跨活断层公路隧道损伤规律研究

摘 要：【目的】断层错动对隧道的安全运营往往会产生重要影响，因此需要探究活断层走滑错动对隧道的损伤特性。【方法】本研究以某跨活断层公路隧道为背景，建立三维弹塑性有限元模型，分析不同断层错动量及不同隧道断层交角下二衬的损伤规律。【结果】研究结果表明：二衬的轴向应变随错动量的增大而增大，主要表现为随着穿越角度的减小，轴向应变逐渐由拉应变转为压应变，与断层角度走向一致；二衬的拉伸压缩损伤随错动量的增大而增大，拉伸损伤沿隧道环向发展，压缩损伤主要分布于隧道拱顶和仰拱处，随着穿越角度的减小，二衬的拉伸损伤的程度和范围减小，二衬的压缩损伤区域从拱顶和仰拱处向隧道两侧边墙处发展，并在最后完全贯通。【结论】本研究可为跨活断层隧道工程的建设提供一定的理论参考。

关键词：隧道工程；走滑断层；破碎带；衬砌损伤；数值模拟

中图分类号：U451           文献标志码：A         文章编号：1003-5168（2023）10-0059-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.012

Abstract： [Purposes] Fault dislocation often has an important impact on the safe operation of tunnel，so it is necessary  to explore the damage characteristics of tunnel caused by the strike-slip dislocation of an active fault. [Methods] This study took a highway tunnel spanning an active fault as the background， established a three-dimensional elastic-plastic finite element model， and analyzed the damage law of the secondary lining under different fault dynamics and different tunnel fault intersection angles. [Findings] The results show that the axial strain of the secondary lining increases with the increase of dislocation momentum， which is mainly manifested as a gradual shift from tensile strain to compressive strain as the crossing angle decreases， and is consistent with the direction of the fault angle; the tensile compression damage of the second lining increases with the increase of displacement， and the tensile damage develops along the tunnel circumference. The compression damage is mainly distributed at the tunnel arch and inverted arch. As the crossing angle decreases， the degree and scope of the tensile damage of the second lining decrease. The compression damage area of the second lining develops from the arch and inverted arch to the side walls of the tunnel， and finally fully penetrates. [Conclusions] This study can provide some theoretical reference for the construction of cross-active fault tunnel engineering.

Keywords： tunnel engineering; strike-slip fault; fracture zone; lining damage; numerical simulation

0 引言

活動断层是隧道建设中经常遇到的不良地质，随着我国公路建设的不断推进，大量公路隧道被规划、兴建，大量隧道将不可避免地穿越活动断层，断层错动会造成隧道结构产生拉压损伤、剪切破坏、错台，严重时甚至发生坍塌［1］。因此，开展跨活断层隧道损伤规律的研究具有十分重要的意义。

目前，国内外学者围绕断层错动作用下隧道衬砌损伤机制及损伤规律开展了大量研究工作。Lin等［2］依托室内模型试验，研究了逆断层错动过程中盾构隧道管片的变形情况及破坏特征。Sabagh等［3］进行了1 g离心机模型试验，结果显示正断层断裂会引起较大的集中沉降，并对隧道造成较为严重的破坏。马亚丽娜等［4］将离散—连续耦合法引入跨活动断层隧道错断破碎机制研究中，探讨了在断层错动作用下，围岩破碎特征和隧道衬砌的位移变化和内力分布。汪振等［5］在正断层断裂数值模拟过程中运用了断裂力学的粘单元，分析了不同错动量和不同断层倾角对衬砌损伤的影响规律。孙飞等［6］依托室内模型试验，对正断层错动作用下地铁盾构管片与围岩直接的相互作用机理进行研究，结果显示在正断层错动过程中上盘隧道的仰拱位置出现脱空现象。

综上所述，既有研究成果多基于正断层或逆断层开展，而基于走滑断层的研究较少。鉴于此，本研究依托某跨走滑断层公路隧道，运用有限元软件ABAQUS，基于混凝土塑性损伤本构，建立三维弹塑性有限元数值模型，以断层错动量、隧道与断层交角为分析变量，研究断层错动作用下隧道结构的塑性损伤规律，以期为跨活断层隧道的工程设计提供参考。

1 有限元模型分析

以某实际公路隧道为研究背景，隧道采用钻爆法施工，衬砌体系由初期支护和二次衬砌组成。初期支护厚0.25 m，混凝土强度等级为C30，二次衬砌厚0.60 m，混凝土强度等级为C35，隧道横断面轮廓如图1所示。隧道近出口段穿越活动断层，断层宽度为415 m，据GPS最新观测结果显示，该活动断层以右旋走滑活动为主，100 a错动距离200～300 mm。

运用ABAQUS有限元软件建立非线性有限元模型如图2所示。模拟中，简单假设岩体和断层破碎带均质性良好，材料性质保持不变，完整岩体和破碎带本构均为Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，岩石物理力学参数依据现场地勘资料及《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014）［7］选取，具体参数见表1。

ABAQUS中的混凝土塑性损伤本构（CDP Model）能够反映混凝土材料在塑性阶段的拉裂和压碎现象，故本模拟中衬砌本构采用CDP模型。

衬砌混凝土弹塑性应力应变关系依据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［8］定义，具体参数见表2。初支与周围岩体采用ABAQUS中的绑定约束；初期支护和二次衬砌、断层滑动面设置为摩擦接触。

2 断层错动量对隧道衬砌損伤规律影响分析

断层的相对错动过程也是能量释放的过程，伴随错动量的增大，能量释放不断增大，从而导致衬砌结构的破坏程度越大。选取断层倾角90°工况为基本分析模型，探讨在不同错动量Δ下隧道衬砌轴向应变、拉压损伤及衬砌全断面损伤纵向分布规律，断层错动量分别取5 cm、10 cm、20 cm、30 cm。

不同错动量Δ作用下的隧道衬砌轴向应变如图3所示，图3中正值表示拉应变，而负值表示压应变。由此可知，走滑断层错动作用下，隧道衬砌沿轴向以受拉为主，最大拉伸应变集中于错动面两侧的边墙处，与断层倾角方向一致，且随断层错动量的增加，拉伸应变也随之增大，表明断层面两侧边墙处隧道衬砌受到了强烈的拉伸作用。

不同错动量下隧道二衬的拉伸损伤如图4所示，由图4可知，当错动量Δ=5 cm时，二衬首先在断层错动面处的右边墙上出现竖向拉伸损伤，随着错动量的增加，二衬受拉损伤逐渐向断层面的两侧发展，表现为活动盘中二衬右侧边墙产生拉伸损伤，破碎带区域二衬左侧边墙产生拉伸损伤。这表明隧道在90°穿越走滑断层过程中，隧道二衬的受拉损伤主要分布在断层错动面处及断层错动面两侧的边墙处，且沿隧道环向发展。

不同断层错动量下隧道二衬的压缩损伤如图5所示，由图5可知，当错动量Δ=5 cm时，二衬首先在断层错动面处的拱顶拱腰处开始产生压缩损伤，随着错动量的增加，拱顶与仰拱处的二衬受压损伤的区域和程度逐渐发展；当错动量Δ=30 cm时，断层错动面处的二衬拱顶和仰拱处均产生了严重的压缩损伤，且压缩损伤有向两侧边墙处贯通的趋势。表明隧道在90°穿越走滑断层错动过程中，二衬的受压损伤主要分布在断层错动面附近的拱顶和仰拱处。

3 断层交角对隧道衬砌损伤规律的影响分析

活动断层与隧道的交角是断层的重要几何特征，交角的不同会显著影响隧道在错动中的损伤特性。实际工程中，由于选线限制、区域地质条件、施工成本等制约因素的影响，隧道往往会以不同角度穿越活动走滑断层。选取隧道与断层交角分别为50°、60°、70°、80°和90°，分析隧道与断层交角对右旋走滑断层蠕滑错动下隧道衬砌响应的影响规律，断层错动量取100 a内最大错动距离30 cm。

不同断层交角下隧道二衬的轴向应变如图6所示。由图6可知，当隧道与断层交角为90°与80°时，隧道衬砌沿轴向以受拉为主，最大拉伸应变集中于错动面两侧的边墙处；随着断层交角的减小，轴向应变逐渐由拉应变转为压应变，压应变主要分布于断层面处，与断层角度走向一致。这表明随着隧道穿越角度的减小，隧道轴向应变由拉应变转变为压应变。

隧道与不同断层交角下隧道二衬的拉伸损伤如图7所示。由图7可知，各角度穿越时隧道的受拉损伤存在明显差异，当隧道与断层交角为90°时，隧道由于受到较大的轴向拉应力，故衬砌的拉伸损伤程度和范围较严重，随着隧道与断层交角的变小，在断层错动作用下隧道会受到比较明显的轴向压应力，从而减小了衬砌在断层运动作用下拉伸损伤的程度和范围，最大受拉损伤因子从90°穿越时的0.98减小至50°穿越时的0.72。

隧道与不同断层交角下隧道二衬的压缩损伤如图8所示。由图8可知，各角度穿越时衬砌的压缩损伤因子峰值基本相近，最大损伤因子分布于拱顶和仰拱处，且随着穿越角度变小，衬砌的压缩损伤区域从拱顶和仰拱处向隧道两侧边墙处发展，并在最后完全贯通。

4 结论

本研究通过建立走滑断层错动的隧道三维有限元模型，讨论不同断层错动量和不同穿越交角情况下隧道衬砌的损伤情况，揭示活动断层作用下隧道衬砌的损伤机理，得出以下结论。

①隧道二衬的轴向应变随错动量的增加呈递增趋势，以拉应变为主，且最大拉伸应变集中在断层错动面及两侧的边墙处。

②二衬的拉伸压缩损伤随错动量的增大而增大，二衬的受拉损伤主要分布在断层错动面处及断层错动面两侧的边墙处，且沿隧道环向发展，二衬的压缩损伤主要分布在断层错动面附近的拱顶和仰拱处。

③随着穿越角度的减小，二衬轴向应变逐渐由拉应变转为压应变，压应变主要分布于断层面处，与断层角度走向一致。

④随穿越角度的减小，二衬的拉伸损伤的程度和范围减小，二衬的压缩损伤区域从拱顶和仰拱处向隧道两侧边墙处发展，并在最后完全贯通。

参考文献：

［1］何川，李林，张景，等.隧道穿越断层破碎带震害机理研究［J］.岩土工程学报，2014，36（3）：427-434.

［2］LIN M L，CHUNG C F，JENG F S， et al. The deformation of overburden soil induced by thrust faulting and its impact on underground tunnels［J］. Engineering Geology，2007，92（3/4）： 110-132.

［3］SABAGH M，GHALANDARZADEH A. Centrifugal modeling of continuous shallow tunnels at active normal faults intersection［J］. Transportation Geotechnics， 2020， 22：100325.

［4］马亚丽娜，盛谦，崔臻，等.基于三维离散-连续耦合方法的跨活动断裂隧洞错断破坏机制研究［J］岩土工程学报，2018，40（S2）：240-245.

［5］汪振，钟紫蓝，赵密，等.正断型断裂模拟及其对山岭隧道影响研究［J］.岩土工程学报，2020，42（10）：1876-1884.

［6］孙飞，张志强，易志伟.正断层黏滑错动对地铁隧道结构影响的模型试验研究［J］.岩土力学，2019，40（9）：3037-3044，3053

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.工程岩体分级标准：GB/T 50218—2014［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［8］中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB 50010—2010（2015年）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

收稿日期：2022-11-16

作者简介：陈斌辉（1985—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程。