周宇鍇， 張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著我國軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，興建的線路工程不可避免地遇到跨越活動構(gòu)造斷層問題。活動斷層粘滑錯動(相對蠕滑錯動)是一種短暫突發(fā)性斷裂構(gòu)造特征的地質(zhì)災(zāi)害，其擁有突發(fā)性強、瞬間變形大、造成的破壞嚴重等特點。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值計算方法及試驗手段來研究活動斷層粘滑錯動時隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形特性分析。Gregor[1]通過數(shù)值模擬研究了穿越活斷層隧道結(jié)構(gòu)的受力特征。Lin[2]等驗?zāi)M了逆斷層作用下砂土中盾構(gòu)隧道破壞特征，結(jié)合數(shù)值計算驗證。趙伯明[3]等基于斷裂幾何學(xué)和斷層運動學(xué)特征，通過模型試驗研究了廣州活動斷裂錯動位移對隧道的影響，并且探明了隧道結(jié)構(gòu)在斷層錯動下的位移和應(yīng)力變化規(guī)律。熊煒等[4]運用Marc軟件分析斷層錯動量、斷層傾角等4個因素對正斷層環(huán)境下公路隧道的受力變形的影響，朱小明等[5]采用FLAC分析斷層傾角對隧道縱向穩(wěn)定性的影響。

本文以地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)受不同構(gòu)造條件下的斷層粘滑錯動作用為出發(fā)點，基于正斷層形成機制與連續(xù)介質(zhì)分析方法，建立地層-結(jié)構(gòu)模型。

1 隧道結(jié)構(gòu)與接觸圍巖響應(yīng)理論分析

根據(jù)斷層的幾何特征與運動方式，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)穿越斷層的性質(zhì)，可將隧道結(jié)構(gòu)與接觸圍巖的相互響應(yīng)關(guān)系認為一種“插銷式彈性地基梁”(圖1)。

圖1 插銷式彈性地基梁模式

結(jié)合隧道最終變形特征，將隧道結(jié)構(gòu)沿著斷層面劃分為上盤域隧道結(jié)構(gòu)和下盤域隧道結(jié)構(gòu)，同時受到了環(huán)向的接觸壓力和縱向的摩阻力作用。

2 建立數(shù)值計算模型

針對新疆地鐵穿越碗窯溝工程中斷層實際特點，采用ANSYS有限元方法建模。有限元數(shù)值計算模型尺寸為縱向地層和隧道長取250m，地層橫向?qū)捜?0m，地層埋深方向取15m。碗窯溝斷層傾角為58～85 °，碗窯溝斷層處地鐵隧道埋深為11～16m，

有限元計算模型縱向劃分125份網(wǎng)格，每個節(jié)點間距為2m。計算時分別對模型的左右邊界施加水平約束、模型的前后邊界施加縱向約束、在模型的底部邊界采用豎向約束。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)變形分布規(guī)律

(1)在粘滑錯動后，襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲形變以適應(yīng)錯動位移(圖2)。

圖2 隧道縱向變形位移云圖(單位：m)

(2)在粘滑錯動后，上盤近斷層面處地表發(fā)生了隆起，下盤近斷層面處地表發(fā)生了沉降。

從圖3、圖4可看出：

(1)斷層錯動時，襯砌結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“S”型變形，變形梯度在上下盤各距斷層面約-80～50m范圍內(nèi)較大。

(2)上盤襯砌仰拱近斷層面處接觸力下降為零，說明隧道與地基發(fā)生了脫空，脫空區(qū)為8m，這同時也導(dǎo)致了隧道縱向受力不均。下盤脫空區(qū)為16m。

圖3 襯砌拱頂處Y向位移

圖4 圍巖-襯砌拱頂豎向接觸力

3.2 圍巖與支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律

3.2.1 圍巖主應(yīng)力分布規(guī)律分析

通過圖5分析可知：斷層發(fā)生粘滑錯動后，圍巖第一主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在下盤隧道近斷層面處左側(cè)拱腰處圍巖，峰值為0.727MPa，說明此處受拉破壞嚴重，上盤斷層面處右側(cè)拱腰處圍巖出現(xiàn)拉應(yīng)力，數(shù)值為0.987MPa。圍巖第三主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在下盤隧道近斷層面處仰拱處圍巖，峰值為0.150MPa。

(a)第一主應(yīng)力σ1

(b)第三主應(yīng)力σ3圖5 圍巖主應(yīng)力視圖(單位：Pa)

3.2.2 襯砌橫斷面剪應(yīng)力分布規(guī)律

(1)由襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面剪應(yīng)力云圖(圖6)可知，襯砌墻腳，拱腰處出現(xiàn)剪應(yīng)力集中。

(2)拱腰處最大剪應(yīng)力2.82MPa，小于C45標(biāo)號混凝土抗剪強度，說明斷層錯動作用下，斷層面處隧道拱腳處襯砌不會發(fā)生環(huán)向剪切破壞。

圖6 襯砌橫斷面剪應(yīng)力云圖(單位:Pa)

3.3 圍巖與隧道襯砌結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布規(guī)律

一般的，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受荷載產(chǎn)生的壓力超過結(jié)構(gòu)極限承載力時，結(jié)構(gòu)某區(qū)域?qū)a(chǎn)生不可恢復(fù)的屈服變形，即為塑性區(qū)。塑性應(yīng)變值越大，表征屈服程度越大，結(jié)構(gòu)危險性越高(圖7、圖8)。

圖7 拱頂塑性區(qū)分布

圖8 仰拱塑性區(qū)分布

上下盤頂?shù)撞渴軌簠^(qū)及在斷層面周圍拱腳至墻腳區(qū)域均出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性應(yīng)變峰值出現(xiàn)在下盤拱頂處，峰值達到1.058 %。在此種工況下襯砌受拉區(qū)雖發(fā)生受拉破壞但不出現(xiàn)塑性區(qū)。

為了更加詳細地分析隧道二次襯砌的塑性區(qū)分布規(guī)律，根據(jù)塑性區(qū)云圖特征，選取隧道襯砌斷面上的2個關(guān)鍵部位拱頂和仰拱提取其計算結(jié)果進行分析，根據(jù)關(guān)鍵點處的塑性區(qū)沿隧道方向的變化規(guī)律，分析得出隧道與斷層面斜交時：

拱頂-115～-35m的范圍內(nèi)，即上盤共80m范圍；

仰拱在-60～60m范圍內(nèi)，即上盤60m、下盤60m范圍；

以上區(qū)間存在較大的塑性變形，粘滑錯動作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性存在較大的影響。

3.4 斷面安全系數(shù)

進行安全系數(shù)計算時，選取9段進行截面的內(nèi)力分析(表1)，每段長度為10m。

表1 碗窯溝結(jié)構(gòu)斷面安全系數(shù)分級評價

由安全系數(shù)表和結(jié)構(gòu)斷面安全系數(shù)分級評價表可知，碗窯溝隧道上盤受到斷層黏滑錯動的影響較小，整體處于可維修范圍內(nèi)；而上盤靠近斷層面6m內(nèi)分段與下盤靠近斷層面的3個分段均存在較為嚴重的破壞，存在嚴重開裂或坍塌的風(fēng)險。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合新疆地鐵穿越碗窯溝隧道具體工程實例，研究分析了活動斷層錯動對隧道結(jié)構(gòu)變形、受力及塑性應(yīng)變的影響，評價隧道各分段的安全系數(shù)。其主要結(jié)論如下：

(1)在粘滑錯動后，襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲形變以適應(yīng)錯動位移。與正交工況相比，襯砌結(jié)構(gòu)不僅產(chǎn)生了豎向彎曲變形，同時也產(chǎn)生了水平方向彎曲變形。

(2)頂?shù)撞恳r砌結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力具有反對稱性質(zhì)，即在襯砌頂部縱向應(yīng)力上盤受壓明顯，下盤襯砌受拉導(dǎo)致混凝土開裂，應(yīng)力為零，而在襯砌底部縱向應(yīng)力則上盤受拉下盤明顯受壓。達到極限錯動位移前，襯砌頂?shù)撞块_裂范圍隨錯距的增大而增大，但增大的趨勢明顯降低。

(3)上下盤頂?shù)撞渴軌簠^(qū)及在斷層面周圍拱腳至墻腳區(qū)域均出現(xiàn)塑性區(qū)，塑性應(yīng)變峰值出現(xiàn)在下盤拱頂處。因為上盤襯砌仰拱及下盤襯砌拱頂因混凝土拉伸開裂喪失拉應(yīng)力承受能力，拉應(yīng)力釋放降為零。