引言

隧道工程建设过程中，断层及破碎带是常见的不良工程地质条件，常具有围岩完整性差、裂隙发育丰富、地下水系丰富等特点。穿越断层部分的隧道工程施工易出现围岩坍塌、涌水突泥及较大沉降变形等问题，造成施工困难。穿越活跃断裂带的隧道，在地震作用或断层长年蠕滑作用下，会对断层破碎带附近的隧道造成严重破坏，严重影响隧道的耐久性与安全性，同时给隧道修复带来较大困难（陈正勋等，2011；田四明等，2021）。

目前，国内外学者围绕穿越活跃断层的隧道破坏特征与抗错断设计方法开展了大量研究。刘学增等（2013，2014a，2014b）设计了室内模型箱并开展了1∶50缩尺试验，模拟了倾角分别为45°、60°、75°的正断层黏滑错动下隧道力学响应；Kiani等（2016）通过开展离心试验，研究了浅埋节段式隧道在正断层影响下的张开与损伤特点；耿萍等（2012）通过开展振动台试验并结合ANSYS软件进行数值模拟分析，进行了多断面监测分析，研究了跨断层隧道结构纵、横向内力分布；王飞等（2020）采用ABAQUS软件监测了深埋条件下跨断层隧道衬砌变形规律。

现阶段提升跨断层隧道抗错断能力的设计思路主要为预留二次衬砌变形空间、衬砌节段化的柔性设计。王道远等（2018）设计了大型室内试验，研究认为“减错层+交错设缝”的设计方法较有效；李学锋等（2014）通过数值模拟方法，研究了设置不同变形缝间距对隧道内力分布的影响；Yan等（2020）设计了橡胶柔性连接，研究发现橡胶接头可较好的将断层附近变形集中到接头附近，有效减轻了整体式破坏。Zhao等（2019）研究了纤维混凝土作为连接接头的力学性能，研究发现纤维混凝土良好的延展性减小了断层核心处衬砌的内力。

目前我国对跨断层隧道的破坏特征有了一定了解，并尝试通过柔性抗错断设计方法提高隧道抗错断能力。本文以天山胜利隧道穿越博罗科努-阿其克库都克断裂（以下简称“博-阿断裂”）为实际工程背景，采用有限元分析软件ABAQUS建立精细化三维隧道模型，考虑混凝土损伤特征及钢筋弹塑性行为，评估隧道跨断层部分联合抗错断设计方法的有效性，为类似工程提供设防依据。

1.   工程概况

天山胜利隧道是位于G0711乌鲁木齐至尉犁段高速公路中的特长隧道，全长约22 km，中轴线高程为2 777.000～4 113.000 m，隧道平均埋深大，中途穿越多处断裂破碎带，全线岩石风化程度高，构造应力大，隧道建设地区为较典型的高寒、高海拔、高地应力区域，隧道建设难度大、成本高。隧道穿越的博-阿断裂为大规模压扭性走滑断层。已有调查资料显示，博-阿断层右旋走滑速率可达4.8 mm/a，潜在震级为M7.5，百年错动量约为0.481 m（沈军等，2003；马建等，2019）。通过遥感影像估算博-阿断裂主要影响区间为YK77+470—YK77+930，影响宽度约为460 m，核心破碎带长度约为96 m，断层核心段倾角为75°～85°，断层倾向107°。由于博-阿断裂影响范围大、断层活动性强，该断裂对隧道建设过程与后期安全运营带来了较高风险，天山胜利隧道穿越博-阿断裂地质剖面如图1所示。

图 1  天山胜利隧道穿越博-阿断裂地质剖面

Figure 1.  Geological profile of Tianshan tunnel crossing Bolokenu-Aqikekuduke fault

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1.1   隧道纵向设计

天山胜利隧道采用钻爆法开挖，隧洞横截面为马蹄形，隧道在断层核心段与过渡段的二次衬砌采用节段式设计，设防长度共163 m。跨越断层滑动面及核心破碎带位置的隧道采用超挖设计，核心段S-DZ1长度为67 m，核心段扩挖0.67 m，共设置8节衬砌，衬砌每8 m为1个节段，衬砌节段之间设置15 cm的减震缝，在核心段两端与中心分别设置长度为1 m的柔性接头，超挖段初期支护与二次衬砌之间填充泡沫混凝土作为减震层，隧道初期支护、二次衬砌及减震层厚度分别为25、70、70 cm，初期支护与二次衬砌分别采用强度等级为C25和C40的混凝土浇筑。此外，超挖段隧道设计了柔性铰接材料，通过采用节段式衬砌实现，超挖段隧道如图2所示。

图 2  超挖段隧道结构

Figure 2.  Tunnel structure diagram of overbreak sections

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1.2   减震缝与柔性铰接设计

根据国内外工程建设经验，隧道可通过设置柔性铰接获得较好的抗错断性能。在天山胜利隧道设计中，核心扩挖段二次衬砌共设置3个柔性铰接，接头长1 m，铰接间距为32 m，柔性铰接环向安装用于架设防水材料的工字钢并铺设防水材料，如图3所示，减震缝填充柔性防水材料，柔性铰接与减震缝均不充当荷载传递结构。

图 3  柔性铰接设计结构

Figure 3.  Structural diagram of flexible hinge design

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1.3   横断面设计

隧道横断面核心段与过渡段均采用复合式衬砌。隧道开挖后采用锚杆注浆、钢拱架和钢筋混凝土组成初期支护，初期支护与二次衬砌之间设置预留变形量作为泡沫混凝土减震层，减震层采用预制PE管灌注泡沫混凝土，再将PE管交错摆放，通过钢筋绑扎固定。泡沫混凝土减震层固定完成后，设置防水垫层，然后进行支模浇筑二次衬砌。核心段S-DZ1隧道横断面如图4所示。

图 4  核心段S-DZ1隧道横断面

Figure 4.  Cross section of core section S-DZ1

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2.   三维数值模拟

2.1   模拟方案

为评估超挖、铰接与减震层组合设计的有效性，采用ABAQUS软件进行数值模拟分析，基于隧道设计图纸，建立了精细化三维数值分析模型。为评估各种抗错断措施对隧道抗错断能力的提升效果，设置了对比工况，该工况中隧道全段采用过渡段S-DZ2衬砌横截面，不采用超挖、减震缝和柔性铰接设计。本文考虑走滑断层的2种错动模式，即分别采用直接错动和S形错动的形式施加断层错动位移（Zhang等，2020）。为模拟隧道在地层中的真实应力场，模拟过程考虑地应力分布，数值分析流程如图5所示。根据百年设计错动量对断层运动盘边界施加0.481 m的位移荷载。

图 5  数值分析流程

Figure 5.  Numerical analysis process

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2.2   数值模型

天山胜利隧道穿越博-阿断裂模型主要分为岩体与结构部分。为防止边界条件对模型计算结果造成影响，沿隧道横向几何尺寸的选取应超过5倍洞径（黄生文等，2006），同时为了考虑博-阿断裂破碎带的长度，最终模型尺寸选取为200 m×100 m×100 m（长×宽×高），断裂滑动面倾角为85°，围岩与衬砌结构采用八结点六面体线性减缩积分单元（C3D8R）模拟，钢筋采用桁架单元（Truss）模拟，为保证断层滑动面附近模拟的精准性，对附近的局部种子进行加密，模型共有339 558个结点和292 176个单元。由于天山胜利隧道实际工程设计的减震缝与铰接设计属于满足防水设计的功能性需求，不承担隧道纵向荷载传递作用，因此在建模过程中适当进行简化。围岩、初期支护、减震层和二次衬砌接触面均采用摩擦接触，摩擦系数取0.5，数值模型如图6所示。

图 6  三维数值分析模型

Figure 6.  3D Numerical analysis model

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为探究隧道位移和内力响应及结构损伤演化过程，在断层滑动面附近的隧道二次衬砌布置监测截面Ⅰ与截面Ⅱ，二次衬砌横断面四周监测点布置如图7所示。

图 7  监测点布置

Figure 7.  Monitoring point

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2.3   材料参数

为准确模拟围岩、衬砌及钢筋力学行为，围岩采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）模型模拟，初期支护与二次衬砌采用混凝土塑性损伤本构（CDP）模型模拟（聂建国等，2013），混凝土本构参数根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2011）附录C中的本构曲线确定，钢筋采用理想弹塑性本构（Plastic）模型模拟，不考虑钢筋强化过程。各材料参数如表1和表2所示。

表 1  围岩力学参数

Table 1.  Rock mechanics parameters

围岩类型	密度/（kg·m−3）	弹性模量/GPa	泊松比	摩擦角/（°）	黏聚力/MPa
断层破碎带	2790	1.2	0.35	27	0.2
围岩	2790	5.5	0.30	39	0.65

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表 2  钢筋与混凝土参数

Table 2.  Steel and concrete parameters

材料类型	密度/（kg·m−3）	弹性模量/GPa	泊松比	抗拉强度/MPa	抗压强度/MPa
C25	2 300	28.0	0.200	1.78	16.70
C40	2 300	32.5	0.200	2.39	26.80
泡沫混凝土	350	0.3	0.250	0.25	1.83
HRB400钢筋	7 850	200.0	0.167	300.00	—

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结构减震层结合现场实际工艺进行简化，考虑减震层为单一各向同性材料，采用塑性本构（Plastic）模型模拟，泡沫混凝土力学性能通过单轴压缩试验得到，如图8所示。

图 8  泡沫混凝土应力-应变曲线

Figure 8.  Stress-strain curve of foam concrete

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3.   模拟结果分析

3.1   隧道位移

位移是隧道健康监测的重要指标，可通过该指标分析断层影响范围及隧道响应特征。断层错动不同位移量时，隧道顶部纵向位移曲线如图9所示。由图9可知，断层错动对隧道位移有一定影响范围，当断层错动量为0.04～0.15 m时，隧道位移曲线为较平缓的S形曲线，这一阶段断层影响范围为距隧道轴线75～110 m，影响范围较大；随着断层错动量的增大，断层错动量的影响逐渐集中，主要对位于下盘靠近断层滑动面的隧道产生影响，这是由于断层滑动面附近布置了柔性接头，可起到较好的协调变形能力，且由于大变形产生的结构损伤，导致局部结构刚度下降，造成损伤进一步集中，王滨（2011）的解析和试验研究也得到相似结论。

图 9  隧道位移曲线

Figure 9.  Displacement curve

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3.2   衬砌损伤

可用ABAQUS软件中刚度损伤因子（SDEG）反映混凝土结构损伤，SDEG主要通过混凝土刚度退化程度反映结构损伤情况，SDEG值为0～1，0表示未损伤，1表示完全损伤。对断层滑动面两端的二次衬砌环向监测点监测结果进行分析，如图10、图11所示。

图 10  刚度损伤因子曲线

Figure 10.  Scalar stiffness degradation curve

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图 11  损伤分布曲线

Figure 11.  Damage distribution curve

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由图10可知，位于上盘的衬砌损伤积累速度更快，损伤程度更高，上盘右侧拱腰与拱脚损伤最严重，当断层错动量约为0.25 m时，损伤积累速率最大，一般认为混凝土损伤因子达到0.9即发生完全破坏，监测结果表明断层错动量约为0.35 m时，二次衬砌会发生局部严重的损伤。隧道在上下盘中损伤的部位近似呈对称分布，上盘主要集中在截面右半部分的拱脚与拱腰处，下盘主要集中在截面左半部分的拱腰与拱肩处。

由图11可知，隧道拱顶与拱底均未发生显著损伤，说明对于走滑断层，衬砌损伤更易发生在拱腰与隧道45°共轭方向。

3.3   横断面应力分布

为进一步探究隧道出现损伤的原因，对横断面应力（Mises应力）进行分析。不同断层错动量下监测截面应力分布如图12所示，随着断层错动量的逐渐增大，截面Ⅰ与截面Ⅱ均表现出应力先增大后减小的特点，上盘截面Ⅰ在断层错动量约为0.33 m时右拱脚出现最大应力25 MPa，下盘截面Ⅱ在断层错动量约为0.15 m时右拱脚出现最大应力34 MPa。位于断层滑动面两侧的监测截面，内力分布近似表现为对称分布特征，拱腰、拱肩和拱脚相较初始时刻出现明显的应力增大现象。由于混凝土的塑性损伤累积，当断层错动量达到一定值时，混凝土出现开裂或达到抗压极限，衬砌出现损伤造成刚度下降，从而造成后期应力减小。根据内力分布可解释对应截面和位置处二次衬砌刚度损伤因子的分布特点。

图 12  Mises应力分布

Figure 12.  Mises stress distribution diagram

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3.4   抗错断措施有效性评估

不同工况下隧道衬砌损伤对比如图13所示，损伤评估指标仍采用刚度损伤因子，分别对比抗错断措施及断层错动形式对隧道衬砌损伤的影响。由于泡沫混凝土减震层采用理想弹塑性本构模型，无法输出刚度损伤因子，故刚度损伤因子仅用于评估初期支护和二次衬砌损伤，图13中灰色段表示柔性接头所在位置，此位置无刚度损伤。由图13可知，对于未设置抗错断措施的工况，当断层错动量为0.1 m时，二次衬砌出现了明显的环向剪切损伤带，且每隔一段有环向损伤，当断层错动量为0.481 m时，二次衬砌断层滑动面附近几乎全部损伤；设置抗错断措施后，当断层错动量为0.1 m时，二次衬砌损伤大大减小，损伤主要集中在位于断层滑动面附近的初期支护上，二次衬砌仅有小部分局部损伤，当断层错动量为0.481 m时，仅断层滑动面附近的二次衬砌出现损伤，但并未出现较严重的变形和破坏。综上所述，抗错断措施虽不能完全避免二次衬砌的损伤，但可显著减轻二次衬砌的破坏，Yan等（2020）的研究也得出了相似结论。由图13可知，施加S形错动位移时，二次衬砌损伤纵向分布范围更大，但损伤峰值相对较小。

图 13  不同工况下隧道衬砌损伤对比云图

Figure 13.  Damage comparison

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4.   结语

目前跨越活跃断层的隧道建设仍为隧道工程中重要的科学问题之一，如何通过设置合理的设防措施减轻隧道在断层蠕滑或地震过程中的破坏仍为重点研究内容。本文依托天山胜利隧道工程，通过数值模拟方法评估了天山胜利隧道抗错断设计方法的有效性，主要得到以下结论：

（1）随着断层错动量的增加，隧道在断层破碎带核心段会出现S形变形，当断层错动量为0.1 m左右时，由于隧道的抗变形能力，断层影响范围较大，当断层错动量超过0.2 m时，隧道变形逐渐集中在断层滑动面附近的剪切带上。

（2）隧道损伤分布在断层滑动面两侧呈近似对称的特点，均表现为拱腰与45°共轭方向出现明显的损伤，当断层错动量达0.25 m时损伤积累速率加快，当断层错动量为0.35 m时损伤接近峰值。

（3）针对走滑断层，衬砌内力随着断层错动会出现增大现象，当断层错动量达0.3 m左右时，衬砌内力达到峰值，随后由于衬砌损伤造成的刚度下降导致内力减小，衬砌应力同样在拱腰、拱肩与拱脚处出现显著增长。

（4）通过对比工况证明抗错断措施可起到较好的降低断层影响的作用，提高隧道协调变形能力，设置抗错断措施后的隧道不会出现大范围严重破坏，基本可达到百年设防标准。