基于Abaqus 对断层错动下高速铁路隧道衬砌受力变形模拟研究

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 200001；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

随着我国高速铁路、高速公路、城市地铁等基础设施的大量兴建，隧道等地下工程常常需要穿越活动断层。活动断层的存在会引起地层产生变形及错位，这将引起隧道产生过大变形、错位甚至局部坍塌等灾害[1-2]。在隧道线路选址时一般应尽量避免线路接近或穿越活动断层。然而，实际工程中，考虑到经济性、线路走向等因素的限制，仍有很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的受力变形特性及安全性等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产生严重破坏的最主要原因[3-6]。目前对断层错动对隧道衬砌结构受力变形的影响主要采用室内模型试验和数值模拟两种手段进行研究。Shahidi[7]对比分析了断层黏滑错动下Koohrangs 三号隧道的二次衬砌减错缝的设置效果。熊炜[8]借助于商业有限元分析软件Marc 软件探究了正断层活动下隧道结构的受力与变形变化机制，探讨了断层位错量、倾角以及隧道结构埋深等对其的影响，归纳得出衬砌的破坏模式。唐晓杰[9]借助于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，探讨了注浆加固对不同工法下断层破碎带变形的影响及控制效果。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，探讨了断层滑移量与地震波输入方向对衬砌微裂缝产生量、衬砌受力变形的影响规律。

为进一步揭示断层错动下铁路隧道衬砌结构力学响应机制，采用数值分析方法研究断层错动下杭温铁路区间隧道衬砌结构受力变形机制，探讨断层位移、倾角、破碎带宽度以及隧道埋深、衬砌厚度等对隧道衬砌变形和破坏的影响。所得结论对铁路隧道穿越断层破碎带时隧道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、浦江县两地，隧道洞身穿越地层岩性为侏罗系黄尖组J3h 凝灰岩。该隧道共穿越5 条断层带和11 条节理密集带，断层与线路夹角约为34°～68°，视倾角为76°～84°。破碎带内裂隙发育，岩体破碎，岩芯多为碎块状、角砾状。隧道区内的地下水较发育，主要为基岩裂隙水、构造裂隙水。整个隧道高低温地应力变化大，存在岩体破碎、岩爆、坍塌、浅埋突水等施工风险。

隧道设计采用单洞双线隧道方案，断面形状为马蹄形，净宽×净高=14.86m×12.74m，采用由初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌方案。设计行车速度为350km/h。隧洞全长10240.34m，最大埋深200 多米，为杭温铁路最长隧道。

2 数值计算模型

2.1 计算模型的建立

根据地质勘察报告，选取IV 级围岩进行模拟。根据圣维南原理，当模型尺寸足够大，例如模型边界至隧道边缘的最小距离超过隧道半径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，设置模型的长、宽和高分别为150m、90m 和80m。隧道埋深取50m，最大开挖洞径为13.3m。考虑到断层破碎带的影响，在计算模型长度方向设置与隧道走向夹角为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。铁路隧道整体计算数值分析模型如图1 所示。

图1 铁路隧道整体计算模型

2.2 计算参数选取

在进行模拟时，隧道围岩及断层破碎带岩体采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型，衬砌采用弹性模型。计算时，只考虑自重产生的初始应力场作用；考虑不同介质之间存在相对滑动，在衬砌管片与围岩以及断层破碎带与围岩之间设置摩擦接触，摩擦系数取0.4。其中，衬砌管片之间以及管片与围岩之间为可分离的硬接触，而断层破碎带之间设置为不可分离的硬接触。

2.3 数值模拟过程

具体开挖模拟过程分四步：第一步：施加初始地应力；第二步：通过单元生死实现开挖隧道；第三步：激活单元实现衬砌结构的施加；第四步：在隧道断层上、下盘的边界上施加相反方向的位移以实现断层错动作用的模拟。

3 计算结果及分析

图2 给出了断层破碎带宽度为12m、位错量分别为0.1、0.3 和0.6m 时地表竖向位移沿隧道走向的变化情况。从图中可看出：在一定的断层位错量下，断层上、下盘的相对错动导致地表竖向位移沿着隧道走向从0 逐渐增大到峰值后，然而急剧下降到最小值后又沿着隧道走向逐渐趋于0。不同位错量下地表竖向位移沿隧道走向的变化趋势相同，但位移峰值不同。位错量越大，位移峰值越大。从图中还可以看出，地表竖向位移峰值所处位置基本不变，且竖向位移起伏变化范围约为50m，近似等于4 倍断层破碎带宽度范围。这是由于平均位错量越大，断层上下盘错动的能量也越大，地表竖向位移也相应增大。

图3 和图4 给出了断层破碎带宽度为12m、位错量分别为0.1、0.3 和0.6m 时衬砌拱腰最大和最小主应力沿隧道走向的变化情况。从图中可看出：隧道衬砌左、右拱腰处的最大主应力均为正值（拉力），最小主应力均为负值（压力）；对于某一给定的位错量下，隧道衬砌拱腰处的最大和最小主应力沿着隧道走向从某一值逐渐增大/减小到峰值后再逐渐减小/增大到初始值附近。对于不同的断层位错量，最大和最小主应力的变化趋势相同，但峰值却随着断层位错量的增大而增大。从图中还可看出，最大和最小主应力出现的位置基本相同。对于左拱腰，不同位错量下最大主应力值在距离模型后端1 倍断层破碎带宽度处达到最大值，而最小主应力峰值在模型前端1 倍断层破碎带宽度处出现峰值；对于右拱腰，峰值出现规律恰好相反。

图4 不同位错量下衬砌拱腰最小主应力沿隧道走向的变化情况

4 结论

本文以某高速铁路区间隧道为研究对象，针对断层错动以及断层宽度和倾角下隧道衬砌结构受力变形进行了数值模拟与分析，研究了不同断层位错量、断层宽度及倾角下衬砌结构响应的变化规律，可知：

①断层破碎带附近隧道管片由于断层上下盘的相对错动导致衬砌管片的弯矩、应力和竖向位移变化都会发生激烈波动，此处极易产生拉扭弯矩而发生破坏现象。

②断层上、下盘相对位错量越大，其错动能量也越大，导致地表竖向位移峰值越大，其影响范围约为4 倍断层破碎带宽度范围。

③不同的断层位错量导致衬砌拱腰处的最大和最小主应力沿隧道走向的变化趋势相同，但其峰值却随着断层位错量的增大而增大。最大和最小主应力出现的位置基本相同，均在断层破碎带与围岩交界面处。