馬亞麗娜,舒 恒,崔慶龍,盛 謙 ,崔 臻

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)向西部地區(qū)傾斜，我國(guó)西部高烈度地區(qū)的隧道工程建設(shè)也持續(xù)深入發(fā)展。西部地區(qū)的長(zhǎng)大隧道工程，其巨大的工程規(guī)模、所處的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和惡劣的自然環(huán)境，為世界罕見(jiàn)，尤其是位于高烈度地震區(qū)域的隧道工程，穿越多條活動(dòng)斷裂帶，對(duì)其安全運(yùn)營(yíng)存在嚴(yán)重威脅。一直以來(lái)，我國(guó)主要的地質(zhì)勘察和隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[1-2]均遵循避讓活斷層的原則，并要求滿(mǎn)足一定避讓距離。但受到選線限制，長(zhǎng)大隧道工程將不可避免地穿越西部地區(qū)的復(fù)雜不良地質(zhì)區(qū)域，接近或跨越活動(dòng)斷裂帶與其影響區(qū)域。特殊隧道工程建設(shè)是關(guān)系到國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的重大科技和戰(zhàn)略課題，是我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的必然要求。因此，開(kāi)展跨活斷層隧道圍巖-襯砌體系破壞響應(yīng)和機(jī)制研究，顯得迫切而有必要。

隧道工程的全部或部分結(jié)構(gòu)處于圍巖介質(zhì)的約束之下，圍巖與襯砌構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在地質(zhì)條件差或存在明顯地質(zhì)突變的活動(dòng)斷裂帶附近，隧道結(jié)構(gòu)易遭受破壞。伊朗學(xué)者KIANI[3]認(rèn)為斷層是一種永久性的地面位移，由于隧道縱向較長(zhǎng)，易受到斷層錯(cuò)動(dòng)作用帶來(lái)的破壞，學(xué)者針對(duì)跨正斷層隧道開(kāi)展了一系列物理模型試驗(yàn)，揭示隧道上覆土層的厚度、斷層的角度對(duì)隧道受損范圍和程度有一定影響。LIN[4]通過(guò)開(kāi)展砂箱試驗(yàn)，研究強(qiáng)震誘發(fā)斷層基巖逆沖作用下對(duì)隧道的影響，在砂箱試驗(yàn)中記錄了土層內(nèi)剪切帶的發(fā)育、隧道在剪切帶內(nèi)位置和形狀的變化等過(guò)程。隨著計(jì)算水平的提高，數(shù)值模擬方法在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。較室內(nèi)試驗(yàn)而言，數(shù)值模擬可通過(guò)更短的時(shí)間和更低的成本進(jìn)行參數(shù)研究，因此成為研究跨斷層隧道圍巖-襯砌響應(yīng)的有效方法之一。BAZOAR[5]等采用有限元方法模擬了逆斷層破裂從基巖向地表擴(kuò)展的發(fā)展規(guī)律，討論了上覆砂層中剪切帶的位置和地下破裂痕跡的傳播。ANASTASOPOULOS[6]等通過(guò)非線性有限元方法，模擬了準(zhǔn)靜態(tài)斷層破裂在基巖上厚土層中的傳播，以及破裂與沉管隧道的相互作用。徐前衛(wèi)[7]等通過(guò)數(shù)值模擬手段，研究隧道工程穿越山區(qū)常見(jiàn)的較為軟弱的Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)，隧道工程在施工中圍巖的破壞特性和漸進(jìn)性破損機(jī)制;總結(jié)出隧道的開(kāi)挖會(huì)引起圍巖應(yīng)力的重分布，巖體應(yīng)力在跨越斷層兩盤(pán)時(shí)呈現(xiàn)不連續(xù)且非線性的分布規(guī)律；但是，研究缺少了對(duì)巖體漸進(jìn)性破壞條件下圍巖-隧道相互作用，以及隧道內(nèi)力和變形響應(yīng)特征的分析。

依據(jù)彈性地基梁理論將工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，通過(guò)建立概化模型進(jìn)行模擬，這種方法最早用于埋地管線錯(cuò)斷問(wèn)題的研究中。由于隧道與埋地管線均屬于線形地下結(jié)構(gòu)，二者具有相似的長(zhǎng)大線性形狀，并在斷層錯(cuò)位作用下有相似的響應(yīng)特征，基于彈性地基梁理論的管道錯(cuò)斷模型分析方法，為長(zhǎng)大隧道縱向變形及內(nèi)力研究提供了思路。璩繼立[8]將深埋盾構(gòu)隧道等效為雙面彈性地基梁，利用布辛奈斯克解求出隧道上部的附加應(yīng)力，最后采用有限差分法求出隧道的縱向位移和內(nèi)力，為深埋盾構(gòu)隧道合理設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。丁志軍[9]基于雙面彈性地基梁模型，借助有限元軟件，分析了堆載條件下地鐵隧道的縱向變形規(guī)律，揭示了基于雙面彈性地基梁理論的有限元方法分析隧道縱向變形的可行性，以及埋深和堆載距離的增大都使得其對(duì)隧道縱向變形的影響逐漸減弱的規(guī)律。

綜合以上研究成果發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)條件下圍巖漸進(jìn)性破壞方面的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下跨斷層隧道圍巖-襯砌體系相互作用和破壞規(guī)律方面仍有待深入研究。并且，變形分析是隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的一個(gè)重要部分，由于隧道的縱向變形特性相對(duì)橫向更為脆弱，隧道縱向變形通常導(dǎo)致隧道向不利的方向發(fā)展[10-11]，目前的研究針對(duì)跨斷層隧道縱向內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律的分析較少。此外，目前研究鮮有將彈性地基梁理論引入跨斷層隧道錯(cuò)斷響應(yīng)的研究中，基于彈性地基梁理論探索跨斷層隧道圍巖-襯砌破壞機(jī)制，此領(lǐng)域較為空白。

本文針對(duì)跨活斷層隧道開(kāi)展相應(yīng)研究，主要基于以下2個(gè)方面：首先，本研究所基于的長(zhǎng)大隧道的軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其截面尺寸，具有線形的特點(diǎn)；其次，數(shù)值分析方法可以在計(jì)算中考慮多個(gè)因素、模擬多種工況，并且，有限元數(shù)值分析方法可以解決隧道圍巖-襯砌接觸非線性，及大變形中幾何非線性問(wèn)題，是研究跨斷層線狀結(jié)構(gòu)錯(cuò)斷機(jī)理的有效手段。

因此，根據(jù)依托工程的工程地質(zhì)條件，基于溫克爾彈性地基梁理論，將隧道從幾何、物理等角度簡(jiǎn)化為作用在地層上的彈性地基梁，采用法向彈簧和切向彈簧模擬地層與結(jié)構(gòu)的相互作用；同時(shí)，利用有限元數(shù)值模擬手段，建立穿越活動(dòng)斷裂帶隧道的圍巖-襯砌體系二維數(shù)值模型，從而開(kāi)展跨斷層隧道圍巖-襯砌體系破壞機(jī)制研究；最后，分析了斷層傾角、斷層寬度，巖體質(zhì)量等級(jí)等多個(gè)因素對(duì)圍巖-襯砌體系錯(cuò)斷響應(yīng)的影響，為跨斷層隧道縱向設(shè)計(jì)提供一定的參考與理論支持。

1 溫克爾地基梁理論

彈性地基梁為擱置在彈性地基上的梁式結(jié)構(gòu)，梁上各點(diǎn)均與地基緊密接觸。溫克爾地基梁理論[12-15]為巖石力學(xué)與基礎(chǔ)工程領(lǐng)域的常用計(jì)算方法，其基本假定為：將地基模擬為剛性支座上一系列的獨(dú)立彈簧，在地基表面上，其中任何一處的沉降量都將與該處在單位面積中所承受的壓力大小成正比。將此理論引入本研究，對(duì)活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)條件下隧道襯砌的模擬做出如下假定：

a.假定隧道襯砌在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的變形是平面內(nèi)二維變形，且將隧道簡(jiǎn)化為實(shí)截面梁。

b.假定斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道與圍巖之間的相互作用以襯砌兩側(cè)地基彈簧的形式體現(xiàn)。

c.忽略自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力等初始應(yīng)力。

d.忽略斷層錯(cuò)動(dòng)的時(shí)間動(dòng)力效應(yīng)。

此外，計(jì)算都要達(dá)到2個(gè)最為基本的求解要求，即地基與地基梁之間的靜力平衡要求，以及變形協(xié)調(diào)的要求?；诖耍跀鄬觾蓚?cè)圍巖錯(cuò)動(dòng)條件下，地基彈簧與巖土體之間發(fā)生的相互作用，表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧⒃w內(nèi)部產(chǎn)生的軸力、剪力、彎矩等內(nèi)力響應(yīng)。隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的變形圖和梁?jiǎn)卧⒃w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道縱向變形和梁?jiǎn)卧⒃w結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算模型的搭建與計(jì)算方案

以跨越多條活動(dòng)斷裂的香爐山隧道工程為研究對(duì)象。工程區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈，發(fā)育了眾多類(lèi)型、活動(dòng)性和規(guī)模各異的活斷層，地震活動(dòng)性較強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)潛在震源區(qū)和主要斷層分布如圖2所示。隧道沿線主要跨越斷層總長(zhǎng)約588 km，本研究以規(guī)模最大、對(duì)隧道威脅最強(qiáng)烈的F10-1斷層為例進(jìn)行分析，該斷層表現(xiàn)出多期活動(dòng)的復(fù)合性質(zhì)，對(duì)隧道工程的安全運(yùn)營(yíng)存在嚴(yán)重威脅[16]。

(1)小江地震活動(dòng)帶; (2)通海-石屏地震活動(dòng)帶; (3)中甸-麗江-大理地震活動(dòng)帶; (4)騰沖-龍陵地震活動(dòng)帶; (5)耿馬-瀾滄地震活動(dòng)帶; (6)馬邊-大關(guān)地震活動(dòng)帶; (7)思茅-普洱地震活動(dòng)帶; (8)南華-楚雄地震活動(dòng)帶

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)彈性地基梁理論，將隧道簡(jiǎn)化為二維平面上的一條梁，隧道與圍巖的相互作用采用地基梁兩側(cè)彈性接觸單元進(jìn)行模擬，斷層沿主斷帶發(fā)生剪切。采用有限元軟件PHASE2建立二維計(jì)算模型如圖3。根據(jù)依托工程調(diào)研參數(shù)，選取模型中斷層傾角90°，斷層寬度330 m，其中破碎帶部分的寬度為150 m；襯砌為彈性，斷面為圓環(huán)狀，采用C30混凝土，厚度選取為0.5 m。計(jì)算模型中，斷層左側(cè)部分(上盤(pán))邊界條件采用固定約束，右側(cè)部分(下盤(pán))中，右端采用水平向約束，下盤(pán)整體賦予豎向向上的位移，通過(guò)上下兩盤(pán)的相互運(yùn)動(dòng)以模擬正斷層的錯(cuò)動(dòng)。

圖3 模型計(jì)算模型

通過(guò)試算，得到襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力沿隧道軸線方向的分布規(guī)律，總結(jié)出臨近數(shù)值模型邊界時(shí)，襯砌縱向彎矩已趨近于0，表明當(dāng)前采用的剪切錯(cuò)動(dòng)加載方式與模型范圍是合理的，可應(yīng)用于后續(xù)研究。

2.2 材料參數(shù)選取

針對(duì)依托工程，根據(jù)已有室內(nèi)物理試驗(yàn)成果[17]進(jìn)行擬合，從而確定破碎帶內(nèi)圍巖-襯砌接觸參數(shù)，法向剛度選取為2 000 MPa/m，切向剛度選取為3 000 MPa/m，在模型中體現(xiàn)為地基彈簧的變形參數(shù)；良好圍巖區(qū)域內(nèi)圍巖-襯砌接觸參數(shù)選取為：法向剛度100 000 MPa/m，切向剛度10 000 MPa/m。此外，圍巖模擬材料與襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范取值，材料物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials密度 /(kg·m-3)楊氏模量/GPa接觸剛度/(MPa·m-1)泊松比粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)圍巖2 60016.0100 000(Kn) 10 000(Ks) 0.31.250破碎帶2 2004.0 2 000(Kn) 3 000(Ks) 0.350.530隧道襯砌2 50030.0—0.2——

2.3 計(jì)算方案

開(kāi)展斷層錯(cuò)動(dòng)條件下，斷層破碎帶地質(zhì)條件對(duì)跨斷層隧道圍巖-襯砌體系錯(cuò)斷響應(yīng)影響分析，初始計(jì)算方案為：斷層傾角為90°，斷層破碎帶寬度為150 m，斷層破碎帶彈性模量為4.0 GPa，斷層破碎帶內(nèi)隧道圍巖-襯砌法向剛度為2 000 MPa/m，切向剛度為3 000 MPa/m。根據(jù)斷層位移設(shè)防量，開(kāi)展斷層錯(cuò)動(dòng)量為1.2 m時(shí)隧道圍巖-襯砌位移變化規(guī)律和襯砌內(nèi)力響應(yīng)特征的研究。

3 跨斷層隧道圍巖-襯砌體系錯(cuò)斷響應(yīng)分析

在本研究中，以目標(biāo)區(qū)域在基本烈度條件下斷層錯(cuò)動(dòng)量約為1.2 m作為輸入條件展開(kāi)計(jì)算。研究正斷層錯(cuò)動(dòng)作用下跨斷層隧道圍巖-襯砌體系錯(cuò)斷響應(yīng)規(guī)律，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 基本烈度下計(jì)算模型圖

3.1 圍巖-襯砌體系位移響應(yīng)

圍巖位移云圖如圖5所示，斷層兩盤(pán)錯(cuò)動(dòng)影響的范圍主要是在地質(zhì)條件較差的斷層破碎帶內(nèi)，且集中于斷層錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)各30 m的范圍內(nèi)，圍巖位移在斷層錯(cuò)動(dòng)面處變化連續(xù)。

圖5 斷層圍巖位移云圖

圖6展示了隧道襯砌位移沿隧道縱向分布曲線。從圖中可以看出，隧道襯砌在斷層破碎帶內(nèi)急劇變形，且變化率基本一致；斷層上盤(pán)內(nèi)，襯砌位移量較小，左端接近靜止?fàn)顟B(tài)，而在斷層下盤(pán)內(nèi)，由于受到圍巖約束作用，襯砌位移量較大，右端位移量與斷層錯(cuò)動(dòng)的最終狀態(tài)接近一致。

圖6 襯砌位移沿隧道縱向分布曲線

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)

3.2.1彎矩

圖7展示了斷層錯(cuò)動(dòng)量1.2 m時(shí)襯砌彎矩沿隧道縱向的分布曲線。從圖8中可以看出，斷層破碎帶內(nèi)襯砌彎矩發(fā)生明顯變化，且變化率一致；此外，襯砌彎矩在斷層上下兩盤(pán)內(nèi)受到的彎矩作用方向相反；在遠(yuǎn)離斷層破碎帶處，彎矩值趨于穩(wěn)定且量值較??；在斷層破碎帶與圍巖交界處產(chǎn)生彎矩極值，為重點(diǎn)設(shè)防部位。

圖7 襯砌彎矩沿隧道縱向分布曲線

3.2.2剪力

圖8展示了斷層錯(cuò)動(dòng)量1.2 m時(shí)襯砌剪力沿隧道縱向的分布曲線。由圖8可知，在斷層破碎帶、圍巖交界處和中心剪切帶附近，襯砌剪力變化率較大；在斷層中心剪切帶處，襯砌剪力達(dá)到峰值；而在遠(yuǎn)離斷層破碎帶處，剪力量值穩(wěn)定且較小。因此，在斷層破碎帶、圍巖交界處和中心剪切帶附近，隧道襯砌易遭受剪切破壞，此部位應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防。

圖8 襯砌剪力沿隧道縱向分布曲線

3.2.3軸力

圖9展示了斷層錯(cuò)動(dòng)量1.2 m時(shí)襯砌軸力沿隧道縱向的分布曲線。以襯砌軸向受拉為正，軸向受壓為負(fù)。由圖9可見(jiàn)，斷層兩盤(pán)內(nèi)襯砌軸力以中心剪切帶對(duì)稱(chēng)分布；襯砌在斷層破碎帶以外的區(qū)域主要呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，而在斷層破碎帶內(nèi)主要呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。此外，在斷層破碎帶內(nèi)的中心剪切帶附近，襯砌軸力變化率較大，襯砌軸力在中心剪切帶兩側(cè)達(dá)到峰值，此處應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防。

圖9 襯砌軸力沿隧道縱向分布曲線

4 斷層破碎帶地質(zhì)條件影響分析

針對(duì)斷層破碎帶地質(zhì)條件，本文探討了斷層破碎帶傾角、斷層破碎帶寬度，以及斷層破碎帶巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)跨斷層隧道錯(cuò)斷響應(yīng)的影響。

4.1 斷層破碎帶傾角的影響

本節(jié)討論了斷層傾角對(duì)圍巖-襯砌錯(cuò)斷響應(yīng)的影響規(guī)律。計(jì)算工況如表2所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖10所示。

(a) 斷層傾角70°

表2 不同斷層傾角下計(jì)算工況Table 2 Calculation cases under different fault dip angles斷層破碎帶傾角/(°)斷層破碎帶寬度/m斷層破碎帶彈性模量/GPa接觸剛度/(MPa·m-1)70 1504.02 000(Kn)3 000(Ks)801504.02 000(Kn)3 000(Ks)901504.02 000(Kn)3 000(Ks)

4.1.1圍巖-襯砌位移分析

圖11(a)、 圖11(b)、 圖11(c)分別展示了70°、80°和90°斷層傾角條件下斷層圍巖位移云圖。不同斷層傾角下，斷層圍巖兩端最終位移量值大小一致；但在斷層破碎帶內(nèi)，斷層傾角越小，斷層錯(cuò)動(dòng)作用影響范圍明顯增大。圖12展示了不同斷層傾角下襯砌位移沿隧道縱向的分布曲線。斷層傾角變化對(duì)襯砌位移曲線差異性影響較小，不同斷層傾角下的襯砌位移沿隧道縱向的分布規(guī)律基本一致，僅在斷層破碎帶內(nèi)有些許差別，當(dāng)斷層傾角為70°時(shí)，襯砌位移曲線變化緩慢，隨傾角增加而增大，斷層傾角80°和90°條件下襯砌位移曲線幾乎一致。

(a) 斷層傾角70°

圖12 不同斷層傾角下襯砌位移沿隧道縱向分布曲線

因此，斷層傾角變化對(duì)襯砌位移曲線差異性影響較小；斷層傾角較小時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)作用影響范圍較大，需在較大范圍內(nèi)采取有效措施以保證隧道抗錯(cuò)斷性能。

4.1.2襯砌內(nèi)力縱向分布特征致。斷層破碎帶內(nèi)，斷層傾角大小對(duì)襯砌內(nèi)力的影響體現(xiàn)在范圍和峰值2方面。隨著斷層傾角增大，襯砌彎矩和剪力變化范圍減小，但峰值呈現(xiàn)增大狀態(tài)，斷層破碎帶內(nèi)襯砌受壓現(xiàn)象顯著減小，軸力峰值明顯降低。當(dāng)斷層傾角從70°變化至90°時(shí)，彎矩和剪力變化范圍明顯減小，而彎矩峰值從1 630.5 MN·m增大至2 535.5 MN·m，變化幅度約55.5%，剪力峰值從64 MN增大至140 MN，變化幅度為118.8%，這是由于當(dāng)斷層傾角較大時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌剪力影響程度較大，剪切作用更為直接地作用于隧道襯砌，將作用于襯砌上的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為剪應(yīng)力，導(dǎo)致襯砌剪力增大；上述傾角的變化使軸力峰值從234 MN減小到了22 MN，其原因是襯砌從發(fā)生拉剪變形轉(zhuǎn)換為剪切變形。另外，隨著斷層傾角增大，斷層中心剪切帶處襯砌軸力變化率明顯降低，是由于襯砌受到的拉伸變形不協(xié)調(diào)作用減小，襯砌沿隧道縱向的拉伸作用被減輕。

圖13展示了不同斷層傾角下襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布曲線。從圖13中可見(jiàn)，襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布趨勢(shì)在不同斷層傾角條件下基本一

(a) 彎矩

因此，隧道應(yīng)以較大角度跨越斷層，有利于提高隧道的抗錯(cuò)斷性能。

4.2 斷層破碎帶寬度的影響

本節(jié)討論破碎帶寬度對(duì)圍巖-襯砌錯(cuò)斷響應(yīng)的影響，計(jì)算工況如表3所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖14所示。

表3 不同破碎帶寬度下計(jì)算工況Table 3 Calculation cases under different fault width斷層破碎帶傾角/(°) 斷層破碎帶寬度/m斷層破碎帶彈性模量/GPa接觸剛度/(MPa·m-1)901004.02 000(Kn)3 000(Ks)901504.02 000(Kn)3 000(Ks)902004.02 000(Kn)3 000(Ks)

(a) 斷層寬度100 m

4.2.1圍巖-襯砌位移分析

圖15(a)、 圖15(b)、 圖15(c)分別展示了100、150和200 m的斷層破碎帶寬度下斷層圍巖位移云圖。不同斷層寬度下，斷層圍巖兩端最終位移量值大小一致；但在斷層破碎帶內(nèi)，斷層破碎帶寬度越大，斷層錯(cuò)動(dòng)作用影響范圍明顯增大。圖16展示了不同斷層破碎帶寬度下襯砌位移沿隧道縱向的分布曲線。從圖中可以看出，斷層寬度變化對(duì)襯砌位移曲線差異性影響很小，不同斷層寬度下的襯砌位移沿隧道縱向的分布規(guī)律基本一致。

(a) 斷層寬度100 m

圖16 不同斷層寬度下襯砌位移沿隧道縱向分布曲線

4.2.2襯砌內(nèi)力縱向分布特征

圖17展示了不同斷層破碎帶寬度下襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布曲線。由圖17可見(jiàn)，襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布趨勢(shì)在不同斷層寬度條件下基本一致。整體來(lái)看，破碎帶寬度不同對(duì)襯彎矩的影響較小，但對(duì)剪力和軸力具有一定影響。斷層破碎帶寬度對(duì)剪力的影響主要體現(xiàn)在變化范圍和峰值這2個(gè)方面，隨著斷層寬度增大，剪力變化范圍增大，但剪力峰值明顯減??；當(dāng)斷層寬度從100 m變化至200 m時(shí)，剪力影響范圍增大，剪力峰值減小幅度為23.5%，這是因?yàn)橐r砌彎曲變形的范圍隨斷層寬度的增大而增大，應(yīng)力集中現(xiàn)象被削弱。對(duì)于軸力而言，當(dāng)斷層寬度較大時(shí)，襯砌在斷層破碎帶內(nèi)主要呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，軸力峰值和變化率降低。此外，襯砌軸力伴隨斷層寬度的增大而逐漸減小，峰值隨之降低，變化率減小，這是因?yàn)閿鄬訉挾仍龃蠛鬁p輕了襯砌在破碎帶內(nèi)的不協(xié)調(diào)拉伸變形現(xiàn)象，正摩擦力減小。

(a) 彎矩

因此，若隧道選線不可避免地跨越活動(dòng)斷裂帶，較大的斷層寬度對(duì)隧道襯砌受力狀態(tài)更有利。

4.3 斷層破碎帶巖體力學(xué)參數(shù)的影響

本小節(jié)研究破碎帶巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)圍巖-襯砌位移特性和襯砌內(nèi)力響應(yīng)的影響進(jìn)行討論。其中，計(jì)算工況如表4所示，數(shù)值計(jì)算模型如圖18所示。

表4 不同巖體力學(xué)參數(shù)下計(jì)算工況Table 4 Calculation cases under different mechanical pa-rameters of fault rock mass斷層破碎帶傾角/(°)斷層破碎帶寬度/m斷層破碎帶彈性模量/GPa接觸剛度/(MPa·m-1)901501.0 500(Kn) 750(Ks)901502.01 000(Kn) 1 500(Ks)901504.02 000(Kn)3 000(Ks)

(a) 彈性模量1 GPa、法向剛度500 MPa/m、切向剛度750 MPa/m

4.3.1圍巖-襯砌位移分析

圖19 (a)、 圖19 (b)、 圖19 (c)分別展示了不同斷層破碎帶巖體力學(xué)參數(shù)下斷層圍巖位移云圖。在同樣的斷層錯(cuò)動(dòng)量下，圍巖位移云圖并無(wú)明顯差異，說(shuō)明斷層破碎帶巖體質(zhì)量對(duì)圍巖位移作用范圍影響較小。圖20展示襯砌位移沿隧道縱向的分布曲線。在斷層巖體質(zhì)量不同的情況下，襯砌位移曲線在變形趨勢(shì)上基本一致，僅僅破碎帶內(nèi)有些許差別。巖體強(qiáng)度越小，襯砌位移曲線變化緩慢，原因是斷層破碎帶巖體質(zhì)量等級(jí)越低，強(qiáng)度越小，對(duì)隧道的約束性能越強(qiáng)弱，越能夠吸收斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道襯砌變形產(chǎn)生的能量，位移變化率越小。

(a) 彈性模量1 GPa、法向剛度500 MPa/m、切向剛度750 MPa/m

圖20 不同斷層巖體力學(xué)參數(shù)下襯砌位移沿隧道縱向分布曲線

因此，斷層帶巖體質(zhì)量等級(jí)越高，強(qiáng)度越大，斷層破碎帶對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)約束性越強(qiáng)，隧道洞受到斷層錯(cuò)動(dòng)作用越顯著。

4.3.2襯砌內(nèi)力縱向分布特征

圖21 (a)、 圖21 (b)、 圖21 (c)展示了不同斷層巖體力學(xué)參數(shù)下襯砌彎矩沿隧道縱向分布曲線。斷層破碎帶內(nèi)，不同斷層巖體力學(xué)參數(shù)下襯砌內(nèi)力沿縱向分布曲線具有明顯差異。隨著巖體力學(xué)參數(shù)減小，當(dāng)巖體模量從4 GPa降低至1 GPa時(shí)，彎矩峰值減小幅度約為38%，剪力峰值減小幅度為53.6%。這是由于較弱斷層破碎帶巖體質(zhì)量，對(duì)隧道約束較弱，能夠吸收斷層錯(cuò)動(dòng)帶來(lái)能量并降低彎矩和剪力分布曲線陡峭程度，則較弱斷層巖體質(zhì)量更有利于保護(hù)隧道襯砌遭受剪切破壞。對(duì)于軸力指標(biāo)，隨著斷層巖體力學(xué)參數(shù)減小，襯砌軸力峰值減小，斷層剪切帶處襯砌軸力變化率明顯減小。

(a) 彎矩

因此，當(dāng)隧道不可避免地跨越活動(dòng)斷層時(shí)，較弱的破碎帶巖體質(zhì)量可以有效減輕斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞。

5 結(jié)論

本研究基于溫克爾彈性地基梁理論，利用PHASE2數(shù)值模擬軟件，建立跨斷層隧道圍巖-襯砌數(shù)值模型，探討不同斷層因素對(duì)跨斷層隧道圍巖-襯砌體系響應(yīng)特征的影響，主要結(jié)論如下：

a.斷層兩盤(pán)錯(cuò)動(dòng)影響的范圍主要是在地質(zhì)條件較差的斷層破碎帶內(nèi)，且集中于斷層錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)各30 m的范圍內(nèi)；在中心剪切帶處，圍巖上下兩盤(pán)位移連續(xù)。

b.襯砌發(fā)生急劇變形的范圍主要集中在斷層破碎帶內(nèi)；在斷層兩盤(pán)交界處襯砌位移連續(xù)，襯砌在斷層上下盤(pán)內(nèi)受到相反的彎矩作用，且均勻變形。

c.在斷層破碎帶內(nèi),隧道以受壓為主，而在遠(yuǎn)離斷層帶處主要呈現(xiàn)受拉狀態(tài)；襯砌在斷層破碎帶、圍巖交界處和中心剪切帶附近遭受剪切破壞，此處應(yīng)重點(diǎn)設(shè)防。

d.不同的斷層傾角、破碎帶寬度、巖體質(zhì)量等級(jí)均對(duì)圍巖-襯砌體系錯(cuò)斷響應(yīng)規(guī)律產(chǎn)生一定影響?？鐢鄬铀淼来┰交顢鄬拥淖罴呀嵌葹檎?；斷層寬度大小影響斷層錯(cuò)動(dòng)作用的影響范圍和襯砌內(nèi)力峰值，當(dāng)斷層寬度從100 m變化至200 m時(shí)，剪力響應(yīng)范圍增大，剪力峰值減小幅度為23.5%，彎矩和軸力峰值降低，襯砌錯(cuò)斷響應(yīng)在更大的范圍內(nèi)分散分布，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象；斷層錯(cuò)動(dòng)量一定條件下，當(dāng)巖體模量從4 GPa降低至1 GPa時(shí)，彎矩峰值減小幅度約為38%，剪力峰值減小幅度為53.6%，因此斷層破碎帶巖體質(zhì)量等級(jí)越高，隧道受到斷層錯(cuò)動(dòng)作用越顯著。

e.本文研究結(jié)果可為跨活動(dòng)斷裂隧道的圍巖-襯砌錯(cuò)斷響應(yīng)與機(jī)理研究提供一定參考，但鑒于本文研究的局限，如為了模型簡(jiǎn)化考慮，錯(cuò)斷模型較為概化，邊界條件設(shè)置較為簡(jiǎn)單，這些問(wèn)題有待在以后的工作中作進(jìn)一步的研究與討論。