王鴻儒， 鐘紫藍(lán)， 趙 密， 汪 振， 趙 旭， 杜修力

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

中西部地區(qū)多山嶺且地震活動(dòng)頻發(fā). 隨著中西部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展，特別是滇中引水、川藏鐵路等工程的推進(jìn)，跨斷層隧道的抗震、減震對(duì)于隧道的安全性起著重要的作用[1]. 隧道穿越斷層時(shí)的破壞主要來源于斷層的強(qiáng)制位移，依據(jù)錯(cuò)動(dòng)速率將斷層的運(yùn)動(dòng)劃分為黏滑錯(cuò)動(dòng)和蠕滑錯(cuò)動(dòng). 黏滑錯(cuò)動(dòng)為活動(dòng)斷層兩盤閉鎖，應(yīng)力應(yīng)變積累到巖石的極限強(qiáng)度后突然釋放，產(chǎn)生相對(duì)位移錯(cuò)動(dòng)的過程，錯(cuò)動(dòng)速度快，破壞極強(qiáng)；蠕滑錯(cuò)動(dòng)為圍巖緩慢地發(fā)生無震滑動(dòng)過程，不具備突發(fā)破壞能力[2-3].

與理論分析及數(shù)值計(jì)算方法相比，模型試驗(yàn)方法在描述結(jié)構(gòu)和材料的破壞過程、極限破壞形態(tài)等非線性破壞特征方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)跨斷層隧道抗震減震問題進(jìn)行了大量的研究. 劉學(xué)增等[4-5]開展了幾何縮尺比為1∶50及斷層傾角分別為45°、60°和75°的正斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)，研究斷層傾角對(duì)隧道損傷及巖體變形的影響，指出隧道及圍巖的破壞范圍隨著斷層傾角的增大而減小. Kiani等[6]開展了幾何縮尺比為1∶50及斷層傾角分別為60°和75°的正斷層離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究斷層傾角、隧道埋深對(duì)盾構(gòu)隧道破壞的影響規(guī)律，研究表明增加隧道埋深可有效減少隧道的破壞. Sabagh等[7]通過幾何縮尺比為1∶60的離心機(jī)正斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)，研究斷層錯(cuò)動(dòng)量、隧道直徑對(duì)隧道及圍巖的破壞規(guī)律，并依據(jù)錯(cuò)動(dòng)量和隧道破壞現(xiàn)象對(duì)隧道損傷進(jìn)行定性分級(jí). 胡輝[8]、仇文革等[9]開展了幾何縮尺比為1∶40及斷層傾角為60°的正斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)隧道的破壞機(jī)理以及襯砌分節(jié)、超挖、增設(shè)橡膠襯砌等減震措施進(jìn)行了研究. 孫飛等[3,10]開展了分段式襯砌穿越60°傾角的正斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)，研究襯砌分節(jié)、柔性接頭減震措施對(duì)隧道變形、應(yīng)變分布、圍巖壓力的影響規(guī)律，提出增強(qiáng)配筋及采用柔性接頭以提高隧道的整體柔度和局部剛度的減震措施. 王道遠(yuǎn)等[11]開展了幾何縮尺比為1∶30的正斷層的黏滑錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)，研究減錯(cuò)層、減錯(cuò)縫的設(shè)置對(duì)隧道抗錯(cuò)性能的影響，并提出組合使用減錯(cuò)層與交錯(cuò)縫的減震措施.

上述學(xué)者研究表明，斷層錯(cuò)動(dòng)面位置處襯砌為隧道穿越斷層破碎帶發(fā)生破壞的最嚴(yán)重區(qū)域. 目前，跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)的模型箱主要由固定箱和錯(cuò)動(dòng)箱組成，而斷層通常被簡(jiǎn)化成為一個(gè)無厚度的接觸面，從而缺少對(duì)斷層破碎帶部分的有效模擬. 斷層破碎帶是伴隨斷層錯(cuò)動(dòng)面天然存在的，其寬度為20～300 m，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖潴w增設(shè)斷層破碎帶的約束裝置可有效提高試驗(yàn)邊界條件的準(zhǔn)確性. 目前跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)形式多為正逆斷層，對(duì)走滑斷層的研究相對(duì)較少.

模型試驗(yàn)箱是開展地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)必須的試驗(yàn)裝備之一，而箱體的尺寸、邊界條件、斷層的運(yùn)動(dòng)機(jī)制等特性直接決定了模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性[12]. 本文基于改善試驗(yàn)邊界效應(yīng)，自主研發(fā)了模擬不同破碎帶寬度的跨斷層隧道剪切箱，使模型試驗(yàn)的邊界條件更真實(shí)地接近原型場(chǎng)地條件. 通過模型試驗(yàn)方法及數(shù)值模擬，以隧道的應(yīng)變分布規(guī)律、破壞形態(tài)及巖體的破裂特征為指標(biāo)，研究走滑斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下，不同錯(cuò)動(dòng)量對(duì)隧道損傷機(jī)理及破壞特性的影響規(guī)律，為穿越斷層破碎帶的隧道設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考.

1 襯砌結(jié)構(gòu)及地質(zhì)資料選取

跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)洞形、材料參數(shù)來源于滇中引水工程項(xiàng)目，并依試驗(yàn)條件做相應(yīng)的調(diào)整，使試驗(yàn)工況可以代表典型的隧道穿越斷層破碎帶剪切破壞特性.

滇中引水工程是中國(guó)西南地區(qū)規(guī)模最大、投資最多的引水工程. 香爐山隧洞為滇中引水工程渠首段建筑物，位于地震活躍的西南地區(qū)，地震烈度為Ⅷ度. 隧洞走線區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，活動(dòng)斷裂發(fā)育且活動(dòng)性較強(qiáng)，隧洞穿越多條斷層破碎帶，大部分破碎帶寬度為20～300 m，帶內(nèi)巖體多為角礫巖、碎粒巖等，膠結(jié)差，強(qiáng)風(fēng)化. 由地震產(chǎn)生的黏滑剪切破壞和圍巖蠕滑產(chǎn)生的累積位移破壞為隧洞的主要災(zāi)害之一. 圖1為香爐山隧洞軸線剖面圖. 工程地質(zhì)參數(shù)來源于鶴慶- 洱源斷裂(F12)，隧道穿越破碎帶寬度取30 m，斷層傾角為90°，隧道與斷層夾角為90°. 巖體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地勘資料、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[13]選取. 斷層破碎帶巖體強(qiáng)風(fēng)化、膠結(jié)差、結(jié)構(gòu)松散，以Ⅴ級(jí)圍巖為主；非斷裂帶巖體弱風(fēng)化，受斷層破碎帶影響較破碎，以Ⅳ級(jí)圍巖為主；斷層錯(cuò)動(dòng)面巖性較差，結(jié)構(gòu)松散，并伴有斷層擦痕和斷層泥出現(xiàn). 隧道內(nèi)徑8.4 m，外徑10.1 m，初襯為25 cm厚聚丙烯粗纖維C25混凝土，二襯為60 cm厚C30鋼筋混凝土. 由于二襯在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)被考慮為永久性的承受靜、動(dòng)荷載結(jié)構(gòu)，且由于試驗(yàn)幾何縮尺的局限性，隧道錯(cuò)動(dòng)模型試驗(yàn)僅考慮二襯[14].

圖1 香爐山隧洞軸線剖面圖Fig.1 Geological profile along tunnel axis

2 試驗(yàn)介紹

當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶區(qū)域時(shí)，由地震產(chǎn)生的隧道破壞主要集中于斷層錯(cuò)動(dòng)面位置及破碎帶與穩(wěn)定段圍巖交界位置[15-16]. 本文通過試驗(yàn)研究斷層錯(cuò)動(dòng)量對(duì)走滑斷層位錯(cuò)下隧道破壞的影響規(guī)律. 隧道模型外徑D為24 cm，受試驗(yàn)條件限制并結(jié)合前期數(shù)值模擬的結(jié)果，選用3倍洞徑作為本試驗(yàn)破碎帶的寬度. 錯(cuò)動(dòng)面位置附近的隧道破壞和在破碎帶與穩(wěn)定段圍巖交界位置處的隧道破壞相互獨(dú)立，互相影響較小. 該工況可以作為隧道穿越斷層破碎帶破壞的典型類別.

2.1 試驗(yàn)相似準(zhǔn)則及相似比

模型試驗(yàn)與相似理論關(guān)系密切，只有在滿足相似理論的前提下，模型試驗(yàn)才能可靠、真實(shí)地反映原型的物理力學(xué)性能[12]. 本文依據(jù)量綱分析法和相似定理推導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型之間的相似關(guān)系，選用長(zhǎng)度、時(shí)間、力為基本物理量，其余物理量的相似關(guān)系可借助物理方程式由基本物理量求得. 依據(jù)香爐山隧洞的工程地質(zhì)條件和隧洞結(jié)構(gòu)施工圖，以及跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)條件，將模型的幾何相似比設(shè)為1∶40，彈性模量相似比設(shè)為1∶60. 試驗(yàn)涉及主要物理量的相似關(guān)系如表1所示.

表1 主要物理量的量綱與相似關(guān)系

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備為自研的跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌鐖D2所示. 箱體內(nèi)部?jī)舫叽?長(zhǎng)×寬×高)為2.75 m×1.75 m×1.60 m，其中破碎帶寬度為0.75 m，箱體模擬斷層傾角為90°，斷層與隧道交角為90°. 模型箱主要由固定箱體、錯(cuò)動(dòng)箱體和破碎帶約束框組成，其中固定箱體與底部鋼板焊接，錯(cuò)動(dòng)箱體底部與鋼板間放置φ50 mm的實(shí)心圓鋼，使錯(cuò)動(dòng)箱體可以水平自由運(yùn)動(dòng)，模擬走滑斷層的錯(cuò)動(dòng)模式. 箱體水平最大位移量為25 cm，由千斤頂從加載板處施加位移. 斷層破碎帶區(qū)域由厚度為55 mm和80 mm共10個(gè)約束框組合而成，各約束框均內(nèi)嵌軸承，相互之間可以自由橫向錯(cuò)動(dòng).

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖銯ig.2 Model box for experiment

試驗(yàn)之前，基于有限元數(shù)值模擬開展系統(tǒng)的邊界效應(yīng)影響分析表明，當(dāng)隧道外徑與模型箱距離為5倍洞徑(5D)時(shí)，邊界尺寸大小帶來的隧道橫截面變形的計(jì)算誤差可近似忽略[4,8]. 圖3為不同邊界尺寸與5D邊界的相對(duì)誤差. 當(dāng)隧道模型距箱體側(cè)邊距離取3D，下臥巖厚度取2D時(shí)，邊界尺寸大小帶來的誤差可以控制在18%以內(nèi).

為盡量減小邊界條件影響，保證隧道縮尺模型可有效反映原型破壞機(jī)理，同時(shí)也綜合考慮實(shí)驗(yàn)室加載條件等因素，本試驗(yàn)最終采用隧道周圍圍巖模型材料尺寸如圖2(b)所示.

依據(jù)圍巖的自承載能力及洞室穩(wěn)定的機(jī)理，可將隧道分為淺埋和深埋2類[17]. 淺埋隧道隨著埋深的增加，圍巖壓力和隧道結(jié)構(gòu)受力不斷增加，隧道的拱頂為結(jié)構(gòu)最不利位置；深埋隧道隨著埋深的增加，由于壓力拱的存在，圍巖壓力及隧道結(jié)構(gòu)受力增加變緩甚至趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)的最不利位置由拱頂轉(zhuǎn)向側(cè)壁[18-19]. 依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，跨度為8.4 m的圓形隧道，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖的隧道深淺埋分界埋深分別為20、11 m[20]. 由圖3數(shù)值模擬可得當(dāng)隧道埋深取3D(相當(dāng)于原型25.2 m埋深)時(shí)，襯砌變形與5D工況最大差別為7.5%.

圖3 箱體邊界尺寸對(duì)隧道橫斷面變形影響圖Fig.3 Influence of box boundary on tunnel cross-sectional deformation

香爐山隧道埋深大、地應(yīng)力水平高，《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》建議隧洞在開挖和初襯支護(hù)過程中，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖地應(yīng)力釋放55%～85%，初始地應(yīng)力主要由初襯承擔(dān)[21]. 在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，主要外荷載為斷層的強(qiáng)制位移，試驗(yàn)時(shí)保證襯砌所受圍巖壓力屬于深埋類型即可.

本文主要關(guān)注點(diǎn)在襯砌初始應(yīng)力狀態(tài)和破壞狀態(tài)，高地應(yīng)力下圍巖破裂發(fā)展暫時(shí)不作為本試驗(yàn)主要研究對(duì)象. 試驗(yàn)最終選用3D上覆圍巖厚度代表深埋隧道二襯結(jié)構(gòu)在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下的破壞模式.

2.3 模型相似材料

依據(jù)鶴慶—洱源斷裂地質(zhì)資料及試驗(yàn)縮尺比，通過開展多工況的正交配比試驗(yàn)和全面制配試驗(yàn)，研究不同原材料對(duì)材料物理力學(xué)性質(zhì)的影響，最終選取m(河砂)∶m(石灰)∶m(石膏)=30∶7∶3作為Ⅳ級(jí)圍巖的相似材料配合比，選取m(河砂)∶m(石灰)∶m(石膏)=120∶7∶3作為Ⅴ級(jí)圍巖的相似材料配合比. 表2為圍巖材料原型與模型相似材料的主要物理力學(xué)參數(shù)值. 圖4為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖相似材料應(yīng)力- 應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線圖，由圖可知，材料應(yīng)力達(dá)到峰值后有明顯的下降段，材料表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特性.

圖4 巖體相似材料應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€Fig.4 Full stress-strain curve of rock simulate material

表2 巖體相似材料物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)在破碎帶中間位置設(shè)置一個(gè)5～10 mm寬的斷層錯(cuò)動(dòng)面，以m(河沙)∶m(鋸末)=5∶1作為斷層錯(cuò)動(dòng)面的相似材料進(jìn)行填充，材料黏聚力為0，內(nèi)摩擦角為18°.

隧道襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)來源于實(shí)際工程，通過混凝土材料的配比試驗(yàn)，選取m(高強(qiáng)石膏)∶m(低強(qiáng)石膏)∶m(重晶石粉)∶m(河砂)∶m(水)=5∶5∶19∶12∶23作為混凝土相似材料的配合比. 材料主要物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，圖5為相似材料應(yīng)力- 應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線與原型混凝土縮尺應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€對(duì)比圖. 依據(jù)相似比，模型襯砌外徑為24 cm，壁厚為1.5 cm，襯砌內(nèi)配單層鋼絲網(wǎng)，配筋率按照等強(qiáng)度原則簡(jiǎn)化考慮[5]，即

圖5 應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€對(duì)比圖Fig.5 Contrast figure of full stress-strain curve

表3 混凝土相似材料物理力學(xué)參數(shù)

(1)

式中：As和fy分別為原型鋼筋橫截面積和強(qiáng)度；Ac和fc分別為原型混凝土橫截面積和強(qiáng)度；A′s和f′y為模型鋼絲橫截面積和強(qiáng)度；A′c和f′c分別為模型石膏橫截面積和強(qiáng)度.最終采用φ0.8 mm主筋和φ0.6 mm構(gòu)造筋，間距均為10 mm.

2.4 測(cè)量?jī)x器及試驗(yàn)步驟

2.4.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用應(yīng)變片、微型位移傳感器(linear variable differential transformer，LVDT)、頂桿式位移計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷層錯(cuò)動(dòng)作用下襯砌及圍巖的破壞規(guī)律. 應(yīng)變片用來監(jiān)測(cè)襯砌外側(cè)軸向及環(huán)向應(yīng)變，按照自錯(cuò)動(dòng)面向圍巖兩端由密到疏進(jìn)行布設(shè). 如圖6所示，襯砌沿縱向共布置10個(gè)截面(錯(cuò)動(dòng)端：M87、M50、M35、M20、M5，固定端：F5、F20、F35、F50、F87，角標(biāo)數(shù)字為截面距錯(cuò)動(dòng)面距離)，分別在拱頂、拱腰、拱底位置粘貼共計(jì)40個(gè)縱向應(yīng)變片. 襯砌-37～+37范圍內(nèi)為斷層破碎帶區(qū)域，錯(cuò)動(dòng)面設(shè)置在0截面位置.

圖6 襯砌應(yīng)變片布置圖Fig.6 Layout of strain gauges

LVDT用來監(jiān)測(cè)隧道橫截面變形情況，由于在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下襯砌的破壞具有一定的對(duì)稱性，試驗(yàn)僅在襯砌錯(cuò)動(dòng)端布置LVDT. 襯砌共設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(M87、M50、M37、M25、M12、M0)，每斷面沿45°方向布置4個(gè)LVDT，分別測(cè)量左腰- 右腰、拱頂- 拱底、左肩- 右腳、左腳- 右肩位置的襯砌直徑變化(如圖7所示). 橫截面變形以襯砌截面橢圓率ζ來衡量，橢圓率的正/負(fù)代表襯砌截面的變扁/窄，ζ越大截面變形越嚴(yán)重.

圖7 襯砌LVDT布置圖Fig.7 Layout of LVDT

(2)

式中：DV、DH分別為襯砌變形后水平方向、豎直方向的直徑大?。籇為襯砌未變形時(shí)內(nèi)徑.

襯砌的破壞主要來源于圍巖的錯(cuò)動(dòng)變形，而圍巖的錯(cuò)動(dòng)方式、錯(cuò)動(dòng)量直接反映了發(fā)震斷層的特性. 通過在固定箱體、錯(cuò)動(dòng)箱體及各約束框側(cè)面固定頂桿式位移計(jì)，以監(jiān)測(cè)圍巖在錯(cuò)動(dòng)作用下不同位置的橫向變形情況，試驗(yàn)共設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).

2.4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)?zāi)M走滑斷層錯(cuò)動(dòng)，斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)固定箱體靜止，位移由錯(cuò)動(dòng)箱體橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，試驗(yàn)以控制箱體橫向位移為指標(biāo)，以5 mm/次分級(jí)加載. 實(shí)際地震中斷層的錯(cuò)動(dòng)量為米級(jí)，例如：2008年汶川地震斷裂帶周邊196個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)得1～5 m的斷裂錯(cuò)動(dòng)，且3 m內(nèi)錯(cuò)動(dòng)量占67%[22]；1999年集集地震斷裂帶周邊130個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)得0～6 m的斷裂錯(cuò)動(dòng)，2 m內(nèi)錯(cuò)動(dòng)量占主要部分[23]. 試驗(yàn)?zāi)M斷層錯(cuò)動(dòng)量為2 m，依據(jù)相似關(guān)系試驗(yàn)錯(cuò)動(dòng)量為50 mm.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件建立跨斷層隧道錯(cuò)動(dòng)破壞試驗(yàn)的有限元模型. 模型幾何、材性參數(shù)參照試驗(yàn)選取. 圍巖采用理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，主要特性參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、彈性模量E參照表2選取，剪脹角ψ選取依據(jù)Hoek建議的恒定剪脹參數(shù)[24]，文中Ⅳ級(jí)圍巖ψ=φ/8，Ⅴ級(jí)圍巖取ψ=0. 襯砌本構(gòu)采用ABAQUS內(nèi)嵌混凝土損傷模型. 由于ABAQUS很難模擬出材料的大變形及斷裂，模型將破碎帶依錯(cuò)動(dòng)面分為2個(gè)塊體，斷層錯(cuò)動(dòng)面位置通過摩擦設(shè)置以模擬斷層破裂面，摩擦因數(shù)取0.6，摩阻力可近似模擬斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)的摩阻力. 斷層破碎帶區(qū)域、襯砌模型采用精細(xì)化網(wǎng)格劃分，其余部分的網(wǎng)格相對(duì)稀疏. 三維數(shù)值模型如圖8所示.

圖8 三維數(shù)值模型Fig.8 Three-dimensional numerical model

3.2 襯砌的軸向應(yīng)變

圖9為試驗(yàn)襯砌在不同斷層錯(cuò)動(dòng)量下的軸向應(yīng)變示意圖. 由于斷層錯(cuò)動(dòng)25 mm后破碎帶段襯砌發(fā)生開裂、變形等嚴(yán)重破壞，此時(shí)該位置襯砌應(yīng)變實(shí)測(cè)值已失去了參考性，本文僅研究錯(cuò)動(dòng)量Δf=0～25 mm時(shí)襯砌的應(yīng)變分布規(guī)律，相當(dāng)于原型斷層錯(cuò)動(dòng)0～1 m. 而錯(cuò)動(dòng)量Δf=25～50 mm階段襯砌的破壞程度以襯砌截面變形來衡量.

圖9 不同錯(cuò)動(dòng)量下襯砌軸應(yīng)變分布圖Fig.9 Axial strain of tunnel at different fault offsets

試驗(yàn)測(cè)得石膏襯砌的極限壓應(yīng)變?yōu)? 370×10-6ε，極限拉應(yīng)變?yōu)?35×10-6ε，由圖9可知襯砌主要發(fā)生受拉破壞，局部位置發(fā)生受壓破壞. 斷層錯(cuò)動(dòng)條件下，襯砌最大拉應(yīng)變?yōu)? 571×10-6ε，位于-20截面的拱頂位置；最大壓應(yīng)變?yōu)?2 500×10-6ε，位于+5截面的拱頂、+37截面的右腰位置.

襯砌橫截面內(nèi)，拱頂和右腰位置軸向應(yīng)變值最大，左腰次之，拱底最小. 沿襯砌縱向，破碎帶區(qū)域(-37～ +37段)襯砌軸向應(yīng)變較大，為襯砌破壞的主要區(qū)域；圍巖段襯砌軸向應(yīng)變值較小，且應(yīng)變未達(dá)到襯砌的極限拉壓應(yīng)變，該部位襯砌未發(fā)生大面積拉壓破壞. 襯砌軸向應(yīng)變隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加而增加，部分測(cè)點(diǎn)在錯(cuò)動(dòng)起始時(shí)刻，軸向應(yīng)變就已經(jīng)達(dá)到峰值，應(yīng)變隨斷層錯(cuò)動(dòng)變化較小.

3.3 襯砌的截面變形

襯砌橫截面變形以襯砌截面橢圓率ζ來衡量，圖10為Δf分別為25.0、50.0 mm工況下，襯砌縱向各截面橢圓率試驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比圖，由圖可知，走滑斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，襯砌受圍巖擠壓作用而橫斷面變窄，變形主要發(fā)生在破碎帶區(qū)域，斷層錯(cuò)動(dòng)面位置處襯砌變形最為突出，且隨距斷層距離的增大，襯砌變形逐漸減少.

圖10 襯砌截面橢圓率對(duì)比圖Fig.10 Ovalization of tunnel sections

圖11為襯砌不同截面橢圓率隨錯(cuò)動(dòng)量對(duì)比圖，由圖可知，圍巖段襯砌(M50、M87)和破碎帶段(M25、M37)襯砌變形有著明顯的區(qū)別，隨著錯(cuò)動(dòng)量的增加，圍巖段襯砌橫截面變形較小，斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌的影響較??；破碎帶段襯砌隨著錯(cuò)動(dòng)量的增加而增大，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量達(dá)30 mm時(shí)，M25位置襯砌截面橢圓率幾乎沒有增長(zhǎng)，此時(shí)襯砌破壞已達(dá)極限狀態(tài).

圖11 襯砌截面橢圓率隨錯(cuò)動(dòng)量變化圖Fig.11 Ovalization of tunnel sections at different fault offsets

3.4 襯砌的最終破壞圖

圖12為不同錯(cuò)動(dòng)量下襯砌拉損傷和壓損傷俯視圖，圖13為不同錯(cuò)動(dòng)量下襯砌法向接觸壓力示意圖，圖14為模型試驗(yàn)得到的襯砌最終破壞圖.

圖13 不同錯(cuò)動(dòng)量下襯砌接觸壓力示意圖Fig.13 Surrounding rock pressure on the tunnel at different fault offsets

圖14 襯砌最終破壞示意圖(俯視)Fig.14 Failure mode of tunnel after faulting (top view)

由圖12、14可知，襯砌拉損傷區(qū)域及損傷程度均大于壓損傷，且襯砌拉損傷云圖與襯砌破壞圖基本吻合，襯砌主要以受拉破壞為主. 由圖12(a)壓損傷俯視圖和圖13(a)襯砌接觸壓力俯視圖可知，襯砌在斷層錯(cuò)動(dòng)作用下，錯(cuò)動(dòng)面附近襯砌接觸壓力較大，且襯砌存在迎壓面和背壓面，襯砌接觸壓力較大區(qū)域和襯砌壓損傷較大區(qū)域基本重合，位于襯砌的迎壓面位置. 圍巖對(duì)襯砌的擠壓力是襯砌壓損傷主要來源之一.

以位移為控制指標(biāo)的襯砌剪切破壞，當(dāng)斷層發(fā)生較小錯(cuò)動(dòng)時(shí)，即錯(cuò)動(dòng)量Δf=2.5 mm，襯砌與圍巖接觸壓力已達(dá)到較高量級(jí)，且襯砌承受圍巖擠壓區(qū)域較大；此時(shí)破碎帶段襯砌拱頂位置拉損傷已經(jīng)達(dá)到較高的量級(jí)，且壓損傷也達(dá)到一定量級(jí)，襯砌局部破壞. 隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加，即Δf=2.5～25.0 mm時(shí)，襯砌接觸壓力不斷增加，拉損傷面積、損傷程度不斷增加，當(dāng)Δf=25.0 mm(相當(dāng)于實(shí)際錯(cuò)動(dòng)量1 m)時(shí)，-40 cm～+20 cm右腰位置、-20 cm～+40 cm左腰位置、±20 cm范圍內(nèi)拱底拱頂位置的襯砌損傷已累積到較高量級(jí)，該位置襯砌大面積發(fā)生受拉破壞. 之后隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加，當(dāng)Δf=25.0～50.0 mm時(shí)，襯砌的破壞表現(xiàn)為裂縫的延伸貫通及開裂寬度的加大，襯砌拉損傷面積、損傷程度幾乎沒有增加，且襯砌接觸壓力變化較小，僅局部位置接觸壓力有所增加.

3.5 圍巖的變形及地表破裂形式

圖15為不同錯(cuò)動(dòng)量情況下，巖體錯(cuò)動(dòng)位移的試驗(yàn)值與數(shù)值模擬對(duì)比圖. 圍巖的錯(cuò)動(dòng)主要發(fā)生在錯(cuò)動(dòng)面位置，約占總位移的70%；由于斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的摩阻力，圍巖的運(yùn)動(dòng)不僅僅來源于錯(cuò)動(dòng)面的滑動(dòng)，破碎帶段巖體受剪切變形而產(chǎn)生部分塑性變形及微裂縫，該部分形變量約占總位移的30%.

圖15 圍巖橫向位移分布曲線Fig.15 Horizontal displacement of rock at different fault offsets

圖16為錯(cuò)動(dòng)量Δf=50 mm時(shí)刻巖體表面的破裂圖，白色網(wǎng)格線為150 mm×150 mm的正方形. 依據(jù)圍巖破裂程度的大小，可將破壞分為3個(gè)區(qū)域. 首先是嚴(yán)重破壞區(qū)域，即距錯(cuò)動(dòng)面±30 cm范圍，主破裂位于錯(cuò)動(dòng)面位置，衍生裂縫從主破裂面向破碎帶區(qū)域發(fā)展，裂縫數(shù)量較少但寬度大，且與其他裂縫貫通；其次是微裂縫發(fā)展區(qū)域，即距錯(cuò)動(dòng)面±30 cm～±75 cm范圍內(nèi)，裂縫以細(xì)微小裂縫為主，且裂縫分布隨機(jī)，互不貫通；最后是無破裂安全區(qū)域，即距錯(cuò)動(dòng)面±75 cm～±137.5 cm范圍內(nèi)，該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫及巖體表面破壞現(xiàn)象. 當(dāng)圍巖距斷層錯(cuò)動(dòng)面大于75 cm(3D)后，可認(rèn)為斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)圍巖的影響較小，結(jié)構(gòu)安全.

圖16 巖體表面破裂圖Fig.16 Fracture of rock surface

4 結(jié)論

1) 襯砌主要發(fā)生受拉破壞，局部位置發(fā)生受壓破壞；且主要破壞區(qū)域位于破碎帶段襯砌的拱頂和右腰位置.

2) 襯砌受圍巖擠壓作用而橫斷面變窄，變形主要發(fā)生在破碎帶區(qū)域，斷層錯(cuò)動(dòng)面位置處襯砌變形最為突出，且隨距錯(cuò)動(dòng)面距離的增大，襯砌變形逐漸減少.

3) 斷層錯(cuò)動(dòng)起始時(shí)刻，破碎帶中間部位襯砌拱頂位置的損傷已經(jīng)達(dá)到較高量級(jí)，襯砌局部開裂破壞，隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加，損傷不斷累積，當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量Δf=25.0 mm(相當(dāng)于實(shí)際錯(cuò)動(dòng)量1 m)時(shí)，損傷已累積到較高量級(jí)，此時(shí)襯砌的破壞接近試驗(yàn)的最終狀況.

4) 斷層運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在錯(cuò)動(dòng)面位置；巖體的破裂區(qū)域主要集中在距錯(cuò)動(dòng)面±30 cm范圍內(nèi)，圍巖變形隨著距錯(cuò)動(dòng)面距離的增加而逐漸減小.