天山胜利隧道穿越活动断裂抗断设防范围研究*

崔景川，刘开之，彭文波，蹇宜霖

(1.中国交建总承包经营分公司，北京 100088； 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引言

近百年来，国内外各次大地震中断层附近的隧道均受到严重震害，由于断层破碎带处岩体自稳性较差，导致地震作用下隧道结构易受到损坏，且施工风险高[1-2]。震害对地下工程的影响主要表现为岩体振动引起的破坏(抗震问题)和断裂活动造成的破坏(抗断问题)[3-6]。研究发现活动断层会借助位移反复发生断裂问题，出现局部化特征，因此需明确避让距离、定位基础抗断层，通过抗断及减震设防解决避让问题，但目前隧道设计规范及已有研究成果未明确规定穿越断层隧道沿轴向避让距离和设防长度[7-8]。活动断裂上、下盘错动会使工程措施难以奏效，天山胜利隧道穿越区域性断裂——博罗科努—阿其克库都克断裂(以下简称博—阿断裂)，来自活动断裂的威胁主要是断裂错动，因此，在工程建设前期需开展断裂错动风险评估，提供合理科学的位错量及抗断设防范围，为后续隧道结构设计与施工提供依据。

1 工程概况

天山胜利隧道是乌鲁木齐至尉犁高速公路上的控制性工程，隧道全长22.1km，隧址区地层主要为凝灰质砂岩、板岩、花岗闪长岩、石英片岩、花岗岩、大理岩及变质砂岩等。隧道共穿越16条断裂，其中博—阿断裂是范围最大、最危险的全新世活动断裂，其为二级新构造单元界线，属右旋逆走滑性质断层，长度>1 000km，总体走向305°(NW～NWW向)，总体倾向215°(SW向)，倾角40°～70°，错动了山脊、水系及Ⅰ～Ⅱ级台地，右旋走滑速率为1.4～2.0mm/a，具备发生7级地震的构造条件。该断裂与天山胜利隧道洞身相交于里程YK77+743—YK77+839，宽度约96m。断裂影响带为隧道洞身里程YK77+478—YK77+878，宽度约400m。隧道走向与博—阿断裂走向交角约为85°，隧道附近断裂右旋错动量为350m左右。

2 断裂错动量分析

2.1 分析方法

参考苏经宇等[9]的研究成果，采用危险性分析方法估算断裂错动量。

2.2 地震活动性参数确定

地震活动性参数由震级上限、起算震级、震级频度关系式中的b值、地震年平均发生率组成[10]。本研究涉及的北天山地震带震级上限为8.0级，起算震级为4.0级，b值为0.83，4级地震年平均发生率为9.0。

已有学者研究了天山地区逆断层震级与同震位移的经验关系，本研究估算断层可能的最大位移时，采用邓起东等[11]给出的具有代表性的经验关系式：

M=7.205+0.974lgD

(1)

式中：M为震级；D为位移量。

2.3 分析结果

采用上述方法及参数，基于自主编制的程序Fsct，计算得到100年超越概率63%，10%，3%，2%对应的断裂错动量分别为0.056，0.481，1.609，2.219m。

3 抗断设防范围分析

3.1 计算模型建立

采用数值模拟仿真分析软件ABAQUS对断裂错动进行建模，为分析断裂错动对隧道结构的影响，采用以下假定：①为研究断裂错动对隧道结构受力状态的影响，从弹性力学角度出发，不考虑混凝土和岩体的非线性行为；②为简化模拟过程，隧道开挖一次完成，不考虑隧道分步开挖过程；③不考虑初期支护措施对围岩受力性能的改善作用。

3.1.1模型尺寸

博—阿断裂错动模型x向(隧道轴线方向)尺寸为1 200m，y向(深度方向)尺寸为280m，z向(断层延伸方向)尺寸为280m，隧道在博—阿断裂附近埋深约800m，需在模型顶面施加分布力，模拟隧道上部覆盖岩土体的作用。

过断层破碎带段隧道横断面为马蹄形，宽约16m，高约13m，如图1所示。过断层破碎带段隧道初期支护采用28cm厚C25喷射混凝土，二次衬砌采用70cm厚Ca40钢筋混凝土。

图1 过断层破碎带段隧道横断面

3.1.2材料参数

断层上盘(活动盘)、下盘(固定盘)及断层破碎带岩体和隧道结构混凝土材料参数如表1所示。

表1 混凝土材料参数

3.1.3网格划分

岩体采用C3D8R三维实体单元模拟，隧道采用S4R壳单元模拟，模型网格划分如图2所示。模型结点总数约为16万个，单元总数约为15万个。

图2 模型网格划分示意

3.1.4隧道与围岩接触关系

隧道与围岩间可传递压力，但不能传递拉力，采用软件自带的接触对建立隧道与围岩的接触关系，接触对轴向采用“硬接触”，切向采用“摩擦接触”，隧道与围岩间的摩擦系数取0.6。

3.1.5分析步骤

分析步骤为：地应力平衡→隧道开挖→施加支座位移，模拟断裂错动。

3.1.6计算工况

建立13种计算工况，计算断裂错动时隧道结构响应，研究断层倾角、断裂错动量、破碎带宽度、岩体模量、断层面摩擦系数及断层面错动位置对隧道结构的影响，为科学合理地提出隧道抗断设防范围提供参考。断层倾角为75°～85°，断裂错动量是100年超越概率63%，10%，3%对应的走滑水平位错量，破碎带宽度为160～470m，3个潜在的错动位置为F6(破碎带中部断裂)、F6-1(破碎带北缘断裂)、F6-2(破碎带南缘断裂)。不同工况隧道响应计算参数取值如表2所示。

表2 不同工况隧道响应计算参数取值

3.2 计算结果与分析

3.2.1围岩与衬砌结构变形

以模型4为例，围岩与衬砌结构变形云图如图3所示。由图3可知，断裂错动时，衬砌结构沿着纵向发生了S形弯曲变形，以适应错动位移。活动盘近断层面的仰拱底部压力减小，隧道与岩体发生脱空，导致隧道纵向受力不均。随着断裂错动量的增大，脱空区范围逐渐增大，S形弯曲变形越来越明显。

图3 断裂错动时模型4围岩与衬砌结构变形云图(单位：m)

不同断层倾角、断裂错动量、破碎带宽度、岩体模量、断层面摩擦系数及断层面错动位置下，隧道二次衬砌拱顶竖向(逆冲垂直方向)位移如图4所示。由图4可知，断裂错动时，不同影响因素下隧道二次衬砌拱顶竖向位移呈S形变化；断裂错动量和断层面错动位置对二次衬砌拱顶竖向位移的影响较大，破碎带宽度的影响次之，断层倾角、岩体模量、断层面摩擦系数的影响较小。

图4 二次衬砌拱顶竖向位移

3.2.2衬砌结构主应变

以模型0为例，断裂错动时断层面附近隧道二次衬砌结构主应变和位移云图如图5所示。断层发生逆走滑错动时(活动盘沿y向正向、z向正向和x向负向)，活动盘衬砌结构仰拱与围岩发生挤压，处于受压状态，拱顶与围岩脱开，处于受拉状态。固定盘衬砌结构拱顶与围岩发生挤压，处于受压状态，仰拱与围岩脱开，处于受拉状态。

图5 断层面附近隧道二次衬砌结构主应变和位移云图

3.3 隧道结构抗断设防宽度

由前文研究可知，在博—阿断裂错动作用下，隧道结构纵向产生弯曲变形，衬砌结构在应力集中区易出现损伤和破坏。本研究制定了隧道结构抗断设防性能目标，如表3所示。

表3 隧道结构抗断设防性能目标

结合断裂错动时隧道结构主应变分布情况，可确定满足各性能目标要求的抗断设防宽度，如表4所示。

表4 各性能目标要求的抗断设防宽度 m

综合不同超越概率的断裂错动量及各抗断设防性能目标要求，同时考虑断裂错动的复杂性、相关参数的不确定性、历史震害记录及隧道结构所受破坏等，给出以下抗断设计建议。

1)断裂发生100年超越概率63%的错动时，隧道结构需满足“防止开裂”的性能目标，抗断设防宽度取博—阿断裂核心段宽度(破碎带宽度)及断层面两侧沿隧道纵向各70m的范围。无须满足“控制应力”“防止压溃”的性能目标。

2)断裂发生100年超越概率10%的错动时，隧道结构需满足“防止开裂”“控制应力”“防止压溃”的性能目标，对应的抗断设防宽度除包括博—阿断裂核心段宽度(破碎带宽度)外，分别取断层面两侧沿隧道纵向各310，18，14m的范围。

3)断裂发生100年超越概率3%的错动时，隧道结构需满足“防止隧道倒塌，保证人员安全”的性能要求，建议采取必要的应对措施，进行专项设计。

综上所述，建议按照发生100年超越概率10%的断裂错动(走滑水平位错量为0.481m)进行隧道结构设计，隧道结构应满足“控制应力”的性能目标，抗断设防宽度取博—阿断裂核心段宽度(破碎带宽度)及断层面两侧沿隧道纵向各18m的范围，如图6所示。

图6 天山胜利隧道穿越博—阿断裂抗断设防宽度

4 结语

1)计算天山胜利隧道穿越博—阿断裂位置处不同设防水准下的断裂错动量，结果表明100年超越概率63%，10%，3%，2%对应的断裂错动量分别为0.056，0.481，1.609，2.219m。

2)在博—阿断裂错动作用下，隧道结构纵向产生弯曲变形，活动盘仰拱及固定盘拱顶靠近断层面处均出现一定范围的脱空区。隧道衬砌结构由于纵向受弯曲变形作用，在活动盘仰拱、拱顶、拱脚距断层面一定距离处分别形成拉、压应力集中区，易出现损伤和破坏。

3)建议天山胜利隧道穿越博—阿断裂按照发生100年超越概率10%的断裂错动(走滑水平位错量为0.481m)进行设计，隧道结构应满足“控制应力”的性能目标，抗断设防宽度取博—阿断裂核心段宽度(破碎带宽度)及断层面两侧沿隧道纵向各18m的范围。