75°倾角逆断层错动下隧道衬砌塑性区演变机制研究

黄明雄 1 温国春 1 余良 1 曾海凌 2

2.成都凌渡科技有限责任公司 四川成都 610095

摘 要：西南地区由于其特殊的地理位置以及地貌特征导致地震灾害频发，其中由地震引发的断层错动对于隧道的建设危害巨大。为探讨在逆断层错动下隧道结构的破坏机制，建立三维有限元计算模型，探讨了75°断裂带倾角下逆断层错动对于隧道结构的影响，从小距离错动以及大距离错动2个方面通过研究塑性应变的变化从而揭示隧道的损伤机制，得出结论如下：小距离错动下位于断裂带与断层上盘接触的拱顶区域以及断层下盘与断裂带接触的拱底区域塑性应变贯穿在整个过程中。当逆断层刚开始错动时，塑性区集中分布在隧道衬砌的拱顶以及拱底区域。当逆断层出现大距离错动由于衬砌两侧突然受到较大的拉力导致最先出现塑性变形，而随着断层错动量的进一步增大，隧道衬砌的拱顶也开始受到拉力的作用出现塑性应变并在断层错动量最大时达到最大塑性应变。

关 键 词 逆断层 隧道结构 数值模拟 塑性区

1 引言

随着我国西部发展战略的进一步实施，川藏铁路的修建也早日提上议程，正在修建的川藏铁路位于我国西南地区，我国西南地区受到板块的挤压，山地较为发育且活动断裂带分布广泛。对于穿越活动断裂带的隧道结构，一旦活动断层发生错动，将对于隧道结构产生巨大破坏[1]，严重威胁生命安全及经济安全。针对穿越活动断裂带的隧道安全性的研究，徐同启等[2]借助FLAC3D有限差分软件以及室内模型试验对于逆断层错动下隧道的安全性能进行分析。赵旭等[3]通过数值模拟研究了断层错动下隧洞结构的破坏规律从而解释了地震破坏机理。丁祖德等[4]通过建立力学模型对比了逆断层错动下纤维增强水泥复合材料衬砌以及传统钢筋混凝土衬砌之间的非线性力学响应以及抗错断性能。

国内外专家主要从现场观测，数值模拟以及模型试验三方面展开探讨，由于现场观测只能在修建完成后并且只能从定性的角度分析隧道结构的破坏，不能准确对于隧道结构受到何种程度破坏以及重点监测范围进行评估，因此数值模拟以及模型试验成为解决问题的重要手段。本文基于西南地区某处在建隧道建立穿越逆断层隧道结构有限元三维计算模型，研究75°倾角逆断层错动下隧道衬砌的塑性区演变规律，从而揭示逆断层错动下隧道结构的破坏机制。

2 三维有限元计算模型的建立

为研究逆断层错动下穿越较大倾角断层隧道结构的破坏机制，本文采用ABAQUS建立三维有限元计算模型，如图1所示为计算模型示意图。整个模型纵向尺寸为400m，横断面为70m×70m，由断层上下盘，断裂带以及衬砌三部分组成，断层上盘及盘上部尺寸为180m，断裂带为40m。隧道断面采用五心圆绘制，衬砌内高尺寸为10m，满足计算要求。

图1 计算模型示意图

围岩受到长期的固结沉积，断层上下盘与断裂带之间的固结较强，断层上盘与断裂带之间的接触在切向为摩擦接触，摩擦系数设置为0.4；法向方向设置为硬接触。为模拟较为真实的情况，断层下盘与断裂带之间设置为绑定接触，如图2所示。

图2 计算模型接触条件

断层上盘的错动通过在底部施加沿断裂面方向的均匀位移荷载，位移荷载随着时间逐渐增大，断层下盘与断裂带施加法向约束，计算模型边界条件如图3所示。

图3 计算模型边界条件

计算模型中断层上下盘采用同一种硬岩土体材料，断裂带由多层破碎岩体组成，因此采用软弱土体材料，围岩本构关系采用Mohr—Coulomb本构。隧道衬砌材料采用C55混凝土，混凝土抗拉强度为2.64MPa，本构关系为混凝土损伤塑性。计算模型各组成部分物理力学参数如表1所示。

表1 计算模型材料力学参数

模型名称	密度（kg/m3）	杨氏模量（Mpa）	泊松比	内摩擦角（°）	粘聚力（Kpa）
断层	2300	1.6×103	0.4	28	0.1×103
围岩	2400	3.5×103	0.32	35	0.4×103
衬砌	2400	2.648×104	0.167	-	-

3 逆断层错动下衬砌塑性区演变分析

3.1 小距离逆断层错动下隧道衬砌塑性区演变分析

断层位移的施加方向为z向和x向，通过逐渐施加的位移荷载进而探讨隧道结构的破坏机制，如图4所示为逆断层z向错动0.1m，0.2m，0.3m，0.4m，0.5m，0.6m时隧道衬砌等效塑性区云图发展。在逆断层整个错动过程中塑性应变集中位置变化较大，但位于断裂带与断层上盘接触的拱顶区域以及断层下盘与断裂带接触的拱底区域塑性应变贯穿在整个过程中。当逆断层刚开始错动时，塑性区集中分布在隧道衬砌的拱顶以及拱底区域，由于逆断层沿75°断裂面向土体上部以及内部运动，所以衬砌受到拉应力影响较大的区域为衬砌与断裂面的交界区域。随着逆断层错动量的增加，隧道衬砌塑性区由前端拱顶以及后端拱底开始贯通，且塑性应变保持持续增长趋势。当逆断层z向错动量为0.3m时，塑性区开始贯通，并随着断层错动量的增加塑性区范围逐渐增大，最终塑性应变最大值出现在拱腰两侧。由于逆断层位移荷载分布均匀且计算模型为对称模型，因此塑性应变的分布也呈对称分布。

（a）断层错动0.1m （b）断层错动0.2m

（c）断层错动0.3m

（d）断层错动0.4m （e）断层错动0.5m

（f）断层错动0.6m

图4 逆断层小距离不同错动量等效塑性区发展云图

3.2 大距离逆断层错动下隧道衬砌塑性区演变分析

为研究较大断层错动量下隧道衬砌的破坏机制，选取断层错动量为1.6m，2.0m，2.5m，3.0m，3.5m，4.0m时隧道衬砌塑性区发展进行分析，如图5所示为上盘大距离错动量下的隧道衬砌塑性应变发展云图。逆断层出现大距离错动时，塑性区主要出现在隧道衬砌两侧拱腰区域，并且主要集中分布在断裂带区域。随着断层上盘错动量的增加，塑性应变逐渐增大，塑性应变集中区域开始由拱腰两侧向拱顶延展，并在断层错动量为4.0m时达到最大范围。当逆断层错动量为1.6m时，隧道衬砌的塑性区已经集中分布在拱腰两侧区域，联系小距离断层错动下隧道衬砌的塑性区发展，当逆断层出现大距离错动由于衬砌两侧突然受到较大的拉力导致最先出现塑性变形，而随着断层错动量的进一步增大，隧道衬砌的拱顶也开始受到拉力的作用出现塑性应变并在断层错动量最大时达到最大塑性应变。

（a）断层错动1.6m （b）断层错动2.0m

（c）断层错动2.5m

（d）断层错动3.0m （e）断层错动3.5m

（f）断层错动4.0m

图5逆断层大距离不同错动量等效塑性区发展云图

4 结论

本文以西南山区某处在建隧道为依托，建立穿越75°倾角断裂带逆断层错动下隧道结构计算模型，通过分别分析在小错动和大错动下隧道衬砌的塑性区发展，分析隧道衬砌在整个过程中的破坏机制，得出结论如下：

（1）逆断层整个错动过程中塑性应变集中位置变化较大，小距离错动下位于断裂带与断层上盘接触的拱顶区域以及断层下盘与断裂带接触的拱底区域塑性应变贯穿在整个过程中。当逆断层刚开始错动时，塑性区集中分布在隧道衬砌的拱顶以及拱底区域。

（2）由于逆断层沿75°断裂面向土体上部以及内部运动，所以衬砌受到拉应力影响较大的区域为衬砌与断裂面的交界区域。逆断层出现大距离错动时，塑性区主要出现在隧道衬砌两侧拱腰区域，并且主要集中分布在断裂带区域。

（3）当逆断层错动量为1.6m时，隧道衬砌的塑性区已经集中分布在拱腰两侧区域，联系小距离断层错动下隧道衬砌的塑性区发展，当逆断层出现大距离错动由于衬砌两侧突然受到较大的拉力导致最先出现塑性变形，而随着断层错动量的进一步增大，隧道衬砌的拱顶也开始受到拉力的作用出现塑性应变并在断层错动量最大时达到最大塑性应变。

参考文献

[1] 邱兆文,喻烟,杜义,周正华.逆断层错动对隧道工程影响的数值模拟[J].地震学报,2021,43(02):237-244+136.

[2] 徐同启,李守刚.逆断层错动对隧道结构影响研究[J/OL].铁道标准设计:1-7[2021-10-17].https://doi.org/10.13238/j.issn.1004-2954.202103020013.

[3]赵旭,程鼎甲,代志杰,黎若寒,汪振.断层错动形式对输水隧洞的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2021,41(05):96-106.

[4] 丁祖德,肖南润,文锦诚,李晓琴,任志华.逆断层错动下ECC衬砌结构非线性力学响应分析[J].铁道科学与工程学报,2021,18(09):2375-2384.