安韶 ，陶連金 ，邊金 ，韓學(xué)川 ，吳曉媧

（1.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100124；2.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東湛江524008）

目前，我國(guó)很多城市正在進(jìn)行大規(guī)模的地鐵建設(shè).但如北京、烏魯木齊、天津及太原等城市位于高烈度區(qū)且存在多條活動(dòng)斷裂帶，由于地鐵工程走向往往取決于城市交通功能的需求，避讓原則[1]常常無法實(shí)現(xiàn).穿越活動(dòng)斷裂帶的隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞，如5.12 汶川地震白云頂隧道距映秀端洞口60 m 處二襯錯(cuò)臺(tái)近40 cm，隧道破壞長(zhǎng)20 m，局部發(fā)生垮塌，路面破損、開裂起拱[2].因此研究斷層錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，是保障隧道工程安全的關(guān)鍵性課題之一.

跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的影響研究方法包括震后調(diào)查、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)法，其中震后調(diào)查受諸多條件限制，難以大規(guī)模開展，因此主要采用后兩種方法.在模型試驗(yàn)方面，Kontogianni 等[3]通過模型試驗(yàn)研究了在不同斷層傾角的逆斷層、走滑斷層作用下隧道襯砌管片環(huán)向接頭部位應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律.Lin 等[4]通過提升底板試驗(yàn)?zāi)M了逆沖斷層作用下砂土中盾構(gòu)隧道變形破壞特點(diǎn).陳俊嶺等[5]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了近斷層滑沖效應(yīng)下風(fēng)力發(fā)電塔動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明近斷層地震滑沖效應(yīng)脈沖使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯增大.劉學(xué)增等[6]通過模型試驗(yàn)研究了斷層傾角為75°的逆斷層錯(cuò)動(dòng)下公路隧道襯砌的反應(yīng)規(guī)律，給出了受拉受壓區(qū)間以及最大拉壓應(yīng)變發(fā)生的位置.黃強(qiáng)兵等[7]通過地裂縫活動(dòng)模型試驗(yàn)，研究了西安地鐵2號(hào)線隧道正交穿越地裂縫帶的設(shè)防參數(shù).胡輝[8]進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，研究了跨斷層隧道變形縫設(shè)置的有效性.孫風(fēng)伯等[9]等推導(dǎo)了隧道最大節(jié)段長(zhǎng)度并通過實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證.王明年，崔光耀等[10]展開了斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下模型試驗(yàn)并研究了減震縫與減震層的減震效果，為實(shí)際隧道工程的建設(shè)提供了參考和依據(jù).在數(shù)值模擬方面，Mohammad 等[11]通過數(shù)值模擬研究了逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下距錯(cuò)動(dòng)處不同位置的隧道附近土層剪切帶出現(xiàn)的位置及傳播路線.王瓊[12]采用有限元方法研究了斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)長(zhǎng)大山嶺隧道的非線性反應(yīng)，得到了應(yīng)力屈服破壞順序、屈服范圍和產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)的位置.張維慶[13]采用數(shù)值模擬研究了穿越斷層隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)和地震力分別作用下的震害機(jī)理.趙穎等[14]采用數(shù)值模擬研究了走滑斷層位錯(cuò)作用下城市地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)損傷的開始部位、發(fā)展過程以及最終的損傷程度，并建立了能夠估計(jì)結(jié)構(gòu)損傷范圍及破壞最嚴(yán)重位置的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式.Shahidi 等[15]針對(duì)伊朗Koohrang-III 輸水隧道跨活動(dòng)斷裂的情況，提出斷層帶部分襯砌采用鉸接設(shè)計(jì)方法，并計(jì)算確定了適宜的襯砌節(jié)段長(zhǎng)度和柔性連接寬度.趙坤等[16]采用有限元法通過正交試驗(yàn)研究了襯砌節(jié)段長(zhǎng)度、柔性連接寬度、柔性連接材料強(qiáng)度3 種因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響.劉國(guó)慶等[17]對(duì)跨斷層水工隧洞建立三維有限元模型，考慮動(dòng)接觸后在地震作用下圍巖出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)動(dòng)位移，斷層破碎帶的存在造成了襯砌位移和應(yīng)力的增加.

以上研究成果對(duì)于穿越活動(dòng)斷層的隧道工程均具有一定的指導(dǎo)意義，但仍然存在一些不足.目前的研究對(duì)象主要集中在深埋山嶺隧道，對(duì)城市淺埋地鐵隧道研究較少，且受條件所限，現(xiàn)有模型試驗(yàn)尺寸都比較小，缺乏對(duì)隧道縱向尺度方向的考慮；數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)大多采用彈性本構(gòu)，結(jié)構(gòu)塑性損傷分析方面研究較少.

本文以烏魯木齊地鐵2 號(hào)線隧道穿越西山斷裂帶工程為依托，考慮活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下土層與隧道結(jié)構(gòu)的相互作用，采用ABAQUS 建立三維有限元彈塑性模型，研究了隧道二次襯砌塑性應(yīng)變發(fā)展過程、拉壓損傷因子及剪切應(yīng)變的分布，給出了隧道拉裂嚴(yán)重受損、輕微受損及無受損的區(qū)間范圍，分析了不同錯(cuò)動(dòng)位移、隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離時(shí)隧道及不同斷層破碎帶寬度的損傷破壞規(guī)律，進(jìn)行了設(shè)置柔性接頭的減災(zāi)效果研究，以期為實(shí)際工程提供參考.

1 工程背景

烏魯木齊軌道交通2 號(hào)線馬料地站-平川路站區(qū)間，由西外環(huán)的馬料地站起，沿馬料地街向西，再向北轉(zhuǎn)到平川路北園春市場(chǎng)平川路站，中間段穿越西山斷層，全長(zhǎng)約873.1 m.擬建區(qū)間底板埋深17.6～26.5 m，標(biāo)高831～842.6 m，地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖見圖1.西山斷層形成于中更新世中晚期，最新活動(dòng)時(shí)間為晚更新世晚期，屬晚更新世活動(dòng)斷層，走向N45°-75°E，傾向 N，傾角 44°～83°，具逆沖性質(zhì).穿越斷層段前后200 m 范圍內(nèi)隧道區(qū)間擬采用礦山法施工，其余地段擬采用盾構(gòu)法施工.根據(jù)烏魯木齊軌道交通2號(hào)線詳勘報(bào)告，考慮未來100 年有突發(fā)事件的可能性，建議設(shè)防垂直位錯(cuò)hv=0.165 m.

圖1 地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of geological profile

2 模型建立及參數(shù)選取

取斷層破碎帶前后各100 m 范圍內(nèi)建立計(jì)算模型，模型長(zhǎng)×寬×高為252 m×68 m×60 m，隧道埋深為12 m，斷層傾角為45°，隧道直徑為6.7 m，模型網(wǎng)格劃分見圖2，隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，縱向劃分126 份網(wǎng)格，網(wǎng)格縱向間距為2 m.土體假設(shè)為理想彈塑性材料，采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則，各土層參數(shù)見表1，襯砌結(jié)構(gòu)采用ABAQUS 中的塑性損傷模型，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]的規(guī)定，定義襯砌混凝土彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.初期支護(hù)厚0.35 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45；二次襯砌厚0.25 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50.考慮隧道與土體之間的摩擦，其接觸面設(shè)置罰摩擦，摩擦系數(shù)取為0.4[19].模擬分析分為三步：初始地應(yīng)力平衡-隧道開挖-施加斷層位移，在前兩個(gè)步驟中，模型底部及側(cè)邊界施加法向約束，上部邊界為自由邊界，在最后一個(gè)步驟中，由于逆斷層錯(cuò)動(dòng)為上盤相對(duì)下盤作向上運(yùn)動(dòng)，因此為實(shí)現(xiàn)逆斷層錯(cuò)動(dòng)過程，釋放上盤底部及側(cè)邊界法向約束，并在相應(yīng)的位置上施加位移荷載以模擬斷層錯(cuò)動(dòng)，位移加載邊界條件見圖3.

圖2 土層-隧道模型網(wǎng)格Fig.2 Meshing of soil-tunnel model

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layers

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of tunnel structure

圖3 斷層錯(cuò)動(dòng)加載邊界Fig.3 Boundary of fault dislocation

3 結(jié)構(gòu)破壞分析

3.1 位移分析

施加斷層錯(cuò)動(dòng)位移16.5 cm，圖4 為二次襯砌豎向位移沿隧道縱向距離的分布曲線.圖4 中，以模型上盤邊界處為0 點(diǎn)，往右側(cè)指向下盤方向?yàn)檎?，破碎帶兩?cè)邊界分別在縱向坐標(biāo)100 m 和152 m 處，斷層錯(cuò)動(dòng)發(fā)生在縱向坐標(biāo)100 m 處，縱坐標(biāo)的豎向位移，以豎直向上為正，向下為負(fù).由圖4 可知，斷層錯(cuò)動(dòng)發(fā)生后，隧道襯砌沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲，上盤受豎向位移的作用，二次襯砌產(chǎn)生向上的位移16.5 cm，隨著縱向距離的增加，二次襯砌豎向位移逐漸減小.

圖4 二次襯砌豎向位移縱向分布曲線Fig.4 Longitudinal distribution curve of vertical displacement of secondary lining

3.2 塑性應(yīng)變發(fā)展過程

圖5 為斷層錯(cuò)動(dòng)位移過程中二次襯砌的塑性應(yīng)變發(fā)展過程.由圖5 可知，當(dāng)斷層位移不大于3 cm時(shí)，二次襯砌未發(fā)生塑性應(yīng)變，代表結(jié)構(gòu)材料尚未屈服.當(dāng)斷層位移逐漸增大時(shí)，最大塑性應(yīng)變首先出現(xiàn)在上盤拱頂，然后出現(xiàn)在上盤拱底，最后出現(xiàn)在破碎帶內(nèi)拱腰處并在此逐漸累積.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能原因是由于隧道埋置在上覆土層內(nèi)，隧道底部最早與土體共同運(yùn)動(dòng)，隧道頂部受到覆土壓力與底部位移的共同作用，最早產(chǎn)生塑性應(yīng)變.當(dāng)隧道頂部與上覆土層之間的作用逐漸達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，隧道底部開始與土體產(chǎn)生相互作用，塑性應(yīng)變?cè)谒淼赖撞恐饾u增大，隧道橫截面逐漸變?yōu)闄E圓面，隨著斷層位移的進(jìn)一步增大，橢圓面拱腰處產(chǎn)生應(yīng)力集中，塑性應(yīng)變?cè)诠把幹饾u累積直至破壞.

圖5 塑性應(yīng)變發(fā)展過程Fig.5 Development process of plastic strain

3.3 拉壓損傷因子分布

圖6 為二次襯砌縱向受壓受拉損傷因子分布云圖，圖7 和圖8 為二次襯砌拱頂、拱腰及拱底的受壓受拉縱向分布曲線圖.由圖7 和圖8 可知，最大受壓受拉損傷因子出現(xiàn)在破碎帶拱腰處，上盤內(nèi)拱頂處受拉，拱底處受壓，在受損最為嚴(yán)重的拱腰處指向下盤方向的破碎帶內(nèi)拱頂處受壓，拱底處受拉.由以上分析可知，二次襯砌拱腰處拉壓破壞最為嚴(yán)重，拉壓損傷因子沿縱向均呈“S”型分布，與襯砌變形一致.

圖6 受壓受拉損傷因子分布云圖Fig.6 Distribution cloud of compressive and tensile damage factor

圖7 隧道拱頂、拱腰及拱底受壓損傷因子縱向分布曲線Fig.7 Longitudinal distribution curve of compressive damage factor of tunnel vault，waist and invert

圖8 隧道拱頂、拱腰及拱底受拉損傷因子縱向分布曲線Fig.8 Longitudinal distribution curve of tensile damage factor of tunnel vault，waist and invert

3.4 剪應(yīng)變

圖9 為二次襯砌剪應(yīng)變分布云圖.由圖9 可知，最大剪應(yīng)變發(fā)生在拱腰處.圖10 為拱腰處剪應(yīng)變（絕對(duì)值）縱向分布曲線圖，拱腰處最大剪應(yīng)變發(fā)生在縱向坐標(biāo)105 m 處，最大值為0.019 3.混凝土抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之比約為0.095～0.121[20]，依據(jù)Zia的建議，混凝土的剪切模量為其彈性模量的40%[21].由此可求得C50 混凝土允許的極限剪切應(yīng)變?chǔ)舠：

拱腰處剪應(yīng)變?yōu)?.93e-2，遠(yuǎn)大于極限剪切應(yīng)變，表示混凝土極可能發(fā)生了嚴(yán)重的剪切破壞.

圖9 二次襯砌剪應(yīng)變分布云圖Fig.9 Distribution cloud of shear strain of secondary lining

圖10 拱腰處剪應(yīng)變縱向分布曲線Fig.10 Longitudinal distribution curve of shear strain of tunnel waist

3.5 結(jié)構(gòu)拉裂受損區(qū)間劃分

由3.3 和3.4 節(jié)隧道的受拉、受壓與剪切破壞分析可知在斷層破裂面附近，二次襯砌受到拉壓和剪切的共同作用，距破裂面較遠(yuǎn)范圍內(nèi)，上盤隧道拱頂處、破碎帶內(nèi)拱底處主要承受拉力，上盤拱底處、破碎帶內(nèi)拱頂處主要承受壓力.二次襯砌破壞形式的縱向分布示意圖見圖11.

圖11 二次襯砌破壞形式縱向分布示意圖Fig.11 Schematic diagram of the damage form along the tunnel axis of secondary lining

為進(jìn)一步區(qū)別隧道的拉裂嚴(yán)重受損區(qū)、輕微受損區(qū)與無受損區(qū)，本文以受拉損傷因子計(jì)算得到混凝土的裂縫寬度進(jìn)行劃分.Chen 等人[22]提出了一種通過拉伸損傷因子dt合理計(jì)算混凝土裂縫的計(jì)算公式：

式中：hc為特征值長(zhǎng)度，對(duì)于八節(jié)點(diǎn)積分單元而言等于單元邊長(zhǎng)[23]；σt為拉應(yīng)力；E0為初始彈性模量.

由公式（2）得到當(dāng)混凝土裂縫寬度為0.2 mm時(shí)，受拉損傷因子為0.838.依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]，表3 給出了混凝土裂縫寬度和受拉損傷因子定義的二次襯砌（C50）受損程度區(qū)間劃分依據(jù).

表3 二次襯砌受損程度劃分Tab.3 Classification of damage degree of secondary lining

結(jié)合圖8 隧道二次襯砌拱頂、拱腰及拱底的受拉損傷因子縱向分布曲線，得到二次襯砌沿縱向拉裂受損區(qū)間分布見圖12.

圖12 二次襯砌拉裂受損區(qū)間縱向分布Fig.12 Longitudinal distribution of tensile-crack damaged interval of secondary lining

由圖12 可知，二次襯砌拉裂嚴(yán)重受損區(qū)集中在破碎帶內(nèi)，發(fā)生在縱向區(qū)間105 m 至115 m 共10 m范圍內(nèi)，輕微受損區(qū)發(fā)生在嚴(yán)重受損區(qū)兩側(cè)，沿破碎帶指向上盤方向?yàn)?6 m，指向下盤方向?yàn)?4 m，總長(zhǎng)為30 m.

4 影響因素分析

考慮到錯(cuò)動(dòng)危險(xiǎn)的不確定性、施工時(shí)隧道埋深位置的選取以及斷層破碎帶寬度的不同，本文重點(diǎn)分析了不同斷層豎向錯(cuò)動(dòng)位移hv、隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離b 及不同斷層破碎帶寬度的二次襯砌結(jié)構(gòu)的破壞損傷規(guī)律，依此建立模擬工況見表4.

表4 不同影響因素模擬工況Tab.4 Simulated working conditions with different influencing factors

4.1 不同斷層錯(cuò)動(dòng)量影響分析

表5 為不同錯(cuò)動(dòng)位移下的最大塑性應(yīng)變，圖13為拱腰處剪應(yīng)變縱向分布曲線圖，最大塑性應(yīng)變及最大剪應(yīng)變均出現(xiàn)在拱腰處.由圖表可知，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移逐漸增大時(shí)，塑性應(yīng)變和剪應(yīng)變均增大.

表5 不同錯(cuò)動(dòng)位移下的塑性應(yīng)變Tab.5 Plastic strain under different dislocation displacements

當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移分別為10 cm、16.5 cm 和20 cm 時(shí)，受壓和受拉損傷因子最大值均出現(xiàn)在破碎帶內(nèi)拱腰處，圖14 和圖15 為隧道沿縱向各個(gè)橫截面上最大受壓和受拉損傷因子的縱向分布曲線圖，由圖可知，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移逐漸增大時(shí)，隧道拉壓損傷因子越大，代表二次襯砌受拉受壓破壞越嚴(yán)重.

圖13 不同錯(cuò)動(dòng)位移下的拱腰處剪應(yīng)變Fig.13 Shear strain of tunnel waist under different dislocation displacements

圖14 最大受壓損傷因子縱向分布曲線Fig.14 Longitudinal distribution curve of maximum compressive damage factor

圖15 最大受拉損傷因子縱向分布曲線Fig.15 Longitudinal distribution curve of maximum tensile damage factor

4.2 隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離影響分析

表6 為隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離的最大塑性應(yīng)變，圖16 為拱腰處剪應(yīng)變縱向分布曲線圖，最大塑性應(yīng)變及最大剪應(yīng)變均出現(xiàn)在拱腰處.由圖表可知，當(dāng)垂直距離逐漸增大時(shí)，塑性應(yīng)變和剪應(yīng)變均減小，當(dāng)垂直距離等于4.7 m 時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?，剪應(yīng)變接近于0.

圖16 不同隧道底部距圍巖交界面垂直距離的拱腰處剪應(yīng)變Fig.16 Shear strain of tunnel waist under different vertical distances from tunnel bottom to the interface of surrounding rocks

圖17 和圖18 為隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離的隧道橫截面最大受壓和受拉損傷因子的縱向分布曲線.由圖可知，當(dāng)隧道底部距圍巖交界面的垂直距離為0.7 m 時(shí)，受壓和受拉損傷因子最大，且最大值出現(xiàn)在破碎帶內(nèi)拱腰處；當(dāng)隧道底部距圍巖交界面的垂直距離為2.7 m 時(shí)，受壓損傷因子最大值出現(xiàn)在上盤拱底處，受拉損傷因子出現(xiàn)在隧道上盤拱頂處；當(dāng)隧道底部距圍巖交界面的垂直距離為4.7 m 時(shí)，受壓受拉損傷因子最小均為0.結(jié)合以上剪應(yīng)變和塑性應(yīng)變的分析可知，當(dāng)隧道底部距圍巖交界面的垂直距離逐漸增加時(shí)，隧道遭受的破壞越嚴(yán)重，當(dāng)隧道底部距圍巖交界面的垂直距離為4.7 m 時(shí)，隧道未發(fā)生破壞，這主要是因?yàn)榫嚯x越大，土層越厚，在錯(cuò)動(dòng)位移傳播過程中耗散掉了大部分能量.

圖17 最大受壓損傷因子縱向分布曲線Fig.17 Longitudinal distribution curve of maximum compressive damage factor

圖18 最大受拉損傷因子縱向分布曲線Fig.18 Longitudinal distribution curve of maximum tensile damage factor

4.3 不同斷層破碎帶寬度影響分析

表7 為不同破碎帶寬度下的最大塑性應(yīng)變，圖19 為拱腰處剪應(yīng)變縱向分布曲線圖，破碎帶寬度為2 m 時(shí)，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在拱底處，破碎帶寬度為26 m 和52 m 時(shí)，最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在拱腰處.不同破碎帶寬度最大剪應(yīng)變均出現(xiàn)在拱腰處，分別為3.804 02e-4、0.014 25 及 0.015 31.由圖表可知，當(dāng)破碎帶寬度由2 m 變?yōu)?6 m 時(shí)，最大塑性應(yīng)變?cè)黾恿? 952.04%，最大剪應(yīng)變?cè)黾恿? 646.05%；當(dāng)破碎帶寬度由26 m 變?yōu)?2 m 時(shí)，最大塑性應(yīng)變?cè)黾恿?.55%，最大剪應(yīng)變?cè)黾恿?.44%.

表7 不同破碎帶寬度的塑性應(yīng)變Tab.7 Plastic strain under different widths of fracture zone

圖19 不同破碎帶寬度的拱腰處剪應(yīng)變Fig.19 Shear strain of tunnel waist under widths of fracture zone

圖20 和圖21 為隧道沿縱向各個(gè)橫截面上最大受壓和受拉損傷因子的縱向分布曲線圖.當(dāng)破碎帶寬度分別為2 m、26 m 和52 m 時(shí)，最大受壓損傷因子分別為0.159 43、0.866 27 及0.901 48，最大受拉損傷因子分別為0.902 12、0.933 2 及0.954 3.由圖可知，當(dāng)破碎帶寬度由2 m 變?yōu)?6 m 時(shí)，最大受壓損傷因子增加了443.35%，最大受拉損傷因子增加了3.45%；當(dāng)破碎帶寬度由26 m 變?yōu)?2 m 時(shí)，最大受壓損傷因子增加了4.06%，最大受拉損傷因子增加了2.26%.結(jié)合以上分析可知，當(dāng)斷層破碎帶寬度由2 m 變?yōu)?6 m 時(shí)，隧道襯砌破壞顯著增加，當(dāng)破碎帶寬度由26 m 變?yōu)?2 m 時(shí)，襯砌破壞會(huì)出現(xiàn)很小程度的增加，基本保持穩(wěn)定.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因依據(jù)是泥巖與煤層為Ⅴ級(jí)圍巖，粉質(zhì)黏土與圓礫為Ⅵ級(jí)圍巖，斷層錯(cuò)動(dòng)位置發(fā)生在泥巖與煤層接觸面處，當(dāng)破碎帶（煤層）寬度較小時(shí)，下盤內(nèi)的粉質(zhì)黏土發(fā)揮主要作用，其圍巖性質(zhì)較軟，有利于隧道的變形，襯砌破壞較輕.隨著破碎帶寬度的逐漸增加，破碎帶圍巖對(duì)隧道的影響越來越大，二次襯砌破壞逐漸增加，當(dāng)破碎帶寬度達(dá)到26 m 時(shí)，破碎帶圍巖對(duì)隧道的影響基本保持穩(wěn)定.

圖20 最大受壓損傷因子縱向分布曲線Fig.20 Longitudinal distribution curve of maximum compressive damage factor

圖21 最大受拉損傷因子縱向分布曲線Fig.21 Longitudinal distribution curve of maximum tensile damage factor

5 柔性接頭減災(zāi)效果研究

斷層錯(cuò)動(dòng)會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，因此研究有效的抗斷設(shè)計(jì)方法十分必要且具實(shí)際意義.目前常用的抗斷減災(zāi)設(shè)計(jì)方法主要包括超挖設(shè)計(jì)、柔性接頭、設(shè)置減震層及注漿加固4 種，該工程采用設(shè)置柔性接頭的方法.為確定襯砌節(jié)段長(zhǎng)度，在設(shè)防錯(cuò)動(dòng)位移作用下二次襯砌的彎矩縱向分布見圖22，如圖所示，在錯(cuò)動(dòng)面兩側(cè)32 m 處隧道二次襯砌形成反彎點(diǎn)，依據(jù)Shahidi[15]等人的研究，襯砌節(jié)段長(zhǎng)度最大不應(yīng)大于32 m，考慮到混凝土臺(tái)車的寬度一般為6 ～12 m，同時(shí)考慮到防水要求，襯砌節(jié)段長(zhǎng)度不宜設(shè)置太短，因此節(jié)段襯砌長(zhǎng)度最終確定為12 m，設(shè)置范圍分布在斷層破碎帶及其附近共96 m，柔性接頭長(zhǎng)度0.15 m，按不利工況考慮，假定斷層錯(cuò)動(dòng)的位置發(fā)生在節(jié)段襯砌中點(diǎn)處，模擬中柔性接頭被簡(jiǎn)化為理想彈性材料，密度為1 000 kg/m3，彈性模量為7.8 MPa，泊松比0.47，柔性接頭設(shè)置示意圖見圖23.

圖22 彎矩縱向分布曲線Fig.22 Variations of computed bending moment along longitudinal direction

圖23 柔性接頭設(shè)置示意圖Fig.23 Sketch diagram of flexible joints

施加斷層錯(cuò)動(dòng)位移16.5 cm，二次襯砌的塑性應(yīng)變、拉壓損傷因子及剪應(yīng)變?cè)茍D見圖24.對(duì)比第3 節(jié)相應(yīng)的分析可知，二次襯砌塑性應(yīng)變降低了97.8%，最大受壓損傷因子降低了90.7%，最大受拉損傷因子降低了88.8%，最大剪應(yīng)變降低了98.5%.值得注意的是，設(shè)置柔性接頭以后，二次襯砌發(fā)生破壞的位置主要集中在跨斷層錯(cuò)動(dòng)面附近的柔性接頭處，因此應(yīng)對(duì)此處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)加固.綜合以上分析可知，設(shè)置柔性接頭可以顯著降低斷層錯(cuò)動(dòng)變形對(duì)結(jié)構(gòu)的損害，但由于柔性接頭彈性模量低，較為“柔軟”，因此成為了抗斷薄弱部位，結(jié)構(gòu)損傷最大的位置也往往出現(xiàn)在柔性接頭附近.以上分析體現(xiàn)出了跨斷層地下結(jié)構(gòu)的“以適應(yīng)地層變形為主，局部結(jié)構(gòu)加固為輔”的設(shè)計(jì)理念.

6 結(jié) 論

1）逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，錯(cuò)動(dòng)位移不大于3 cm時(shí)，二次襯砌塑性應(yīng)變?yōu)?，結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞.當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移進(jìn)一步加大時(shí)，塑性應(yīng)變首先出現(xiàn)在拱頂，然后是拱底，最后在拱腰處累積.當(dāng)錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到16.5 cm 時(shí)，錯(cuò)動(dòng)面及其附近的拱腰處產(chǎn)生拉壓剪的共同破壞，遠(yuǎn)離破裂面上盤內(nèi)拱頂處受拉，拱底處受壓，在受損最為嚴(yán)重的拱腰處指向下盤方向的破碎帶內(nèi)拱頂處受壓，拱底處受拉.

2）基于拉伸損傷因子計(jì)算得到了二次襯砌的混凝土裂縫寬度，并依此為依據(jù)將隧道二次襯砌受損區(qū)間劃分為拉裂嚴(yán)重受損區(qū)、輕微受損區(qū)與無受損區(qū).其中，拉裂嚴(yán)重受損區(qū)集中在破碎帶內(nèi)，發(fā)生在縱向區(qū)間105 m 至115 m 處，總長(zhǎng)共10 m；輕微受損區(qū)出現(xiàn)在嚴(yán)重受損區(qū)兩側(cè)，沿破碎帶指向上盤為16 m，指向下盤為14 m，總長(zhǎng)為30 m.

3）斷層錯(cuò)動(dòng)位移越大，結(jié)構(gòu)受損越嚴(yán)重.隧道底部距圍巖交界面垂直距離越大，土層越厚，錯(cuò)動(dòng)位移傳播過程中消耗能量越多，結(jié)構(gòu)受損越輕.斷層破碎帶寬度越大，隧道破壞越嚴(yán)重，當(dāng)破碎帶寬度達(dá)到一定值時(shí)，破碎帶對(duì)隧道的影響基本保持穩(wěn)定.

4）節(jié)段襯砌之間設(shè)置柔性接頭可以顯著降低錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)結(jié)構(gòu)的危害.但由于柔性接頭較為柔軟，是抗斷薄弱部位，設(shè)置柔性接頭以后受損最為嚴(yán)重的區(qū)域往往出現(xiàn)在變形縫及其附近，因此應(yīng)對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)加固.