嚴(yán)申華 YAN Shen-hua；鄒嘉煒 ZOU Jia-wei；陳美鵬 CHEN Mei-peng；萬進(jìn)明 WAN Jin-ming；徐振揚(yáng) XU Zhen-yang；付寧 FU Ning；鄭春銘 ZHENG Chun-ming；宋飛 SONG Fei；李海潮 LI Hai-chao；周青 ZHOU Qing；蘭福東 LAN Fu-dong；李志 LI Zhi；黃天煒 HUANG Tian-wei；鄒紅湘 ZOU Hong-xiang；林穎典 LIN Ying-dian

（①中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，杭州 310009 ；②中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043；③中鐵上海工程局有限公司，上海 200000；④中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原，030024；⑤浙江大學(xué)海洋學(xué)院，杭州 310058；⑥浙江卡浦樂爾混凝土技術(shù)有限公司，杭州 310015）

0 引言

隨著我國大規(guī)模興建高速鐵路、高速公路、城市地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施，地下工程如隧道常需穿越活動(dòng)斷層?；顒?dòng)斷層存在會(huì)導(dǎo)致地層發(fā)生變形和錯(cuò)位，從而引發(fā)隧道產(chǎn)生過大變形、錯(cuò)位甚至局部坍塌等災(zāi)害[1-2]。在選址隧道線路時(shí)，通常應(yīng)盡量避免線路接近或穿越活動(dòng)斷層。然而，在實(shí)際工程中，由于經(jīng)濟(jì)性、線路走向等因素的限制，仍有許多隧道需要修建在斷層附近甚至穿越斷層。因此，研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形特性及安全性等方面的影響具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)際意義。

斷層錯(cuò)動(dòng)是導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要原因[3-6]。目前，研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形影響的方法主要包括室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。Shahidi[7]對(duì)比分析了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下Koohrangs 三號(hào)隧道中二次襯砌減錯(cuò)縫的效果。熊煒[8]利用商業(yè)有限元分析軟件Marc 研究了正斷層活動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力和變形的機(jī)制，探討了斷層位錯(cuò)量、傾角和隧道埋深等因素的影響，并總結(jié)了襯砌的破壞模式。唐曉杰[9]使用Flac 軟件模擬分析了不同施工工法下地鐵隧道穿越斷層破碎帶時(shí)圍巖的變形情況，研究了注漿加固對(duì)不同工法下斷層破碎帶變形的影響和控制效果。甘星球[10]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了斷層錯(cuò)動(dòng)和地震共同作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，探討了斷層滑移量和地震波輸入方向?qū)σr砌微裂縫產(chǎn)生量和受力變形的影響規(guī)律。陶連金[11]研究了逆斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)淺埋地鐵隧道受力變形的影響機(jī)制，研究了不同斷層錯(cuò)動(dòng)距離和隧道埋深下隧道結(jié)構(gòu)受力變形的變化規(guī)律。

為了深入了解斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，本研究采用數(shù)值分析方法，探究了杭溫鐵路區(qū)間隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)下的襯砌結(jié)構(gòu)受力變形機(jī)制。研究重點(diǎn)包括斷層位移、傾角、破碎帶寬度、隧道埋深以及襯砌厚度等因素對(duì)隧道襯砌的變形和破壞的影響。通過這些研究結(jié)果，可以為鐵路隧道在穿越斷層破碎帶時(shí)的設(shè)計(jì)與施工提供參考和依據(jù)。

1 依托工程概論

杭溫鐵路二期工程木匪嶺隧道橫穿浙江省桐廬縣和浦江縣，穿越的地層巖性為侏羅系黃尖組J3h 凝灰?guī)r。該隧道穿越了5 條斷層帶和11 條節(jié)理密集帶，斷層與線路夾角約為34°至68°，視傾角為76°至84°。在破碎帶內(nèi)，巖體發(fā)生破碎，巖芯多為碎塊狀或角礫狀。隧道區(qū)域地下水發(fā)育，主要包括基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。整個(gè)隧道面臨著高低溫地應(yīng)力的大幅變化，存在施工風(fēng)險(xiǎn)，如巖體破碎、巖爆、坍塌和淺埋突水等。

該隧道采用單洞雙線隧道方案，斷面形狀為馬蹄形，凈寬度為14.86m，凈高度為12.74m。設(shè)計(jì)方案采用了由初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌方案。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了行車速度為350 公里/小時(shí)。隧道的全長為10240.34m，最大埋深超過200m，是杭溫鐵路中最長的隧道。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，選擇了IV 級(jí)圍巖進(jìn)行模擬。根據(jù)圣維南原理，在模型尺寸足夠大的情況下，即模型邊界至隧道邊緣的最小距離超過隧道半徑的3 倍時(shí)，可以忽略計(jì)算模型邊界截?cái)鄬?duì)計(jì)算結(jié)果的影響。因此，根據(jù)隧道洞徑的大小，我們?cè)O(shè)置了模型的長、寬和高分別為150m、90m和80m。隧道的埋深為50m，最大開挖洞徑為13.3m。考慮到斷層破碎帶的影響，我們?cè)谟?jì)算模型的長度方向上設(shè)置了與隧道走向夾角為71°、寬度為12m、視傾角為80°的斷層破碎帶。計(jì)算模型的頂部設(shè)為自由邊界，側(cè)面設(shè)為水平向約束，底部設(shè)為豎直約束。圖1 展示了數(shù)值分析模型的示意圖。

圖1 鐵路隧道數(shù)值分析模型

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

在進(jìn)行模擬時(shí)，采用了Mohr-Coulomb 彈塑性模型來描述隧道圍巖及斷層破碎帶巖體的行為，而襯砌則采用彈性模型。在計(jì)算過程中，考慮了自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)的影響；同時(shí)考慮了不同介質(zhì)之間的相對(duì)滑動(dòng)，在襯砌管片與圍巖以及斷層破碎帶與圍巖之間引入了摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4。襯砌管片之間以及管片與圍巖之間采用可分離的硬接觸模型，而斷層破碎帶之間采用不可分離的硬接觸模型。

表1 隧道圍巖及襯砌物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬過程

具體的開挖模擬過程可分為四個(gè)步驟：第一步是施加初始地應(yīng)力；第二步是通過單元的激活與去激活來實(shí)現(xiàn)隧道的開挖；第三步是激活單元以施加襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力；第四步是在隧道斷層的上下盤邊界上施加相反方向的位移，以模擬斷層的錯(cuò)動(dòng)作用。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

斷層寬度值大小對(duì)隧道襯砌響應(yīng)有重要影響。為揭示斷層破碎帶寬度對(duì)其的影響，分別取破碎帶寬度為8m、12m 和15m 以及斷層位錯(cuò)量為0.3m，計(jì)算了沿隧道走向的襯砌拱腰處縱向應(yīng)力，其結(jié)果如圖2 所示。從圖中可看出，對(duì)于一定的斷層寬度和位錯(cuò)量下，左拱腰處的縱向應(yīng)力沿著隧道走向由0 逐漸增大到最大值（正值），然后又逐漸減小到最小值后再繼續(xù)增大（負(fù)值）到0；右拱腰處的變化規(guī)律與左拱腰類似。對(duì)于不同的斷層寬度，曲線的變化規(guī)律相同，但峰值不同。斷層寬度越大，峰值也越大。這說明在錯(cuò)動(dòng)位移作用下，在斷層破碎帶內(nèi)產(chǎn)生了剪應(yīng)力，使得一盤受到拉應(yīng)力，另一盤受到擠壓應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致襯砌發(fā)生彎曲變形。

圖2 不同破碎帶寬度下襯砌拱腰縱向應(yīng)力沿隧道走向的變化情況

為了更進(jìn)一步分析斷層傾角和破碎帶寬度對(duì)襯砌受力變形的影響，還計(jì)算了斷層寬度為8m、12m 和15m 以及斷層傾角分別為60°、70°、80°和90°時(shí)隧道襯砌拱頂最大下沉量和拱底最大隆起量，其結(jié)果如圖3 所示。從圖中可看出：在一定的破碎帶寬度下，拱頂最大下沉變形量隨斷層傾角的增大而增大；拱底最大隆起變形量則隨著斷層傾角的增大而先增大，并在80°時(shí)達(dá)到最大值，然后再隨之減小。斷層寬度越大，相應(yīng)地拱頂和拱底最大變形量越大。當(dāng)斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時(shí)，斷層傾角從60°增大到90°區(qū)間內(nèi)拱頂?shù)淖畲笙鲁亮吭龇謩e為18.0%、11.5%和10.4%。拱底隆起情況則相反。當(dāng)斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時(shí)，斷層傾角從60°增大到90°區(qū)間內(nèi)拱底最大隆起量增幅分別為25.0%、17.5%和14.3%。因此，斷層寬度越大，斷層傾角變化對(duì)隧道拱頂下沉影響越小，對(duì)拱底隆起影響越大。

圖3 不同破碎帶寬度下襯砌最大豎向位移與斷層傾角的關(guān)系

從圖3 中還可以看出，當(dāng)斷層傾角一定時(shí)，斷層寬度對(duì)襯砌拱頂和拱底豎向位移有很大影響。當(dāng)斷層寬度依次為8m、12m 和15m 時(shí)，傾角從60°增大到90°內(nèi)拱頂最大下沉量增幅分別為28.0%、33.3%、23.2%和19.8%，而拱底最大隆起量增幅分別為53.1%、44.7%、40.0%、45.9%。說明斷層傾角對(duì)襯砌拱頂和拱底豎向位移都有重要影響，尤其是對(duì)拱底隆起變形影響最大。

4 結(jié)論

本研究以一條高速鐵路區(qū)間隧道為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬和分析，研究了斷層錯(cuò)動(dòng)、斷層寬度和傾角對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。通過觀察不同斷層位錯(cuò)量、斷層寬度和傾角條件下襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化，得出以下結(jié)論：①斷層寬度對(duì)隧道襯砌受力變形有重要影響。在一定的斷層寬度和位錯(cuò)量下，襯砌拱腰處會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，說明在錯(cuò)動(dòng)位移作用下斷層破碎帶內(nèi)產(chǎn)生了剪應(yīng)力，使得一盤受到拉應(yīng)力，另一盤受到擠壓應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致襯砌發(fā)生彎曲變形。②斷層寬度和傾角變化對(duì)隧道襯砌豎向位移有重要影響。斷層寬度和傾角越大，對(duì)拱底隆起變形影響最大，但對(duì)拱頂下沉影響次之。