馬亞麗娜,舒 恒,崔慶龍,盛 謙 ,崔 臻

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)持續(xù)向西部地區(qū)傾斜，我國西部高烈度地區(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，尤其是位于高烈度地震區(qū)域的隧道工程，穿越多條活動斷裂帶，對其安全運營存在嚴(yán)重威脅。一直以來，我國主要的地質(zhì)勘察和隧道設(shè)計規(guī)范[1-2]均遵循避讓活斷層的原則，并要求滿足一定避讓距離。但受到選線限制，長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)系到國家可持續(xù)發(fā)展的重大科技和戰(zhàn)略課題，是我國重大基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的必然要求。因此，開展跨活斷層隧道圍巖-襯砌體系破壞響應(yīng)和機制研究，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)成一個系統(tǒng)。在地質(zhì)條件差或存在明顯地質(zhì)突變的活動斷裂帶附近，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，易受到斷層錯動作用帶來的破壞，學(xué)者針對跨正斷層隧道開展了一系列物理模型試驗，揭示隧道上覆土層的厚度、斷層的角度對隧道受損范圍和程度有一定影響。LIN[4]通過開展砂箱試驗，研究強震誘發(fā)斷層基巖逆沖作用下對隧道的影響，在砂箱試驗中記錄了土層內(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程。隨著計算水平的提高，數(shù)值模擬方法在工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用。較室內(nèi)試驗而言，數(shù)值模擬可通過更短的時間和更低的成本進(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]等通過數(shù)值模擬手段，研究隧道工程穿越山區(qū)常見的較為軟弱的Ⅳ級圍巖時，隧道工程在施工中圍巖的破壞特性和漸進(jìn)性破損機制;總結(jié)出隧道的開挖會引起圍巖應(yīng)力的重分布，巖體應(yīng)力在跨越斷層兩盤時呈現(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)行簡化處理，通過建立概化模型進(jìn)行模擬，這種方法最早用于埋地管線錯斷問題的研究中。由于隧道與埋地管線均屬于線形地下結(jié)構(gòu)，二者具有相似的長大線性形狀，并在斷層錯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斷模型分析方法，為長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)，國內(nèi)外目前針對斷層錯動條件下圍巖漸進(jìn)性破壞方面的研究已經(jīng)取得了一些成果，但是對斷層錯動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)計算的一個重要部分，由于隧道的縱向變形特性相對橫向更為脆弱，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-襯砌破壞機制，此領(lǐng)域較為空白。

本文針對跨活斷層隧道開展相應(yīng)研究，主要基于以下2個方面：首先，本研究所基于的長大隧道的軸向長度遠(yuǎn)大于其截面尺寸，具有線形的特點；其次，數(shù)值分析方法可以在計算中考慮多個因素、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題，是研究跨斷層線狀結(jié)構(gòu)錯斷機理的有效手段。

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，利用有限元數(shù)值模擬手段，建立穿越活動斷裂帶隧道的圍巖-襯砌體系二維數(shù)值模型，從而開展跨斷層隧道圍巖-襯砌體系破壞機制研究；最后，分析了斷層傾角、斷層寬度，巖體質(zhì)量等級等多個因素對圍巖-襯砌體系錯斷響應(yīng)的影響，為跨斷層隧道縱向設(shè)計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，對活動斷層錯動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動作用下的變形是平面內(nèi)二維變形，且將隧道簡化為實截面梁。

b.假定斷層錯動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.忽略斷層錯動的時間動力效應(yīng)。

此外，計算都要達(dá)到2個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。基于此，在斷層兩側(cè)圍巖錯動條件下，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)的梁單元微元體內(nèi)部產(chǎn)生的軸力、剪力、彎矩等內(nèi)力響應(yīng)。隧道在斷層錯動作用下的變形圖和梁單元微元體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斷層錯動作用下隧道縱向變形和梁單元微元體結(jié)構(gòu)

2 計算模型的搭建與計算方案

以跨越多條活動斷裂的香爐山隧道工程為研究對象。工程區(qū)域構(gòu)造運動劇烈，發(fā)育了眾多類型、活動性和規(guī)模各異的活斷層，地震活動性較強，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約588 km，本研究以規(guī)模最大、對隧道威脅最強烈的F10-1斷層為例進(jìn)行分析，該斷層表現(xiàn)出多期活動的復(fù)合性質(zhì)，對隧道工程的安全運營存在嚴(yán)重威脅[16]。

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

2.1 計算模型及邊界條件

根據(jù)彈性地基梁理論，將隧道簡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。計算模型中，斷層左側(cè)部分(上盤)邊界條件采用固定約束，右側(cè)部分(下盤)中，右端采用水平向約束，下盤整體賦予豎向向上的位移，通過上下兩盤的相互運動以模擬正斷層的錯動。

圖3 模型計算模型

通過試算，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，襯砌縱向彎矩已趨近于0，表明當(dāng)前采用的剪切錯動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

針對依托工程，根據(jù)已有室內(nèi)物理試驗成果[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 計算方案

開展斷層錯動條件下，斷層破碎帶地質(zhì)條件對跨斷層隧道圍巖-襯砌體系錯斷響應(yīng)影響分析，初始計算方案為：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，開展斷層錯動量為1.2 m時隧道圍巖-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動量約為1.2 m作為輸入條件展開計算。研究正斷層錯動作用下跨斷層隧道圍巖-襯砌體系錯斷響應(yīng)規(guī)律，計算模型如圖4所示。

圖4 基本烈度下計算模型圖

3.1 圍巖-襯砌體系位移響應(yīng)

圍巖位移云圖如圖5所示，斷層兩盤錯動影響的范圍主要是在地質(zhì)條件較差的斷層破碎帶內(nèi)，且集中于斷層錯動面兩側(cè)各30 m的范圍內(nèi)，圍巖位移在斷層錯動面處變化連續(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動的最終狀態(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展示了斷層錯動量1.2 m時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展示了斷層錯動量1.2 m時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展示了斷層錯動量1.2 m時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，斷層兩盤內(nèi)襯砌軸力以中心剪切帶對稱分布；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)對跨斷層隧道錯斷響應(yīng)的影響。

4.1 斷層破碎帶傾角的影響

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

(a) 斷層傾角70°

表2 不同斷層傾角下計算工況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，斷層錯動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，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，斷層傾角變化對襯砌位移曲線差異性影響較小；斷層傾角較小時，斷層錯動作用影響范圍較大，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，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，斷層錯動對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，襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布趨勢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)討論破碎帶寬度對圍巖-襯砌錯斷響應(yīng)的影響，計算工況如表3所示，數(shù)值計算模型如圖14所示。

表3 不同破碎帶寬度下計算工況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，斷層錯動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，襯砌內(nèi)力沿隧道縱向的分布趨勢在不同斷層寬度條件下基本一致。整體來看，破碎帶寬度不同對襯彎矩的影響較小，但對剪力和軸力具有一定影響。斷層破碎帶寬度對剪力的影響主要體現(xiàn)在變化范圍和峰值這2個方面，隨著斷層寬度增大，剪力變化范圍增大，但剪力峰值明顯減?。划?dāng)斷層寬度從100 m變化至200 m時，剪力影響范圍增大，剪力峰值減小幅度為23.5%，這是因為襯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。對于軸力而言，當(dāng)斷層寬度較大時，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，這是因為斷層寬度增大后減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斷裂帶，較大的斷層寬度對隧道襯砌受力狀態(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，計算工況如表4所示，數(shù)值計算模型如圖18所示。

表4 不同巖體力學(xué)參數(shù)下計算工況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。在同樣的斷層錯動量下，圍巖位移云圖并無明顯差異，說明斷層破碎帶巖體質(zhì)量對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上基本一致，僅僅破碎帶內(nèi)有些許差別。巖體強度越小，襯砌位移曲線變化緩慢，原因是斷層破碎帶巖體質(zhì)量等級越低，強度越小，對隧道的約束性能越強弱，越能夠吸收斷層錯動對隧道襯砌變形產(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)量等級越高，強度越大，斷層破碎帶對襯砌結(jié)構(gòu)約束性越強，隧道洞受到斷層錯動作用越顯著。

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，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，對隧道約束較弱，能夠吸收斷層錯動帶來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斷層時，較弱的破碎帶巖體質(zhì)量可以有效減輕斷層錯動對襯砌結(jié)構(gòu)帶來的破壞。

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.斷層兩盤錯動影響的范圍主要是在地質(zhì)條件較差的斷層破碎帶內(nèi)，且集中于斷層錯動面兩側(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)；在斷層兩盤交界處襯砌位移連續(xù)，襯砌在斷層上下盤內(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)重點設(shè)防。

d.不同的斷層傾角、破碎帶寬度、巖體質(zhì)量等級均對圍巖-襯砌體系錯斷響應(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唬粩鄬訉挾却笮∮绊憯鄬渝e動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，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；斷層錯動量一定條件下，當(dāng)巖體模量從4 GPa降低至1 GPa時，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)量等級越高，隧道受到斷層錯動作用越顯著。

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