谷柏森++吳建勛++宋磊++劉金棟

摘要：針對(duì)活動(dòng)斷裂帶引起的隧道結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，依托四川棋盤石公路隧道，基于鏈?zhǔn)揭r砌的抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)理念，分析在逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)不同鏈?zhǔn)揭r砌節(jié)段長(zhǎng)度下，隧道結(jié)構(gòu)圍巖壓力、塑形應(yīng)變及最大主應(yīng)力的變化規(guī)律與分布特征，探討合理的襯砌節(jié)段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，可為同類工程抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：斷層錯(cuò)動(dòng)；抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)；鏈?zhǔn)揭r砌；受力變形特征

中圖分類號(hào)：U455.46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

引言

活動(dòng)斷裂引起的錯(cuò)動(dòng)破壞與地震破壞是當(dāng)今制約隧道結(jié)構(gòu)安全的兩大問(wèn)題。在鐵路和公路的選線設(shè)計(jì)中，不可避免地會(huì)遇到隧道穿越（或接近）活動(dòng)斷裂帶的情況。如何減小斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性的影響是設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)之一。

調(diào)研表明，由于隧道結(jié)構(gòu)和斷層錯(cuò)動(dòng)之間的影響關(guān)系不明確，致使抗斷設(shè)計(jì)中參數(shù)的選取十分困難。為完善隧道結(jié)構(gòu)抗斷層錯(cuò)動(dòng)設(shè)計(jì)，評(píng)判處于活斷層區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)的安全性，本項(xiàng)目依托棋盤石隧道，采用數(shù)值分析的手段研究活動(dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的影響，探討不同節(jié)段長(zhǎng)度在斷層錯(cuò)動(dòng)位移下的力學(xué)響應(yīng)，為合理設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)動(dòng)提供依據(jù)和參考。

1 鏈?zhǔn)揭r砌計(jì)算模型

1.1 工程概況

工程為棋盤石公路隧道，隧址區(qū)發(fā)育F22及F22-l逆沖斷層，其中，F(xiàn)22-l斷層近似正交穿越洞身，傾角65°～80°，長(zhǎng)120m.寬40m.兩側(cè)影響帶約50m，該段隧道埋深120～180m，如圖l所示。斷層上下盤巖性均為灰?guī)r，巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，呈碎裂狀，完整性較低，綜合判定斷層內(nèi)圍巖為V級(jí)，兩側(cè)圍巖為Ⅳ級(jí)。

隧道橫斷面為兩車道標(biāo)準(zhǔn)斷面，初襯為C20素混凝土，二襯為C25鋼筋混凝土，穿越斷層時(shí)進(jìn)行小導(dǎo)管全斷面注漿，形成錨固區(qū)。考慮隧址區(qū)斷層分布范圍廣，日后活動(dòng)的可能性較大，為提高襯砌結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)斷性能，采取“襯砌節(jié)段十剪切縫”的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)方案，如圖2所示。

1.2 三維數(shù)值計(jì)算模型與力學(xué)參數(shù)

利用ABACUS有限元軟件建立三維計(jì)算模型，考慮隧道主體結(jié)構(gòu)、斷層及其影響帶范圍，模型尺寸為160m×70m×（120～l80）m，斷層與隧道軸線正交，傾角80°，如圖3所示。

計(jì)算中涉及的圍巖、初襯、二襯及剪切縫均定義為實(shí)體單元，其中初襯與剪切縫為線彈性材料，圍巖、斷層及二襯節(jié)段視為彈塑性材料。圍巖、襯砌材料的力學(xué)參數(shù)依現(xiàn)場(chǎng)地勘及現(xiàn)行規(guī)范取值；錨固區(qū)重點(diǎn)考慮圍巖粘聚力與彈性模量的增強(qiáng)作用，按提高20%后計(jì)算；剪切縫依工程經(jīng)驗(yàn)，按強(qiáng)度折減法，折減為二襯材料的1%，關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表l。

1.3 錯(cuò)動(dòng)模擬

本文僅分析隧道投入運(yùn)營(yíng)后，斷層錯(cuò)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)受力變形特征，不考慮施工擾動(dòng)。斷層單次錯(cuò)動(dòng)0.5cm，累計(jì)錯(cuò)動(dòng)最大為20cm（節(jié)段長(zhǎng)度取lOm），沿坐標(biāo)投影方向施加，考慮斷層傾角的影響。

模擬分兩步：隧道和圍巖在地應(yīng)力下達(dá)到平衡；逆斷層錯(cuò)動(dòng)（下盤不動(dòng)，上盤抬升）。第一步時(shí)，模型底部豎直方向、四周水平方向施加固定約束，上部邊界保持自由；第二步時(shí)，上盤地面、左側(cè)面施加位移邊界條件以模擬上盤抬升。

1.4 工況設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)4組工況，其中工況l為對(duì)比模型，未采用鏈?zhǔn)揭r砌結(jié)構(gòu)；工況2到工況4的剪切縫寬度均為0.3m，考慮現(xiàn)行的二襯模筑工藝，取節(jié)段長(zhǎng)度為5～10m，詳見(jiàn)表2。

2 二襯結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析斷層錯(cuò)動(dòng)位移條件下，二襯背后壓力、塑性應(yīng)變及最大主應(yīng)力的變化規(guī)律與分布特征，以同等錯(cuò)動(dòng)位移下的力學(xué)指標(biāo)或允許最大錯(cuò)動(dòng)位移為判據(jù)，評(píng)價(jià)鏈?zhǔn)揭r砌的抗錯(cuò)斷效果。

2.1 二襯背后壓力變化規(guī)律與分布特征

四種工況下，二襯壓力分布如圖4所示。

工況l中，圍巖壓力分布比較均勻，沿?cái)鄬訁^(qū)左右對(duì)稱，拱腰處的圍巖壓力最大，仰拱處最小。相比于工況3和工況4，工況2的圍巖壓力在上盤的分布比較均勻，端部受邊界條件的影響，壓力增大。隨著節(jié)段長(zhǎng)度的逐漸增大，斷層錯(cuò)動(dòng)處受力集中，并逐漸向下盤區(qū)域轉(zhuǎn)移；當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度為lOm時(shí)，下盤受上盤的影響在斷層錯(cuò)動(dòng)處也產(chǎn)生了壓力集中現(xiàn)象。

取四種工況下圍巖壓力最大處的點(diǎn)繪制該處圍巖壓力隨斷層錯(cuò)動(dòng)位移的變化關(guān)系，如圖5所示。

二襯背后壓力隨著錯(cuò)動(dòng)位移的增加呈線性增加，雖然在工況l和工況2中，關(guān)系曲線有一定的振蕩，但整體趨勢(shì)未變。節(jié)段長(zhǎng)度為7m時(shí)，二襯背后壓力的變化較緩慢，在錯(cuò)動(dòng)位移剛開(kāi)始時(shí)的20mm范圍內(nèi)，圍巖壓力的變化較小。當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度為lOm時(shí)，二襯破壞時(shí)所能承受的圍巖壓力最大。

取工況4節(jié)段長(zhǎng)度為lOm，繪制錯(cuò)動(dòng)位移分別為2cm、8cm、14cm、19cm時(shí)二襯圍巖壓力發(fā)展變化規(guī)律，如圖6所示。

錯(cuò)動(dòng)位移為2cm時(shí)，圍巖壓力在二襯上的分布比較均勻，斷層上盤的圍巖壓力比下盤大，斷層處的圍巖壓力較??；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移為8cm時(shí)，斷層處圍巖壓力逐漸增大；錯(cuò)動(dòng)位移l4cm時(shí)，圍巖壓力逐漸向斷層處集中；當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移為19cm時(shí)，圍巖壓力就集中在了斷層處。依圖6可以看出，圍巖壓力在二襯上的發(fā)展是一個(gè)從上盤逐漸向斷層處集中的過(guò)程。

2.2 二襯塑形應(yīng)變變化規(guī)律與分布特征

四種工況下隧道二襯等效塑性應(yīng)變分布如圖7所示。

工況l下塑性應(yīng)變最大位置在二襯仰拱靠近斷層處，貫穿整個(gè)節(jié)段。在靠近斷層處的二襯頂部也出現(xiàn)了輕微的塑性應(yīng)變集中現(xiàn)象；工況2下塑性應(yīng)變最大值出現(xiàn)在二襯底部仰拱處，但沒(méi)有貫穿整個(gè)節(jié)段，只是在剪切縫和隧道節(jié)段的接觸部位有明顯的塑性應(yīng)變集中現(xiàn)象；工況3和工況4的塑性應(yīng)變主要集中在錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)二襯拱腰處，相應(yīng)位置的上盤塑性應(yīng)變現(xiàn)象明顯。雖然在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中下盤并未發(fā)生位移，但是受斷層錯(cuò)動(dòng)的影響，下盤二襯相應(yīng)位置也出現(xiàn)了塑性應(yīng)變集中現(xiàn)象。endprint

相比工況3和工況4，工況2在較小的塑性應(yīng)變情況下就發(fā)生了較大的位移，不能承受較大的位移錯(cuò)動(dòng)。因此，較密的設(shè)置剪切縫，在一定程度上破壞了二襯結(jié)構(gòu)的整體性，使得二襯結(jié)構(gòu)不能較好的發(fā)揮自有優(yōu)勢(shì)，在很小的錯(cuò)動(dòng)位移下就產(chǎn)生了屈服。

取各工況下塑性應(yīng)變最大的點(diǎn)，繪制該點(diǎn)的塑性應(yīng)變隨斷層錯(cuò)動(dòng)位移變化的關(guān)系圖，如圖8所示。

在未設(shè)置剪切縫的工況l中，塑性應(yīng)變?cè)谖灰茷?0mm時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生，并隨后迅速發(fā)展，直至破壞；在節(jié)段長(zhǎng)度為Sm的工況2中，塑性應(yīng)變產(chǎn)生的時(shí)間較早，大致在錯(cuò)動(dòng)位移15mm時(shí)產(chǎn)生，破壞時(shí)的塑性應(yīng)變也較工況l??；在工況3和工況4中，塑性應(yīng)變也在錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到20mm時(shí)產(chǎn)生，但是節(jié)段長(zhǎng)度為lOm時(shí)的塑性應(yīng)變較節(jié)段長(zhǎng)度為7m時(shí)變化緩慢，破壞時(shí)的塑性應(yīng)變較大。因此在3種節(jié)段長(zhǎng)度中，從塑性應(yīng)變的發(fā)展變化角度，把節(jié)段長(zhǎng)度設(shè)置成lOm更有利于隧道結(jié)構(gòu)抵抗斷層的錯(cuò)動(dòng)。

為了更好地研究塑性應(yīng)變?cè)诙r結(jié)構(gòu)上的發(fā)展變化規(guī)律，取工況4節(jié)段長(zhǎng)度為lOm時(shí)進(jìn)行分析。截取斷層錯(cuò)動(dòng)位移分別為2cm、8cm、14cm、19cm時(shí)二襯塑性應(yīng)變分布，如圖9所示。

從圖9可以看出，二襯塑性應(yīng)變首先出現(xiàn)在上盤靠近斷層帶的節(jié)段，隨著錯(cuò)動(dòng)位移的增加，塑性應(yīng)變逐漸向斷層帶內(nèi)的節(jié)段發(fā)展，最后，塑性應(yīng)變主要集中在斷層滑動(dòng)面附近的節(jié)段中。

2.3 二襯最大主應(yīng)力變化規(guī)律與分布特征

四種工況下，二襯的最大主應(yīng)力分布如圖lO所示。不設(shè)置剪切縫時(shí)（工況1），在斷層與圍巖的接觸處，二襯的頂部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處二襯的最大主應(yīng)力最大，最小應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置；節(jié)段長(zhǎng)度為5m時(shí)（工況2），最大主應(yīng)力在二襯上的分布較均勻，最小應(yīng)力仍然出現(xiàn)在拱腳和仰拱的位置；當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度為7m時(shí)（工況3），最大主應(yīng)力出現(xiàn)在了仰拱位置，且受上盤影響，下盤斷層處的二襯仰拱處最大主應(yīng)力也較其他位置大；當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度為lOm（工況4）時(shí)，最大主應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在了斷層內(nèi)部的二襯頂部位置，應(yīng)力分布情況與工況l的應(yīng)力分布情況較類似。從圖lO可以看出，斷層內(nèi)部二襯拱頂部位較其他位置危險(xiǎn)，受力較大，結(jié)構(gòu)容易破壞。

取四種工況下二襯的最大主應(yīng)力集中點(diǎn)，繪制該處最大主應(yīng)力與斷層錯(cuò)動(dòng)位移的變化關(guān)系，如圖ll所示。

前3個(gè)工況中，斷層錯(cuò)動(dòng)位移為lOmm時(shí)，最大主應(yīng)力基本未發(fā)生變化，隨后，隨著斷層錯(cuò)動(dòng)位移的增大而線性增大。相對(duì)于工況l，工況2在相同錯(cuò)動(dòng)位移下的主應(yīng)力偏小。在工況l和工況2中，該處應(yīng)力隨著位移的增大，從受拉逐漸變?yōu)槭軌?。在工況4中，當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)位移為20mm時(shí)，主應(yīng)力的變化不大，但隨著位移的增加，主應(yīng)力也逐漸加大。

取節(jié)段長(zhǎng)度為lOm（工況4），繪制錯(cuò)動(dòng)位移分別為2cm、8cm、14cm、19cm時(shí)二襯的最大主應(yīng)力變化規(guī)律，如圖12所示。

當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移為2cm時(shí)，只在斷層下盤端部位置處出現(xiàn)了輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷層處的受力較小。當(dāng)位移逐漸加大時(shí)，斷層位置處二襯拱腳和拱頂位置出現(xiàn)了較大的應(yīng)力變化，且隨著位移的增大，此應(yīng)力集中的現(xiàn)象越明顯。斷層和圍巖交界處的二襯頂部位置應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

（l）與普通無(wú)鏈?zhǔn)揭r砌結(jié)構(gòu)相比，盡管采取鏈?zhǔn)揭r砌結(jié)構(gòu)的工況2～工況4中出現(xiàn)了程度不一的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但隧道結(jié)構(gòu)所能承受的斷層錯(cuò)動(dòng)位移、二襯背后壓力、等效塑性應(yīng)變及最大主應(yīng)力均得到明顯提升，驗(yàn)證了鏈?zhǔn)揭r砌的抗錯(cuò)斷效果。

（2）逆斷層條件下，設(shè)置鏈?zhǔn)揭r砌后，隨節(jié)段長(zhǎng)度增加，斷層錯(cuò)動(dòng)處應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸凸顯，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸由上盤斷層邊緣向下盤斷層邊緣發(fā)展。

（3）逆斷層條件下，鏈?zhǔn)揭r砌節(jié)段長(zhǎng)度不宜過(guò)短。如工況2節(jié)段長(zhǎng)5m，在較小的塑性應(yīng)變情況下就發(fā)生了較大的位移，不能承受較大的位移錯(cuò)動(dòng)；且較密的設(shè)置剪切縫，在一定程度上也破壞了二襯結(jié)構(gòu)的整體性，使得二襯結(jié)構(gòu)不能很好的發(fā)揮自有優(yōu)勢(shì)。

（4）計(jì)算表明，對(duì)于棋盤山公路隧道，采取鏈?zhǔn)揭r砌結(jié)構(gòu)，節(jié)段長(zhǎng)度在7～lOm時(shí)，所能承受的圍巖壓力、塑形應(yīng)變、最大主應(yīng)力均大幅增加，結(jié)構(gòu)受力性能更為優(yōu)越，抗錯(cuò)斷效果明顯。同時(shí)考慮現(xiàn)行二襯模筑工藝，建議棋盤石隧道鏈?zhǔn)揭r砌的合理節(jié)段長(zhǎng)度取lOm。endprint