姚飛翔

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 工程學(xué)院， 武漢 430074）

0 引言

活動(dòng)斷層活動(dòng)會(huì)引起的處于斷層上方的土體破壞斷裂和由于斷層的錯(cuò)動(dòng)而引起巖層破壞，這會(huì)使穿過(guò)斷層的公路鐵路隧道及其他建設(shè)在地下的工程設(shè)施等造成相當(dāng)嚴(yán)重的破壞。因此，跨越活斷層的公路鐵路或地鐵隧道必須在考慮斷層發(fā)生活動(dòng)并引起錯(cuò)動(dòng)的情況下來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。但是本文只考慮斷層的力學(xué)結(jié)構(gòu)作用，不考慮地震荷載或點(diǎn)荷載的作用,在這種前提下，研究穿越斷層帶的隧道結(jié)構(gòu)的變形、破壞模式和受力機(jī)理。[1]

1 斷層的基本特征及對(duì)隧道影響

1.1 斷層對(duì)城市建設(shè)的危害及其特征

1.1.1 成災(zāi)范圍的廣泛性

斷層災(zāi)害的空間具有廣泛性，即斷層所帶來(lái)的災(zāi)害不是只在小區(qū)域上，而是在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)的，當(dāng)然對(duì)于特別遠(yuǎn)離斷層的區(qū)域是沒(méi)有那么大的影響的。

1.1.2 災(zāi)害的嚴(yán)重性

斷層的同時(shí)不僅僅斷層引起的建筑物破壞，因?yàn)閿鄬油偷卣鹜瑫r(shí)發(fā)生，所以可能有伴隨的地震帶來(lái)的破壞。最為嚴(yán)重時(shí)可能引起山體崩塌錯(cuò)移，巖層爆裂。

1.1.3 斷層災(zāi)害的不可抗拒性

斷層是不為人力所能抗拒的。在斷層發(fā)生區(qū)域的各種類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的建（構(gòu)）筑物都會(huì)在一定程度上受到斷層的破壞。

1.2 斷層影響下隧道可能發(fā)生的破壞形式及病害

可將斷層可能引起的隧道變形破壞分為如下兩種模式：[2]

1.2.1 張-擠壓破壞型

在斷層的豎向位移作用下，上盤(pán)下降，下盤(pán)基本穩(wěn)定。由于兩盤(pán)的相對(duì)位移，當(dāng)斷層的兩盤(pán)相對(duì)垂直位移超過(guò)了隧道襯砌的極限承載能力時(shí)，襯砌便會(huì)發(fā)生破壞，從而在襯砌底部將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而頂部產(chǎn)生拉應(yīng)力。

1.2.2 直接剪斷破壞型

如果斷層活動(dòng)量突然變大，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了隧道襯砌的允許變形值時(shí)，上下盤(pán)垂直錯(cuò)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致隧道發(fā)生直接剪斷破壞。

2 有限元數(shù)值模擬分析

2.1 有限元計(jì)算

2.1.1 有限元模型

以正交穿越斷層的西安地鐵2號(hào)線(xiàn)為本次有限元設(shè)計(jì)的模型，西安地鐵2號(hào)線(xiàn)是南北向的工程建設(shè)線(xiàn)，和近東西向的斷層為近90度正交。為計(jì)算方便，軟件中均以黃土考慮，且不考慮地下水，隧道和斷層正交。

建模時(shí)我采用了三維有限元模型，而且斷層與隧道空間的展布是正交關(guān)系，在有限元模型中則統(tǒng)一取為傾角80度的斷層和隧道正交。為了充分反映斷層的活動(dòng)作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為與縱向變形以及減少邊界效應(yīng)的影響，可取有限元模型尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為80m，50m，30m，。

2.1.2 邊界條件

在有限元計(jì)算模型斷層下盤(pán)底部施加 y方向，即進(jìn)行一個(gè)豎向位移方向上的約束，其上盤(pán)底部則為可控活動(dòng)邊界，左右兩側(cè)施加 z方向的水平位移約束，兩端施加x方向水平位移約束。

2.1.3 計(jì)算參數(shù)

模型材料的參數(shù)取應(yīng)與實(shí)際材料的參數(shù)相同。為了計(jì)算方便，將上覆土層全看作黃土，通過(guò)查閱資料可得模型的參數(shù)如下表2.1.

表2.1 模型參數(shù)表Table 2.1 parameter of the model

2.1.4 接觸影響

（1）計(jì)算模型分為上盤(pán)土體、下盤(pán)土體和隧道襯砌。各個(gè)土體之間的接觸面上的摩擦系數(shù)如表2.2所示。

表2.2 接觸面摩擦系數(shù)表Table 2.2 friction coefficient of the contacting surface

（2）斷層或者地裂縫的接觸區(qū)域是我們不知道的，這會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大影響。在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，我們把兩盤(pán)假定為完全接觸的。

2.2 有限元結(jié)果分析

2.2.1 斷層作用下隧道襯砌的變形分析

為了仔細(xì)考慮斷層上下盤(pán)偏移對(duì)隧道襯砌的作用，我用ABAQUS分別考慮了上盤(pán)下降5cm，10cm，20cm，30cm，40cm的情況。圖2.1為斷層上盤(pán)下沉不同程度時(shí)隧道襯砌的水平位移云圖。

我們可以從圖中得出，無(wú)論位移多大時(shí)，靠近斷層面附近的隧道襯砌有較大的水平方向的位移錯(cuò)動(dòng)，即此處最為危險(xiǎn)，而稍微遠(yuǎn)離處則水平位移較小，而且顯而易見(jiàn)的是，當(dāng)斷層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)越大時(shí)，襯砌的橫向位移理所當(dāng)然也會(huì)變大。所以可以得出結(jié)論，斷層面處發(fā)生的水平向位移最明顯，該處十分危險(xiǎn)，我推薦在斷層面處使用柔性分段式結(jié)構(gòu)。

圖2.2則是斷層上盤(pán)下降不同程度上時(shí)隧道襯砌的豎向位移云圖。

圖2.1 上盤(pán)下沉5cm-40cm時(shí)隧道水平位移云圖

圖2.2 上盤(pán)下沉5-40cm時(shí) 隧道豎向位移云圖

由圖可知，由于上盤(pán)的相對(duì)下沉，位于上盤(pán)土體中的襯砌有向下的明顯位移，而處于下盤(pán)中的土體則向下的位移相對(duì)較小。在上下盤(pán)土體的共同作用之下，上盤(pán)土體中的隧道襯砌不僅沉降較大，且距離斷層面越遠(yuǎn)沉降越多，兩盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)越大，襯砌的位移也越大，而上盤(pán)的沉降對(duì)下盤(pán)土體的中的隧道襯砌影響則不那么明顯。

整個(gè)隧道襯砌都會(huì)產(chǎn)生一定大小的豎向位移，處于上盤(pán)中的襯砌位移較大，這是由于上盤(pán)下沉作用而帶來(lái)的整個(gè)其中隧道隨之一起下沉的作用，而處于下盤(pán)中的隧道則向下的位移較小，顯而易見(jiàn)的這是因?yàn)橄卤P(pán)相對(duì)于上盤(pán)位移量很小。斷層面處于38m的位置，在斷層的錯(cuò)動(dòng)面附近，即靠近斷層錯(cuò)動(dòng)面的區(qū)域會(huì)由于斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生較大的相對(duì)豎向位移，即隧道襯砌在這變形最大，一般斷層面的影響范圍為25m左右。

2.2.2 斷層作用下隧道襯砌的應(yīng)力分析

（1）隧道襯砌縱向應(yīng)力分析

圖2.3是斷層上盤(pán)底部下降5cm時(shí)隧道分析所得的襯砌的縱向應(yīng)力云圖，因?yàn)殄e(cuò)動(dòng)較大時(shí)原理都是類(lèi)似的，只是當(dāng)錯(cuò)動(dòng)越大時(shí)襯砌的縱向應(yīng)變也會(huì)相應(yīng)地增大結(jié)果類(lèi)似，我們?cè)谶@不在附入10cm～40cm的縱向應(yīng)力云圖。

圖2.3 上盤(pán)下降5cm模型縱向應(yīng)力云圖

我們可以從圖中得出，斷裂面附近的襯砌所受應(yīng)力較大，在靠近斷層面的上盤(pán)襯砌頂部受到較大壓力作用，而底部受到較大的拉力作用，當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)0.4m時(shí)其最大應(yīng)力為2MPa。下盤(pán)襯砌頂部受到向上的拉力作用，底部則受到向上的壓力作用。

隧道襯砌的底部和頂部應(yīng)力是相互對(duì)稱(chēng)的，即襯砌的同一側(cè)，如頂部，在上盤(pán)處收到拉力作用，那么下盤(pán)出會(huì)受到壓力作用。而且根據(jù)應(yīng)力圖，因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，隧道襯砌的最危險(xiǎn)段，即靠近斷層面的上盤(pán)底部和下盤(pán)頂部，這兩處最容易發(fā)生受拉破壞。

（2）隧道襯砌豎向剪應(yīng)力分析

圖2.4是斷層上盤(pán)底部下降5cm時(shí)隧道襯砌分析所得的的豎向剪應(yīng)力云圖。

圖2.4 上盤(pán)下降5cm模型豎向剪應(yīng)力云圖

我們可以從圖中得出，斷裂面附近的襯砌所受剪應(yīng)力較大，而且在斷層面處的剪應(yīng)力則是襯砌上下面的剪應(yīng)力較小，而兩側(cè)所受到剪應(yīng)力較大，這是由于上盤(pán)下降從而兩盤(pán)所產(chǎn)生的剪應(yīng)力導(dǎo)致的。且上盤(pán)下降越多，上盤(pán)的剪應(yīng)力會(huì)相對(duì)減少，下盤(pán)的剪應(yīng)力則逐漸增大。

3 主要研究成果及結(jié)論

（1）當(dāng)斷層的上下盤(pán)相對(duì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)以后，可影響到斷層面附近25m左右的隧道，這一區(qū)域的隧道襯砌會(huì)明顯發(fā)生豎向相對(duì)位移。

（2）整個(gè)隧道襯砌都會(huì)產(chǎn)生一定大小的豎向位移，處于上盤(pán)中的襯砌位移較大，而處于下盤(pán)中的隧道則向下的位移較小，靠近斷層錯(cuò)動(dòng)面的區(qū)域會(huì)由于斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生較大的相對(duì)豎向位移，且在斷層面處的橫向位移也最大。

（3）在斷層面附近的襯砌應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離斷層面則開(kāi)始減小，即斷層面處及其附近區(qū)域隧道變形最為明顯，因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，我們可以看出隧道襯砌的最危險(xiǎn)段，即靠近斷層面的上盤(pán)底部和下盤(pán)頂部，這兩處最容易發(fā)生受拉破壞。所以建議在斷層面處的隧道工程中要做好防護(hù)工作，防止應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限產(chǎn)生破壞，這樣做可以使斷層面處相對(duì)安全。