为了更进一步分析断层倾角和破碎带宽度对衬砌受力变形的影响，还计算了断层宽度为8m、12m 和15m 以及断层倾角分别为60°、70°、80°和90°时隧道衬砌拱顶最大下沉量和拱底最大隆起量，其结果如图3 所示。从图中可看出：在一定的破碎带宽度下，拱顶最大下沉变形量随断层倾角的增大而增大；拱底最大隆起变形量则随着断层倾角的增大而先增大，并在80°时达到最大值，然后再随之减小。断层宽度越大，相应地拱顶和拱底最大变形量越大。当断层宽度依次为8m、12m 和15m 时，断层倾角从60°增大到90°区间内拱顶的最大下沉量增幅分别为18.0%、11.5%和10.4%。拱底隆起情况则相反。当断层宽度依次为8m、12m 和15m 时，断层倾角从60°增大到90°区间内拱底最大隆起量增幅分别为25.0%、17.5%和14.3%。因此，断层宽度越大，断层倾角变化对隧道拱顶下沉影响越小，对拱底隆起影响越大。

图3 不同破碎带宽度下衬砌最大竖向位移与断层倾角的关系

从图3 中还可以看出，当断层倾角一定时，断层宽度对衬砌拱顶和拱底竖向位移有很大影响。当断层宽度依次为8m、12m 和15m 时，倾角从60°增大到90°内拱顶最大下沉量增幅分别为28.0%、33.3%、23.2%和19.8%，而拱底最大隆起量增幅分别为53.1%、44.7%、40.0%、45.9%。说明断层倾角对衬砌拱顶和拱底竖向位移都有重要影响，尤其是对拱底隆起变形影响最大。

4 结论

本研究以一条高速铁路区间隧道为研究对象，通过数值模拟和分析，研究了断层错动、断层宽度和倾角对隧道衬砌结构受力和变形的影响。通过观察不同断层位错量、断层宽度和倾角条件下衬砌结构的响应变化，得出以下结论：①断层宽度对隧道衬砌受力变形有重要影响。在一定的断层宽度和位错量下，衬砌拱腰处会产生拉应力和压应力，说明在错动位移作用下断层破碎带内产生了剪应力，使得一盘受到拉应力，另一盘受到挤压应力作用，从而导致衬砌发生弯曲变形。②断层宽度和倾角变化对隧道衬砌竖向位移有重要影响。断层宽度和倾角越大，对拱底隆起变形影响最大，但对拱顶下沉影响次之。