强震区跨导热断层隧道不同断层温度对结构安全性的影响

崔光耀 石文昊 王明胜

(1.北方工业大学， 北京 100144；2.中铁城市发展投资集团有限公司， 成都 610000)

随着我国西部山区铁路的发展，铁路隧道不可避免地穿越山区强震地区、断层带，而此类地区中可能存在高地温等恶劣地质条件。因此，许多专家、学者开展了大量研究[1-2]。高地温的地质成因较为复杂，袁伟[3]等认为大气降水、冰雪融水、河水与地壳深部的高温高压热流进行的热交换、离子交换等物理化学作用，是海螺沟地区地热产生的原因；王生仁[4]等发现拉月隧道的高地温是由雅鲁藏布江缝合带陆-陆碰撞伴随的断裂摩擦生热等所致。为了研究高地温对于隧道安全性的影响，王志杰[5]等利用数值分析的方法研究了尼格隧道施工期水化热和高地温共同作用的传热规律，并计算了隧道隔热层的最优厚度；罗占夫[6]等研究了高黎贡山越岭段铁路隧道洞内气温满足规范时隧道围岩的温度分布规律；崔光耀[7-8]等分别对拉日铁路吉沃希噶隧道使用不同减震措施和不同隔热材料后的安全性提升效果进行了分析对比，并提出了适合该隧道的最优减震措施及最优隔热材料；唐兴华[9]等研究了吉沃希噶隧道初期支护受温度及应力影响下的施工期特征及演变规律，并对其安全性进行了评价；王明年[10]等利用数值模拟方法探究了大瑞铁路高黎贡山隧道初期支护和二次衬砌在不同岩温下的安全性，同时提出了高岩温隧道支护结构的分级方式。

以上研究主要集中在对非强震区高地温隧道的安全性分析以及恒定温度下强震对隧道的影响等方面，而针对不同导热断层温度对强震影响下隧道安全性的影响较少。因此，为提升此类隧道的安全性，保证铁路隧道能够安全建设运营，本文以桑珠岭隧道为研究背景，针对不同断层温度跨导热断层隧道的强震破坏规律进行了研究。研究成果可为不同断层温度跨导热断层隧道的理论研究和实际建设提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

桑珠岭隧道位于西藏自治区山南市境内的雅鲁藏布江桑日峡谷，是连接拉萨市与林芝市的铁路重难点工程之一。该隧道于2014年12月开工建设，隧道全长16.449 km，地势海拔在 3 300～5 100 m之间，最大埋深 1 347 m。桑珠岭隧道存在岩爆、高地温、温泉水等不良地质，其中对施工作业环境影响最大的因素为高地温，开挖时隧道内环境温度最高可达56 ℃。隧道围岩主要为坚硬易碎的岩石，围岩分级为Ⅳ级，破碎带围岩分级为Ⅴ级，基岩围岩分级为Ⅱ级。

1.2 支护设计

隧道初期支护厚度0.25 m，采用C25喷射混凝土；二次衬砌厚0.45 m，采用C25模筑混凝土。

2 研究情况

2.1 计算模型

以桑珠岭隧道断层段为研究背景，利用有限差分软件Flac3D建立计算模型。隧道埋深设为55 m，纵向长度设为200 m，隧道左右两侧均取4倍隧道洞室宽度(约40 m)。模型底部至隧道下方距离设为55 m，底部基岩厚度设为20 m。破碎带断层倾角设为85°，其宽度设为10 m，位于模型中央位置。静力计算时，模型底部全约束，四周法向约束，顶部无约束；动力计算时，模型底部为静态边界，四周为自由场边界。模型顶部初始温度为54 ℃，而断层破碎带作为导热通道，是高地温向周边环境传导的主要途径，因此以其温度作为变量进行研究。

2.2 计算参数

根据桑珠岭隧道实际地勘资料，计算分析中选用的具体参数如表1所示。

表1 计算参数表

2.3 计算工况

为研究不同导热断层温度对隧道结构安全性的影响，拟定的计算工况如表2所示。

表2 计算工况表

2.4 动力参数

动力计算中采用局部阻尼，阻尼系数为0.157。使用常规加载方式，利用基线过滤及校正软件将以 11度地震烈度进行标准化；地震波采用汶川实测地震波(卧龙测站)，从模型底部向模型上部传递，持续时间为40 s。地震波的实际加速度时程曲线如图1所示。

图1 地震波加速度时程曲线图

2.5 监测点及监测面布置

以模型断层中心处为基准，沿隧道纵向左右各取6个监测断面，如图2所示。其中D1、D2断面分别为靠近断层中心处的下盘与上盘监测断面。各监测断面测点布置如图3所示。

图2 监测断面布置图(m)

图3 测点布置图

3 试验结果及分析

3.1 最大主应力分析

从计算结果中提取全时段中各个监测断面各测点的最大主应力值，根据最不利原则取全时段中最大值进行分析。各断面的最大主应力值变化规律如图4所示，最大主应力计算结果如表3所示。

图4 最大主应力最大值变化曲线图

由图4可知，最大主应力最大值出现在D2监测断面处。由表3可知，断层破碎带温度为30 ℃时，隧道最大主应力最大值为55.61 MPa。随着断层破碎带温度逐渐升高，隧道最大主应力最大值也在逐渐增加。断层破碎带温度增加至110 ℃时，最大主应力最大值升至55.61 MPa。最大主应力变化率在1.60%到9.39%之间，其中断层破碎带温度由70 ℃升高至90 ℃时的增量变化较大，总体呈上升趋势。

表3 最大主应力计算结果表

3.2 最小主应力分析

从计算结果中提取全时段中各个监测断面各测点的最小主应力值，根据最不利原则取其中最大值进行分析。各断面的最小主应力值变化规律如图5所示，最小主应力计算结果如表4所示。

图5 最小主应力最大值变化曲线图

由图5可知，最小主应力最大值出现在D2监测断面处。由表4可知，断层破碎带温度为30 ℃时，隧道最小主应力最大值为-55.29 MPa；随着断层破碎带温度逐渐升高，隧道最小主应力最大值逐渐增加；断层破碎带温度增加至110 ℃时，隧道最小主应力最大值升至-61.12 MPa。最小主应力变化率在2.28%到10.54%之间，其中断层破碎带温度由90 ℃升高至110 ℃时的增量变化较大，总体呈上升趋势。

表4 最小主应力计算结果表

3.3 位移分析

从计算结果中提取全时段各个监测断面拱顶处测点x、y、z3个方向的位移，根据最不利原则取其中位移最大值进行分析。各断面的位移变化规律如图6所示，位移计算结果如表5所示。

图6 隧道拱顶位移变化图

由图6可知，x与z方向的位移最大值出现在S14监测断面处，y方向的位移最大值出现在X10监测断面处。由表5可知，断层破碎带温度为30 ℃时，拱顶处的位移为所有工况中最小，其x、y、z方向的拱顶位移分别为57.30 mm、38.58 mm和88.34 mm；当断层破碎带温度为110 ℃时，其x、y、z方向的拱顶位移分别为58.20 mm、38.80 mm和89.57 mm，为所有工况中最大。

表5 位移计算结果表

整体上来看，拱顶x与z方向上的位移增加较为明显，工况2～工况5相比于工况1的位移分别增加了0.96%～1.57%和0.96%～1.39%；而拱顶y方向上的位移变化幅度相对较小，其工况2～工况5相比于工况1的位移增加了0.29%～0.57%。由此可知，随着断层破碎带的温度增加，隧道拱顶处的位移也随之增加，但增加幅度较为平缓。

4 结论

本文以桑珠岭隧道为研究背景，研究了强震区跨导热断层隧道不同断层温度结构安全性的影响，得出主要结论如下：

(1)随着断层温度的增加，其最大最小主应力也同步增加，且最大值皆位于D2监测断面处。各工况的最大主应力和最小主应力增加率分别为1.60%～9.39%与2.28%～10.54%。由此可知高地温对于跨导热断层隧道的结构安全性影响较小。

(2)不同断层温度下跨导热断层拱顶的各方向位移变化规律大致相同，各方向位移最大值随着地温升高皆逐渐增加。其中x与z方向的位移最大值出现在S14断面处，各监测断面间温度差异较为明显，而y方向的位移最大值出现在X10监测断面处，各监测断面间温度差异较小。总体上看，高地温对于跨导热断层隧道的位移影响也较小。

(3)虽然应力及位移都随着断层温度的增加而增加，但其增加幅度与温度的增加幅度相比并不明显。因此高地温对于跨导热断层隧道的安全性和位移影响较小，而对其他指标的影响还有待进一步实验研究。