逆断层错动下隧道衬砌的力学响应.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07009806逆断层错动下隧道衬砌的力学响应杨建学中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043摘要 以穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托，采用大比例尺活断层错动加载系统开展室内模型试验，探明在逆断层错动作用下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律。通过建立三维地层-结构模型，模拟分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。结果表明：在逆断层错动下，上盘竖向位移随错动距离增大而增大，由逆断层错动导致的衬砌裂缝以纵向裂缝为主，裂缝主要位于边墙、墙脚以及仰拱中心；断层错动后衬砌相邻节段变形不连续，变形缝有利于提高隧道结构的抗错动性能；跨断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大，且衬砌分段长度越大则衬砌内力越大。关键词 隧道；力学响应；模型试验；逆断层；分段衬砌；数值模拟；破坏形态；抗错动性能中图分类号 U459.1；TU94+2 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.19引用格式：杨建学.逆断层错动下隧道衬砌的力学响应 J.铁道建筑，2023，63（7）：98103.我国不良地质构造广泛分布，其中活动断层对隧道结构安全的影响尤为突出1-3，亟需探明断层错动作用下隧道衬砌结构的力学响应规律。学者们已经对活动断层错动作用下隧道结构的受力特性和破坏模式进行了大量研究。徐同启等4研究了隧道穿越逆断层时衬砌力学响应，探明了衬砌结构的破坏形态和特征。唐浪洲等5以衬砌结构应力和应变为指标，评价不同断层错动量下隧道结构的安全性。周佳媚等6分析在走滑断层错动作用下隧道结构力学响应，确定了隧道的抗错动加固长度。姬云平7通过数值模拟分析了逆断层错动下铰链式衬砌隧道的围岩加固方式、衬砌结构的动力响应。祁彬溪等8通过数值模拟分析了不同断层错动速率下隧道穿越断层处衬砌竖向位移和第一主应力变化规律。王道远等9通过模型试验分析了逆断层黏滑错动下隧道衬砌结构受力和变形，揭示隧道抗错断力学机制。WANG 等10采用 1 40的小尺度模型试验，研究了正断层作用下断面形式和尺寸对隧道的影响。周光新等11通过小尺度物理模型试验，深入研究了走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞的破坏形式及破坏机制。既有研究大多是通过数值模拟、小比例尺模型试验研究隧道穿越断层时衬砌结构位移和力学响应。而小尺度模型试验往往难以考虑断层边界条件和重力效应的影响。本文以一穿越新疆大旱沟西岸逆断层的拟建隧道为工程依托，采用自行设计的大比例尺（1 25）液压加载设备对断层错动下隧道分段衬砌力学响应特征及裂缝形态分布规律进行研究，采用数值模拟方法分析逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。1 工程概况 拟建隧道穿越盐山口肯得克断裂，断裂长约43 km。断裂走向290，倾向NNE，该断裂由多条断层组成。其中大旱沟西岸逆断层斜穿隧道，如图1所示。2 室内模型试验 2.1试验装备大比例尺模型试验装备如图2所示。试验装备主要由箱体、螺杆加载装置、推力杆、反力架和底座组图1大旱沟西岸逆断层收稿日期：20230419；修回日期：20230526基金项目：国家自然科学基金高铁联合基金（U1934213）作者简介：杨建学(1977)，男，高级工程师。E-mail：yangjianxue_第 7 期杨建学：逆断层错动下隧道衬砌的力学响应成，箱体尺寸为5.0 m（长）2.5 m（宽）2.5 m（高）。加载过程中由计算机数字伺服系统控制左侧（上盘）底板下方的液压螺杆抬升，进而实现对逆断层错动的模拟。2.2相似材料设计2.2.1围岩相似材料设计模型试验的几何相似比为 1 25，重度相似比为1 1，据此计算其他物理量相似比。围岩物理力学性能指标见表1。围岩采用相似材料模拟，按河沙 石英砂 重晶石粉 粉煤灰 机油=1 0.75 0.25 0.25 0.25的比例配制。2.2.2衬砌相似材料设计隧道二次衬砌厚度为60 cm，混凝土强度等级为C45。隧道断面尺寸如图3所示。模型衬砌厚24 mm，节段长度分为 24、36 cm两种，分别对应实际长度 6、9 m。衬砌采用水、石膏和硅藻土模拟，按水 石膏 硅藻土=1 0.7 0.3的比例配制。物理力学参数见表2。2.3试验加载及测试方案模型尺寸及断层模拟如图4所示。沿隧道纵向将衬砌划分为17个节段。断层附近的7个节段（6#12#）长度均为24 cm，其余节段长度均为36 cm，节段间变形缝宽度为4 mm。上盘为活动盘，下盘为固定盘。以断层上盘初始位置为基准，将上盘相对初始位置竖向移动的距离定义为断层错动距离，向上为正。在上盘底部沿断层面匀速加载，加载速率设定为4 mm/min。断层错动距离设定为4 cm（相当于实际断层错动距离1 m）。为便于数据记录及处理，当断层错动距离分别达到1、2、3、4 cm时，记录相应监测数据。隧道监测断面布置如图5（a）所示。在每个断面的衬砌拱顶和仰拱处布置测点，安装位移计和土压力盒，如图5（b）所示。2.4试验结果与分析2.4.1隧道拱顶竖向位移在不同断层错动距离下隧道衬砌拱顶竖向位移沿隧道纵向的分布见图6。可知：不同错动距离下隧道拱顶竖向位移沿隧道纵向均呈S形分布，上盘拱顶竖向位移随断层错动距离增大而增大，下盘拱顶基本不动。上盘方向，断层错动距离达到4 cm时，距断层图6隧道衬砌拱顶竖向位移沿隧道纵向的分布图2大比例尺模型试验装备表1围岩物理力学性能指标类别实际值目标值试验值重度/(kNm-3)212121变形模量/GPa1.0000.0400.041泊松比0.300.300.29内摩擦角/（）25.025.024.7黏聚力/MPa0.050 00.002 00.002 1图3隧道断面尺寸（单位：mm）表2隧道衬砌物理力学参数类别实际值试验值弹性模量/GPa33.501.30泊松比0.200.19轴心抗压强度设计值/MPa21.100.80图4模型尺寸及断层模拟（单位：cm）图5监测断面和测点布置（单位：cm）99铁道建筑第 63 卷中心2.0 m处拱顶竖向位移最大，其值为36.31 mm；距断层中心0.8 2.0 m拱顶竖向位移较大；距断层中心0.8 m（对应实际值 20 m）以内拱顶竖向位移明显减小，但变化速率更大，表明受断层挤压作用更明显。2.4.2围岩和衬砌接触压力不同错动距离下围岩和衬砌接触压力沿隧道纵向的分布见图7。由图 7（a）可知：在下盘方向，距断层中心 0 0.8 m接触压力随错动距离增大而增大，且不同断层错动距离下拱顶接触压力峰值均出现在下盘靠近断层处，表明该处衬砌与围岩发生严重挤压。距断层中心两侧约1 m范围内接触压力发生明显变化，其中上盘方向距断层中心0.71 m（相当于实际距离17.8 m）以内接触压力比初始压力小，变化趋势与下盘迥异。原因是该范围上盘拱顶处衬砌与围岩之间出现脱空现象。由图7（b）可知：上盘方向，距断层中心1.20 m以内接触压力随错动距离增大而增大，接触压力峰值出现在上盘靠近断层处，其值为15.08 kPa，表明断层错动过程中此范围仰拱处衬砌与围岩间挤压作用强烈。下盘方向，距断层中心0.62 m（相当于实际距离 15.5 m）以内接触压力随错动距离增大而逐渐减小，原因是此范围仰拱处衬砌与围岩出现脱空现象。2.4.3衬砌开裂状态断层错动后衬砌开裂状态见图8。其中：红线为裂缝，箭头方向为隧道掘进方向。可知：断层错动导致的衬砌裂缝基本为纵向裂缝，且出现在边墙以及仰拱中心。3 数值模拟 对于断层错动作用下隧道衬砌力学响应研究，限于试验开展难度较大，且耗时耗力，通常模拟工况只对一种隧道衬砌分段长度展开研究。因此，本节采用数值模拟方法研究逆断层错动作用下不同分段长度时隧道衬砌力学响应，并与试验结果相互印证。3.1模型建立以断层中心为坐标原点，采用有限元软件建立衬砌长度分别为6、8、10 m的三维地层-结构模型，见图9。模型尺寸为200.0 m（长）40.0 m（宽）36.5 m（高），隧道埋深18 m，断层倾角45。围岩采用理想弹塑性本构模型模拟，屈服准则采用DruckerPrager准则；衬砌采用混凝土弹塑性本构模型，变形缝采用弹性本构模型。在衬砌与围岩间以及上下盘间采用接触单元模拟。对模型4个侧面及断层下盘底部施加固定约束，对上盘底部分别施加0.75 m的y向和z向的强制位移（对应模型试验中加载错动距离3 cm），模拟逆断层的作用。3.2参数的确定计算参数根据地勘资料与GB 500102010 混凝土结构设计规范 确定，见表3。图7围岩和衬砌接触压力沿隧道纵向的分布图8衬砌开裂位置及形态图9计算模型表3计算参数结构围岩初期支护二次衬砌变形缝重度/(kNm-3)21252520变形模量/GPa1.030.833.50.002 6泊松比0.30.20.20.2内摩擦角/（）25黏聚力/MPa0.05100第 7 期杨建学：逆断层错动下隧道衬砌的力学响应3.3监测断面布置选取断层中心处竖向截面作为接触压力和衬砌应力监测断面。将跨越断层衬砌节段相邻的节段作为内力研究对象，将相邻节段中心截面（监测断面1和监测断面2）作为内力监测断面，参见图9。3.4计算结果分析3.4.1隧道衬砌变形特性断层错动距离达到0.75 m时，不同分段长度（l）下隧道衬砌变形见图10。由图10可知：断层错动后，上下盘衬砌结构均发生明显变形，由于变形缝的存在相邻节段衬砌变形并不连续，导致相邻节段衬砌出现脱开现象。不同分段长度下断层上下盘衬砌变形趋势基本一致。上下盘衬砌变形量随分段长度减小而减小，这是因为变形缝在一定程度上减弱了断层错动后衬砌结构的纵向应力和位移，从而避免较大纵向应力作用下衬砌大范围裂缝。变形缝的设置有利于提高隧道抗错动性能。3.4.2围岩和衬砌接触压力断层错动距离达到0.75 m时，围岩和衬砌接触压力沿隧道纵向的分布见图11。可知：对于接触压力峰值，拱顶处出现在断层下盘靠近断层中心处，仰拱处出现在断层上盘靠近断层中心处。拱顶和仰拱接触压力峰值沿隧道纵向出现的位置与模型试验结果一致。分段长度越小，接触压力峰值越小。这是因为分段长度越小，衬砌节段之间的柔性连接越多，隧道适应变形的能力越强。衬砌发生形变后，围岩压力得到释放，导致接触压力降低。不同分段长度下拱顶处上盘和仰拱处下盘距断层中心20 m以内接触压力恒定为0。此范围对应模型试验中衬砌与围岩脱空区段（参见图7）。模型试验和数值模拟的衬砌与围岩间脱空范围对比见表4。模型试验行括号外数据为模拟值，括号内数据为实际值。由表4可知：分段长度越小，衬砌与围岩间脱空范围就越小，分段长度每减少2 m，拱顶处脱空范围平均减少13.3%，仰拱处平均脱空范围减少18.3%。因此，在实际工程中应尽量采用分段长度较小的隧道衬砌。根据模型试验几何相似比1 25，模型试验中分段长度24 cm，对应数值模拟分段长度6 m工况，两者脱空范围相近，验证了本文所建模型和参数选取合理。3.4.3衬砌第一主应力不同分段长度下断层中心竖向截面处衬砌第一主应力分布见图 12。可知：上盘拱顶和下盘仰拱处，断层中心竖向截面处第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大。当断层错动距离相同时，分段长度越小，同一位置处第一主应力越小。在同图10不同分段长度下隧道衬砌变形图11围岩和衬砌接触压力沿隧道纵向的分布表4衬砌与围岩间脱空范围对比方法模型试验数值模拟分段长度/m246810脱空范围/m拱顶处0.71（17.8）18.020.024.0仰拱处0.62（15.5）16.020.024.0101铁道建筑第 63 卷一分段长度和相同断层错动距离下，断层中心竖向截面处上盘拱顶处第一主应力明显大于下盘仰拱处，因此在穿越逆断层隧道抗错动设计中，应着重对断层中心竖向截面处衬砌拱顶进行加固处理，以抵抗断层错动引起的隧道衬砌较大应力。3.4.4衬砌内力断层错动距离达到0.75 m时，不同分段长度下断层中心竖向截面处内力分布见图13。其中：弯矩向隧道内为正，向隧道外为负。由图 13可知：分段长度越大，衬砌内力越大。不同分段长度下衬砌正弯矩均出现于仰拱和拱顶，负弯矩均出现于拱肩及墙脚处，边墙处弯矩较小。总体上衬砌相同部位弯矩下盘比上盘大33%52%，且分段长度越小，上下盘衬砌弯矩差异越大。下盘衬砌轴力从拱顶至仰拱呈增大趋势，仰拱最大，上盘衬砌轴力则相反。分段长度越大，上下盘衬砌轴力差异越大。4 结论 本文以新疆大旱沟西岸一穿越逆断层隧道为工程依托，通过模型试验揭示了隧道分段衬砌力学响应特征和裂缝形态分布规律，并建立三维地层-结构数值模型，分析了逆断层错动下不同衬砌分段长度时衬砌的变形特性及力学特征。主要结论如下：1）逆断层错动作用下隧道拱顶竖向位移沿隧道纵向呈S形分布，上盘竖向位移随错动距离增大而增大，下盘基本不动。上盘方向，距断层中心0.8 m以内竖向位移变化速率更大，表明受断层挤压作用更明显。2）由逆断层错动导致的衬砌裂缝基本为纵向裂缝，裂缝主要出现在边墙以及仰拱处。其中上盘方向衬砌裂缝出现在边墙处，下盘方向衬砌裂缝出现在仰拱中心。3）断层错动后，相邻节段衬砌变形不连续，变形缝的存在能够降低衬砌结构的纵向应力和位移。分段长度越小，围岩和衬砌接触压力峰值越小，衬砌背后脱空范围也越小。断层中心竖向截面处衬砌第一主应力随断层错动距离增加而近似呈线性增大。4）断层错动后，分段长度越大衬砌内力越大，上下盘衬砌弯矩差异越小，轴力差异越大。衬砌相同部位弯矩总体上下盘比上盘大33%52%。下盘衬砌轴力从拱顶至仰拱呈增大趋势，仰拱最大，上盘衬砌轴力则相反。参 考 文 献1 黄锋，董广法，李天勇，等.断层破碎带隧道围岩稳定性的离散元模拟研究 J.科学技术与工程，2020，20（18）：7429-7440.2 朱勇，周辉，张传庆，等.跨活断层隧道断错灾变与防控技术研究现状和展望 J.岩石力学与工程学报，2022，41（增刊1）：2711-2724.3 张海龙.穿越活断层地铁区间隧道结构设计 J.铁道建筑，2016，56（11）：77-79.4 徐同启，李守刚.逆断层错动对隧道结构影响研究 J.铁道标准设计，2022，66（6）：117-122.5 唐浪洲，于丽，王玉锁，等.走滑断层错动量大小对铁路隧道结构安全性影响的数值分析 J.现代隧道技术，2022，59（1）：214-224.6 周佳媚，程毅，邹仕伟，等.断层错动及地震作用下隧道力学特性研究 J.铁道标准设计，2019，63（11）：138-144.7 姬云平.穿越活断层铰链式衬砌隧道减震措施动力响应研究 J.地震工程学报，2021，43（4）：909-919.8 祁彬溪，王凡，陈捷翎.粘滑断层错动作用下穿越断层隧道结构响应数值模拟J.建筑结构，2020，50（增刊 2）：753-758.9 王道远，李粮余，袁金秀，等.逆断层黏滑错动下隧道抗错断力学机制研究 J.铁道工程学报，2019，36（6）：62-66.10 WANG Q，GENG P，LI P，et al.Failure Analysis and Dislocation-Resistant Design Parameters of Mining Tunnel Under Normal FaultingJ.Engineering Failure Analysis，2023，143：1-21.11 周光新，盛谦，崔臻，等.走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞破坏机制模型试验 J.岩土力学，2022，43（1）：37-50.图12断层中心竖向截面处衬砌第一主应力分布图13跨断层衬砌的相邻节段竖直截面内力102第 7 期杨建学：逆断层错动下隧道衬砌的力学响应Mechanical Response of Tunnel Lining Forced by Reverse Fault DislocationYANG JianxueChina Railway First Survey and Design Institute Group Co.Ltd.，Xi an 710043，ChinaAbstract Relying on the proposed tunnel crossing the active fault on the west bank of Dahanggou in Xinjiang region，indoor model tests were carried out using a large scale active fault dislocation loading system to verify the mechanical response characteristics of tunnel lining and the distribution law of crack morphology under the action of reverse fault dislocation.the deformation characteristics and mechanical characteristics of the lining with different lining section lengths under reverse fault dislocation are simulated and analyzed by establishing the three-dimensional stratum structure model.The results show that，under the reverse fault dislocation，the vertical displacement of the hanging wall increases with the increase of the displacement distance.The lining cracks caused by the reverse fault dislocation are mainly longitudinal cracks，which are mainly located in the side wall，wall foot and inverted arch center.The deformation of adjacent segments of the lining is discontinuous after fault dislocation，and the deformation joint is beneficial for improving the anti-dislocation performance of the tunnel structure.The first principal stress of the lining at the vertical section of the cross fault center increases approximately linearly with the increase of fault dislocation distance，and the larger the length of the lining section，the greater the internal force of the lining.Key words tunnel；mechanical response；model test；reverse fault；segmented lining；numerical simulation；failure pattern；anti-dislocation performanceCitation format：YANG Jianxue.Mechanical Response of Tunnel Lining Forced by Reverse Fault DislocationJ.Railway Engineering，2023，63（7）：98103.（编辑：葛全红 校对：刘莉）103