孫文昊，陳立保，李沛松，王 琦，張 津

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430063；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

引言

活動斷層是隧道建設中經常遇到的不良地質條件，隧道結構在受到活動斷層錯動之后會產生嚴重破壞[1-4]。如在1999年中國臺灣集集地震中，中國臺灣8號、14號公路隧道等多座隧道出現(xiàn)了開裂，混凝土襯砌剝落等震害[5]；位于車籠埔活動斷層區(qū)的石崗壩引水隧道，在進水口下游180 m處發(fā)生了剪切滑移，隧道在豎直方向分開4 m，在水平方向分開3 m；2008年汶川地震中，穿越活動斷層的主要鐵路線路寶成線、廣岳線、成昆線、成渝線、內六線隧道均不同程度受損，共計約59處，公路隧道受損亦較為嚴重[6-7]，其中，處于龍門山斷裂帶內的龍洞子隧道出現(xiàn)了右線出口邊坡垮塌、左線洞口段落石、左線洞門端墻開裂、洞身段環(huán)向錯臺、邊墻上部及頂拱二次襯砌塌落等嚴重破壞，位于映秀大斷裂與龍溪斷裂之間的龍溪隧道[8]，斷層造成隧道上下相對位移達1 m左右的錯動變形，襯砌拱部坍塌完全喪失功能[9]。

盾構隧道是由管片通過螺栓連接而成的裝配式結構[10]，大量研究表明，盾構隧道接頭是整個結構受力及變形的薄弱部位，縱向接頭對穿越活動斷層的盾構隧道震害影響不容忽視[11-12]。耿萍等[13]通過數(shù)值模擬分析了地震作用下盾構隧道縱向螺栓等細部構造的受力特征；閆高明等[14]以跨斷層龍溪隧道為依托，通過振動臺試驗研究了斷層錯動對帶有接頭的襯砌結構響應。目前，對山嶺隧道和沉管隧道的接頭已有較多研究，但對海底盾構隧道接頭抗錯性能研究相對較少。

依托膠州灣第二海底隧道工程，采用有限元方法模擬正斷層環(huán)境下隧道環(huán)間接頭受力變形，對比不同接頭螺栓、管片結構形式對隧道管片結構影響的敏感性，以期為穿越活動斷層帶盾構隧道的抗錯動設防提供參考。

1 工程背景

膠州灣第二海底隧道工程橫跨膠州灣，連接青島市市北區(qū)與黃島區(qū)，意在構建完善的大青島全天候跨海交通體系。主線隧道采用鉆爆法和盾構法組合施工方案，其中，盾構段隧道長4 510 m。隧道位于魯東構造帶，處于牟平-即墨斷裂帶，隧道依次穿越F3、F8、F10和F11斷層。針對穿越活動斷層錯動對盾構隧道管片和接頭的影響，選取位于隧道盾構段的F3滄口斷層進行研究，方案平面見圖1。根據(jù)地質勘察報告，該斷層是中新生代強烈活動的區(qū)域性斷裂，斷層破碎帶長約30 m，由許多規(guī)模不一的平行斷裂組成，斷層帶兩側地層為早白堊系青山組、楊家莊組和燕山晚期花崗巖巖體。上盤為第四系堆積平原，下盤為山地，為壓扭性正斷層，斷層走向NE，傾向NW，傾角60°～70°，預計最大位錯量90 cm。盾構隧道外徑15.2 m，管片采用C60鋼筋混凝土平板形管片，通用楔形環(huán)，“9+1”分塊，襯砌厚0.65 m。

圖1 膠州灣第二海底隧道工程平面示意

2 計算模型

2.1 數(shù)值模型

利用有限元程序ABAQUS[15]建立三維模型，如圖2所示。其中，模型尺寸為150 m(長)×100 m(寬)×100 m(高)，斷層破碎帶寬30 m，斷層方向與隧道軸向之間的夾角β=69°。盾構隧道縱向螺栓50組，螺栓長70 cm，隧道中心埋深33 m。

圖2 三維有限元模型(單位：m)

為精確地模擬斷層位錯過程中盾構隧道細部的變形特征[16]，在斷層面附近建立30環(huán)均質圓環(huán)模型(圖3)。管片環(huán)之間采用縱向螺栓連接，螺栓采用梁單元模擬。根據(jù)志波由紀夫等提出的軸向等效剛度模型[17]，隧道結構均采用均質圓筒。管片環(huán)間接縫處，法向方向采用硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦接觸[18]，管片間等效摩擦應力為

圖3 三維有限元細部模型

(1)

式中，τ1、τ2為摩擦面內兩垂直方向剪切應力。臨界剪切應力為

τcrit=μp

(2)

式中，μ為摩擦系數(shù)，根據(jù)地勘資料，μ取0.8。

計算模型邊界條件如圖4所示。模型上表面為自由面，對模型下盤底面(Uy)和橫向(Ux)邊界施加法向約束以消除剛體運動。為模擬斷層錯動，對模型上盤施加豎向位移，根據(jù)地勘報告，位錯量取90 cm。接觸面正應力和摩擦系數(shù)是影響斷層錯動的重要物理力學參數(shù)，接觸面摩擦應力定義為[19]

由此之外，縱觀整個藝術史，女性主題藝術的概念仍有著西方女權主義運動的背景，所以并不是所有包含女性的作品都可以稱之為女性藝術。這里所提到的西方女權主義運動，它可分為第一代、第二代、第三代。

圖4 模型邊界

τf=μf(σn-p)

(3)

式中，σn為正應力；p為孔隙水壓力；通過直剪試驗得到斷層上、下盤之間的摩擦系數(shù)μf=0.8。

采用摩爾庫倫彈塑性本構，定義地層上盤、下盤和斷層帶圍巖，地層物理力學參數(shù)見表1，地層分布見圖5。盾構管片選用C60混凝土，螺栓采用雙折線塑性硬化本構[13]，螺栓的拉伸應力-應變關系如圖6所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

圖5 地質剖面

圖6 螺栓拉伸應力-應變關系

2.2 影響隧道變形破壞的關鍵因素

穿越斷層的盾構隧道動力響應受多種因素影響，其中，關鍵影響因素是管片幅寬和縱向螺栓形式。目前，管片組裝機構的吊裝能力不斷提高，管片幅寬有不斷加大趨勢[20-21]。隨著管片幅寬增加，環(huán)間接頭數(shù)目、防水接縫總長度、管片拼裝次數(shù)、管片制造數(shù)量均有明顯減少，從而能夠明顯改善隧道結構防水狀況，加快施工進度，降低管片綜合造價。對于盾構隧道螺栓接頭，常見的接頭形式有直螺栓和斜螺栓。其中，直螺栓施工方便、制作簡單，但預留手孔較大，易出現(xiàn)管片局部破壞；斜螺栓手孔小，易于拆裝，對截面削弱小，且只需對螺栓的一頭進行防水和防腐蝕處理，因此，可加快施工進度，降低造價。

通過對不同管片幅寬和縱向螺栓組合，共分6種工況，研究正斷層錯動下盾構隧道管片及環(huán)縫接頭的力學特征及破壞模式，具體計算工況見表2。

表2 計算工況

3 結果分析

對各工況計算結果進行整理后，發(fā)現(xiàn)斷層錯動引起管片錯臺張開主要在斷層面和斷層帶中部位置，如圖7所示。提取關鍵節(jié)點沿隧道軸向的內力分布曲線，計算內力極值，對比不同管片幅寬和螺栓形式時管片內力分布規(guī)律并總結隧道破壞形式；提取環(huán)間接縫的變形和管片應力，分析正斷層黏滑錯動對管片和環(huán)縫接頭影響。

圖7 幅寬1.5 m直螺栓隧道變形(放大50倍)

3.1 管片內力分析

為研究隧道在斷層錯動影響下的變形機理，提取隧道橫斷面軸力、剪力及彎矩沿隧道縱向繪制環(huán)間內力分布曲線，發(fā)現(xiàn)不同管片幅寬的內力分布規(guī)律基本一致，限于篇幅，僅給出1.5 m幅寬的直螺栓和斜螺栓工況下，管片環(huán)間內力見圖8。

圖8 管片環(huán)間內力分布

由圖8和表3可見，管片環(huán)之間無論選擇直螺栓還是斜螺栓，兩種連接方式的縱向內力分布規(guī)律相似，在斷層與上下盤交界附近的管片內力受錯動影響較大，影響范圍約為交界面附近4～5環(huán)寬度，此范圍內隧道橫截面內力出現(xiàn)較強波動，且隧道橫截面剪力極值和彎矩極值也出現(xiàn)在此范圍內，軸力分布與剪力、彎矩稍有不同，軸力最大處橫斷面位于斷層內部而非斷層與上下盤交界附近。從內力大小來看，管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對比采用兩種不同連接方式時內力最大值，軸力為斜螺栓<直螺栓，剪力為斜螺栓>直螺栓，彎矩為斜螺栓>直螺栓。

表3 隧道環(huán)間內力最大值

3.2 環(huán)縫接頭最大張開量分析

提取每個環(huán)間的最大張開量值，沿隧道縱向繪制環(huán)間接頭最大張開量，如圖9～圖14所示。

圖9 環(huán)間最大張開量(工況1)

圖10 環(huán)間最大張開量(工況2)

圖11 環(huán)間最大張開量(工況3)

圖12 環(huán)間最大張開量(工況4)

圖13 環(huán)間最大張開量(工況5)

圖14 環(huán)間最大張開量(工況6)

由圖9～圖14可知，采用直螺栓和斜螺栓連接時，環(huán)間張開量值均呈現(xiàn)明顯的“三峰值”，環(huán)間接頭張開量峰值均出現(xiàn)在斷層與上下盤交界附近及位于斷層中部的管片環(huán)，此處管片出現(xiàn)明顯錯臺。采用直螺栓連接時，當管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對應的最大張開量分別為7.19，9.08，9.26 cm；采用斜螺栓連接時，當管片幅寬分別為1.5，1.8，2.0 m時，對應的最大張開量分別為7.09，8.85，8.96 cm。對比可以看出，環(huán)間最大張開量為直螺栓>斜螺栓。

3.3 環(huán)縫接頭最大錯臺量分析

提取管片每個環(huán)間的最大錯臺量值，沿隧道縱向繪制環(huán)間接頭最大錯臺量，如圖15、圖16所示。

圖15 環(huán)間最大錯臺量(直螺栓)

圖16 環(huán)間最大錯臺量(斜螺栓)

環(huán)間錯臺量峰值位于上下盤斷層面處，且隨著管片幅寬增加，錯臺量逐漸增加。當管片幅寬達到2 m時，直螺栓和斜螺栓的最大錯臺量分別為33 cm和36 cm。隧道管片錯臺主要分布在斷層面兩側約2 m范圍內，且盾構管片離斷層面越遠，錯臺量迅速衰減。值得注意的是，在隧道縱向距離4～6 m位置出現(xiàn)了1個次峰，這是由于隧道傾斜69°穿越斷層，導致正斷層錯動依次作用于不同管片的頂部和底部，位于上盤的隧道底部出現(xiàn)脫空區(qū)。

3.4 管片和螺栓應力分析

提取通過斷層的管片最大主應力和管片環(huán)間螺栓Mises應力，發(fā)現(xiàn)不同管片幅寬的應力分布基本相似，因此，僅給出管片幅寬1.5 m工況下直螺栓和斜螺栓的應力云圖，如圖17、圖18所示。

圖17 管片應力云圖(單位：Pa)

圖18 螺栓應力云圖(單位：Pa)

由圖17可知，無論是采用直螺栓還是斜螺栓連接，處于斷層與上下盤交界處管片均出現(xiàn)了明顯的應力集中，查看該范圍內的應力值可以發(fā)現(xiàn)，超過了混凝土抗拉強度2.04 MPa，說明在此處混凝土管片已經發(fā)生了破壞。由圖18可知，無論采用直螺栓連接還是斜螺栓連接，在斷層與上下盤交界處的管片環(huán)之間的螺栓應力均已經超過了螺栓的極限強度，在交界處進入屈服階段和破壞的螺栓最密集，螺栓已發(fā)生破壞。

4 結論及建議

海底盾構隧道管片幅寬和縱向螺栓是設計的重要參數(shù)，針對不同管片幅寬和螺栓形式，研究了海底盾構隧道穿越活動斷層時的受力變形特點，結論如下。

(1)彎矩、剪力和軸力均在斷層面附近出現(xiàn)較大波動，且剪力和彎矩最大值出現(xiàn)在此范圍內，而軸力最大值位于斷層帶中部。管片內力隨管片幅寬的增加而增加，且采用斜螺栓能有效降低管片軸力，但顯著增大剪力和彎矩。

(2)采用斜螺栓和直螺栓時，環(huán)間張開量值均呈現(xiàn)明顯的“三峰值”，峰值出現(xiàn)在斷層面和斷層帶中部，采用斜螺栓可有效抑制環(huán)縫的張開量。

(3)隧道管片錯臺主要發(fā)生在上下盤斷層面交界處，且集中分布在斷層面兩側2 m左右范圍內，距離斷層面越遠管片錯臺量迅速衰減。

(4)位于斷層與上下盤交界處的管片和螺栓出現(xiàn)了明顯的應力集中，且超過了混凝土和螺栓的極限抗拉強度，說明混凝土管片和螺栓已經發(fā)生了破壞。

(5)針對斷層錯動條件下隧道接頭的破壞模式和范圍，對影響范圍內的隧道管片合理增強配筋，在海底隧道管片接縫處采用柔性止水帶提高隧道的整體柔度，以滿足隧道的變形適應性和防水要求。