逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下地鐵隧道結(jié)構(gòu)損傷分析

安韶 陶連金 邊金 韓學(xué)川 吳曉媧

摘 ? 要：以烏魯木齊地鐵隧道穿越西山活動(dòng)逆斷層工程為例，建立三維彈塑性有限元模型. 首先模擬分析了逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道二次襯砌塑性應(yīng)變發(fā)展過(guò)程，拉壓損傷因子、剪切應(yīng)變的橫向及縱向分布規(guī)律，計(jì)算了混凝土的裂縫寬度;其次研究了不同錯(cuò)動(dòng)位移、隧道底部距圍巖交界面不同垂直距離及不同破碎帶寬度的結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，最后進(jìn)行了設(shè)置柔性接頭的減災(zāi)效果研究. 結(jié)果表明：二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞首先出現(xiàn)在拱頂;然后是拱底，最后在拱腰處累積. 破裂面附近拱腰處發(fā)生拉壓剪的共同破壞;遠(yuǎn)離破裂面上盤(pán)拱頂，破碎帶拱底處發(fā)生受拉破壞;遠(yuǎn)離破裂面上盤(pán)拱底，破碎帶拱頂處發(fā)生受壓破壞. 基于混凝土裂縫得到隧道拉裂破壞的嚴(yán)重與輕微受損區(qū)分別為10 m和30 m. 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，耗散能量越多，結(jié)構(gòu)受損越輕;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26 m時(shí)，破碎帶寬度對(duì)隧道的影響基本保持穩(wěn)定. 設(shè)置柔性接頭可以顯著降低結(jié)構(gòu)的損傷，基本滿(mǎn)足在設(shè)防錯(cuò)動(dòng)位移下的設(shè)計(jì)要求.

關(guān)鍵詞：逆斷層;地鐵隧道;損傷分析;影響因素;柔性接頭

中圖類(lèi)分號(hào)：TU443 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：DamageAnalysis on Subway Tunnel Structure under Effect of Reverse Fault DislocationAN Shao1，TAO Lianjin1，BIAN Jin2，HAN Xuechuan1，WU Xiaowa1 （1. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China;2. Guang Dong Ocean University，Zhanjiang 524008，China）Abstract：Taking the subway tunnel in Urumqi crossing Xishan reverse active fault as an example，a three- dimensional elastic-plastic finite element model of soil-tunnel structure was established to simulate and analyze plastic strain development process of secondary lining，transverse and longitudinal distribution of tensile damage factor，compressive damage factor and shear strain，calculate the crack width of concrete under the action of reverse fault dislocation. Then the damage law of the tunnel structure with different dislocation displacements，different vertical distances from tunnel bottom to the interface of surrounding rocks and different widths of fault zone was studied. Finally，the disaster reduction effect of the flexible joint was studied. Results show that the damage of secondary lining first appeared in the vault，then the bottom，and finally accumulated at the waist. The shear，tensile and compressive damage all appear at the tunnel waist of the rupture surface. When the tunnel structure is away from rupture surface，the tensile damage appears at the tunnel vault of hanging wall and invert of fault zone，the compressive damage appears at the tunnel invert of hanging wall and vault of fault zone. The severe and slightly tensile-crack damaged length are 10 m and 30 m respectively based on the crack width of concrete. The larger the fault displacement is，the more serious the structural damage is. The larger the vertical distances from tunnel bottom to the interface of surrounding rocks，the thicker the soil is，resulting in that more energy is dissipated and the structural damage is lighter. The damage to tunnel increases with the increase of width of fault zone，but when the width increases to 26 m，the influence of width of fault zone on tunnel damage becomes stable. Setting flexible joints can significantly reduce structural damage and substantially meet the design requirements for fault displacement.

Key words：reverse fault;subway tunnel;damage analysis;influence factor;flexible joint

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(wú)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)地裂縫活動(dòng)模型試驗(yàn)，研究了西安地鐵2號(hào)線(xiàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證. 王明年，崔光耀等[10]展開(kāi)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(guò)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(xiàn). 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(xiàn)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(kāi)始部位、發(fā)展過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(wú)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(xiàn)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(jiàn)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(xiàn)詳勘報(bào)告，考慮未來(lái)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.

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(jiàn)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(kù)倫屈服準(zhǔn)則，各土層參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(pán)相對(duì)下盤(pán)作向上運(yùn)動(dòng)，因此為實(shí)現(xiàn)逆斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程，釋放上盤(pán)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(jiàn)圖3.

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(xiàn)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(pán)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(lái)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.

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(jiàn)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(chē)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(jiàn)圖23.

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(jiàn)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(pán)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(pán)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(wú)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(pán)為16 m，指向下盤(pán)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(guò)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.

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