摘要：為了探求增加穿越活動(dòng)性斷層隧道地下結(jié)構(gòu)剛度和圍巖強(qiáng)度的有效方法，以敦格鐵路闊克薩隧道為例，利用巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模擬逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形特征，提出了“襯砌節(jié)段+剪切縫”的節(jié)段式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)活動(dòng)性斷層隧道節(jié)段式襯砌的節(jié)段長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化研究。結(jié)果表明：1）節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)在發(fā)生位移錯(cuò)動(dòng)后，最大拉應(yīng)力主要集中在隧道襯砌墻腰、墻腳處;最大壓應(yīng)力及最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與斷層面相交的節(jié)段處;2）在逆斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)，與斷層面相交的節(jié)段出現(xiàn)豎向位移與剛體旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的變形特征;3）經(jīng)過(guò)冗余量設(shè)計(jì)，在敦格鐵路活動(dòng)性斷層隧道襯砌斷面采用具有預(yù)留修復(fù)空間的馬蹄形擴(kuò)大斷面;4）不同截面厚度的襯砌變形特征基本一致，呈現(xiàn)截面厚度越大，最小主應(yīng)力與最大剪應(yīng)力越大的規(guī)律，但最大主應(yīng)力隧截面尺寸變化的規(guī)律不明顯;5）基于襯砌結(jié)構(gòu)彎矩縱向分布的節(jié)段長(zhǎng)度要求節(jié)段長(zhǎng)度需小于最大彎矩間距（18.5 m），結(jié)合工程實(shí)際，節(jié)段式襯砌最優(yōu)節(jié)段長(zhǎng)度可設(shè)定為18 m。研究結(jié)果對(duì)于保障隧道施工安全、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道工程;斷層錯(cuò)動(dòng);節(jié)段式襯砌;冗余量;節(jié)段長(zhǎng)度;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U451.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03009

Abstract： In order to explore the effective method to increase the stiffness of underground structure and the strength of surrounding rock of tunnels passing through active faults， taking Kuokesa tunnel of Dunge railway as an example， a three-dimensional numerical model was established by using the geotechnical numerical analysis software FLAC3D to simulate the stress and deformation characteristics of surrounding rock and supporting structure during reverse faults dislocation. The segmental structural design scheme of "lining segment + shear joint" was put forward， and the segment length of segmental lining of active fault tunnel was optimized. The results show that： 1） after the displacement dislocation occurs in the segmental lining structure， the maximum tensile stress is mainly concentrated at the waist and foot of the tunnel lining wall， and the maximum compressive stress and maximum shear stress appear at the segment intersecting with the fault plane; 2） when the reverse fault is staggered for 20 cm， the segment intersecting with the fault plane has the deformation characteristic of the combination of vertical displacement and rigid body rotation;3） after the redundancy design， the horseshoe shaped enlarged section with reserved repair space is adopted in the lining section of Dunge railway active fault tunnel; 4） the deformation characteristics of the lining with different section thicknesses are basically the same， showing the law that the larger the section thickness is， the greater the minimum principal stress and the maximum shear stress are， but the change of the section size of the maximum principal stress tunnel is not obvious; 5） the segment length based on the longitudinal moment distribution of the lining structure requires that the segment length should be less than the maximum moment spacing （18.5 m）. Combined with the engineering practice， the optimal segment length of segmental lining can be set as 18 m. The research results have important reference value for ensuring the safety of tunnel construction and the stability of designing structure.

Keywords：tunnel engineering; fault dislocation; segmental lining; redundancy; segmental length; optimal design

活動(dòng)性斷層廣泛分布在全球各地，如美國(guó)的圣安德烈斯斷層、土耳其的安納托利亞斷層、新西蘭的阿爾卑斯斷層、德國(guó)的萊因地塹以及俄羅斯的貝加爾湖地塹等。山嶺隧道穿越地震活動(dòng)帶的逆斷層，易受逆斷層滑動(dòng)的影響，因此，對(duì)隧道襯砌的研究逐漸受到廣泛關(guān)注[1-7]，學(xué)者們從襯砌方面入手，以期對(duì)隧道減震帶來(lái)突破[8-11]。張海龍[12]利用EERA軟件對(duì)烏魯木齊軌道交通2號(hào)線穿越活斷層隧道地層位移和土層剪力進(jìn)行計(jì)算，研究在立體交叉、同期施工且需要考慮活斷層影響的地鐵區(qū)間設(shè)計(jì);閆高明等[13]基于跨斷層龍溪隧道，采用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，通過(guò)單一錯(cuò)動(dòng)方式與斷層錯(cuò)動(dòng)-震動(dòng)綜合加載方式，研究了帶有接頭的襯砌結(jié)構(gòu)響應(yīng);劉學(xué)增等[14]以棋盤(pán)石隧道為工程背景，采用有限元方法，設(shè)置5種不同仰拱半徑的三心圓斷面對(duì)比研究鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)隧道受力情況;孫風(fēng)伯等[15]針對(duì)穿越活動(dòng)斷層隧道抗位錯(cuò)的要求，根據(jù)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道襯砌節(jié)段的幾何變形特征，推導(dǎo)隧道組合抗震縫設(shè)置數(shù)量公式。

綜上所述，目前已有諸多學(xué)者對(duì)穿越斷層隧道進(jìn)行了卓有成效的研究，一般采用的地下結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)斷技術(shù)就是增加地下結(jié)構(gòu)的剛度和圍巖強(qiáng)度。剛性襯砌雖然在一定程度上可以提高襯砌結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)斷能力，但不一定是最理想的選擇，且無(wú)限提高襯砌剛度對(duì)于鐵路隧道穿越地震高發(fā)區(qū)活動(dòng)性斷層的情況不適用，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。因此，本文以敦格鐵路闊克薩隧道為例，利用FLAC3D分析軟件對(duì)穿越活動(dòng)逆斷層的節(jié)段式襯砌隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，提出“襯砌節(jié)段+剪切縫”的節(jié)段式結(jié)構(gòu)方案，將整體襯砌分為不同節(jié)段，節(jié)段間用剪切縫鏈接，并對(duì)關(guān)鍵節(jié)段長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化研究，提高了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗錯(cuò)斷性能。第3期姬云平：穿越活動(dòng)逆斷層節(jié)段式襯砌隧道節(jié)段長(zhǎng)度優(yōu)化研究河北工業(yè)科技第38卷

1工程簡(jiǎn)介

敦煌至格爾木甘肅段闊克薩鐵路隧道穿越祁連褶皺系阿爾金山斷塊，由于受到不同地質(zhì)構(gòu)造的影響，該褶帶地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，溝谷發(fā)育，地形凌亂，植被稀疏。隧道縱斷面如圖1所示，進(jìn)口段原巖為第三系泥巖夾礫巖，碎裂結(jié)構(gòu)，泥巖具膨脹性，Ⅲ級(jí)硬土，σ0=200 kPa;洞身及出口段原巖為石英片巖，碎裂結(jié)構(gòu)，Ⅳ級(jí)軟石，σ0=600 kPa。隧道洞身全部位于F3走滑逆斷層的破碎帶內(nèi)，斷層產(chǎn)狀為N100°W/35°S。

為了便于研究，本文規(guī)定：如果斷層面是傾斜的，則位于斷層面以上的巖塊稱(chēng)為上盤(pán);而位于斷層面以下的巖塊稱(chēng)為下盤(pán)。如果斷層面是直立的，則常以方向來(lái)說(shuō)明，如斷層的東盤(pán)或西盤(pán)、左盤(pán)或右盤(pán)等。根據(jù)斷層兩盤(pán)位移的相對(duì)關(guān)系判斷上升和下降。相對(duì)上升的巖塊稱(chēng)為上升盤(pán)，相對(duì)下降的巖塊叫下降盤(pán)。如圖1斷層F3所示箭頭，南盤(pán)為斷層右邊的部分，出露震旦系長(zhǎng)城組石英片巖，在地質(zhì)作用下向上抬升，為上升盤(pán);北盤(pán)為斷層左邊的部分，出露第三系泥巖夾礫巖，在地質(zhì)作用下向下擠壓，為下降盤(pán)。

破碎帶以斷層泥、斷層角礫為主，局部可見(jiàn)有碎裂巖，寬度為500～1 200 m，近東西向展布，延伸約84.5 km，傾角為25°～48°。該斷層為全新世活動(dòng)斷層，有明顯活動(dòng)的痕跡，斷層兩側(cè)強(qiáng)烈擠壓，在斷層南側(cè)可見(jiàn)有泉出露。闊克薩隧道全部在斷層破碎帶內(nèi)，對(duì)隧道工程影響很大。

實(shí)際工程中隧道采用單線隧道復(fù)合式結(jié)構(gòu)，馬蹄形斷面內(nèi)輪廓面積為55.96 m2，其中初支為25 cm厚的C25噴射混凝土，二襯厚為55 cm的鋼筋混凝土，鋼架（H175）間距為0.6 m，如圖2所示。斷層上盤(pán)巖體為Ⅳ級(jí)圍巖、下盤(pán)為Ⅴ級(jí)圍巖（模擬斷層帶巖體）。

2模型及機(jī)理特征分析

采用巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)下盤(pán)固定、上盤(pán)向上錯(cuò)動(dòng)方式來(lái)模擬逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖變形特征及支護(hù)結(jié)構(gòu)（二次襯砌）的受力、變形特征，以揭示它們之間相互作用的機(jī)理。模型以一段典型的闊克薩鐵路隧道為依據(jù)進(jìn)行建模，模型右側(cè)下盤(pán)也位于破碎帶內(nèi)，與實(shí)際相符。

2.1計(jì)算模型及參數(shù)選擇

三維數(shù)值模型計(jì)算尺寸為隧道軸線縱向（Z軸）50 m，隧道橫截面方向（X軸）56 m（約取隧道洞跨的6倍），垂直方向（Y軸）62 m，隧道處于模型中偏上部位，隧道埋深24 m。斷層面傾向與隧道軸線方向一致，傾角75°。

隧道圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元來(lái)模擬，模型共剖分303 852個(gè)單元，共53 985個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用節(jié)理巖體模型模擬斷層面，該模型對(duì)于薄層狀巖體（含大量層面）以及軟巖中閉合隱裂隙具有很好的針對(duì)性和適用性。該模型的基本假設(shè)如下：1）巖體中的結(jié)構(gòu)面按組分布，每組結(jié)構(gòu)面平行且不間斷;2）各組結(jié)構(gòu)面之間互不影響;3）與整個(gè)巖體相比，結(jié)構(gòu)面的體積很小。三維數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示，本構(gòu)模型選用莫爾-庫(kù)倫模型，相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

參數(shù)是以《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）為基礎(chǔ)，從規(guī)范中取值，結(jié)合地勘報(bào)告，得出相應(yīng)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取值范圍，然后結(jié)合工程大剪實(shí)驗(yàn)成果、工程地質(zhì)手冊(cè)、同等地區(qū)相關(guān)期刊研究成果綜合得到的。而巖體結(jié)構(gòu)面（包括斷層面）的力學(xué)參數(shù)取值一直是巖石力學(xué)界至今仍未解決的難題，一是由于結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)影響因素較多，受結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度、巖性、充填物、結(jié)構(gòu)面粗糙度、富水程度等因素影響;二是不同的測(cè)試方法（如室內(nèi)試驗(yàn)法、工程地質(zhì)類(lèi)比法與反演分析法）確定的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)差異性較大。

對(duì)于模擬滑移和分離的情況，接觸面的摩擦參數(shù)（摩擦角、黏聚力和抗拉強(qiáng)度）相對(duì)于法向剛度和切向剛度而言比較重要，但各摩擦參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響權(quán)重未知，因此有必要對(duì)接觸面摩擦參數(shù)進(jìn)行敏感性研究。接觸面敏感性分析主要研究上盤(pán)在相同錯(cuò)距下對(duì)下盤(pán)巖層的位移場(chǎng)影響。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，采用下盤(pán)最大豎向位移值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，列出上盤(pán)錯(cuò)動(dòng)時(shí)下盤(pán)發(fā)生的最大豎向附加變形計(jì)算結(jié)果及極差，判斷參數(shù)與下盤(pán)最大豎向位移平均值關(guān)系趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著斷層面摩擦角、黏聚力及抗拉強(qiáng)度減小，上盤(pán)錯(cuò)動(dòng)對(duì)下盤(pán)最大豎向位移的影響程度也隨之減小;在各參數(shù)值折減到初始值的50%后，參數(shù)值變化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較顯著。最后，綜合規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)取值，得到斷層面參數(shù)。

逆斷層的錯(cuò)動(dòng)主要通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：上盤(pán)作為不動(dòng)盤(pán)，在前后側(cè)面（X方向）、左側(cè)面（Z方向）和底面（Y方向）進(jìn)行徑向約束，頂面為自由面;下盤(pán)為移動(dòng)盤(pán)，在前后側(cè)面（X方向）進(jìn)行徑向約束，頂面為自由面。錯(cuò)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示，逆斷層的錯(cuò)動(dòng)主要通過(guò)在上盤(pán)的底面和右側(cè)面（Z）向施加與斷層傾角一致的位移，模擬上升盤(pán)在兩盤(pán)接觸面的地移，與現(xiàn)實(shí)情況一致。

2.2節(jié)段式襯砌隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理

數(shù)值計(jì)算模型采用三維模型，分析逆斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)變形、受力影響規(guī)律，以20 cm錯(cuò)距為例，力學(xué)參數(shù)如表1所示。隧道二襯節(jié)段長(zhǎng)度取14 m，鏈接段即特殊變形縫寬度取10 cm。逆斷層（下盤(pán)固定、上盤(pán)上升）錯(cuò)動(dòng)20 cm后，隧道襯砌各節(jié)段的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力云圖分別如圖5所示，對(duì)模型中間3個(gè)節(jié)段（即第2，3，4節(jié)段）受力情況進(jìn)行分析，以研究斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)節(jié)段式隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

從拉應(yīng)力值大小來(lái)看，由圖5 a）可知，節(jié)段2受力（1.26 MPa，襯砌墻腰、墻腳處）要大于節(jié)段3（1.25 MPa，襯砌墻腰處），且節(jié)段2與斷層面相交的節(jié)段3受力相差較小;節(jié)段4受到最大拉應(yīng)力值為0.71 MPa，出現(xiàn)在隧道襯砌墻腰、墻腳處。從壓應(yīng)力值大小來(lái)看，由圖5 b）可知，處于節(jié)段2受力（-20.5 MPa，隧道拱頂）要大于節(jié)段4（-16.9 MPa，隧道仰拱位置），且與斷層面相交的節(jié)段受力最大，與斷層面相交的節(jié)段3受到最大壓應(yīng)力值為-23.3 MPa，出現(xiàn)在隧道仰拱處。從剪應(yīng)力值大小來(lái)看，由圖5 c）可知，位于節(jié)段4受到剪應(yīng)力為8.4 MPa，出現(xiàn)在隧道仰拱位置為節(jié)段3受力（11.4 MPa）要大于節(jié)段2（10.7 MPa），節(jié)段受力最大。

由此可以看出，節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)在發(fā)生位移錯(cuò)動(dòng)后，最大拉應(yīng)力主要集中在隧道襯砌墻腰、墻腳處;上盤(pán)與斷層相交襯砌節(jié)段最大壓應(yīng)力主要集中在隧道仰拱位置，下盤(pán)最大壓應(yīng)力主要集中在隧道拱頂;從剪應(yīng)力值大小來(lái)看，處于下盤(pán)節(jié)段受力要大于上盤(pán)節(jié)段，且在與斷層面相交的節(jié)段處壓應(yīng)力和剪應(yīng)力最大。

2.3馬蹄形襯砌斷面襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

在逆斷層的強(qiáng)制錯(cuò)動(dòng)下，襯砌的豎向變形具有代表性，選取了馬蹄形隧道沿隧道軸向的襯砌拱頂和仰拱底部2個(gè)關(guān)鍵部位來(lái)監(jiān)測(cè)逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)襯砌變形。馬蹄形斷面型式下襯砌變形曲線如圖6所示，堅(jiān)向變形情況如圖7所示。

在逆斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)，馬蹄形節(jié)段式襯砌的上盤(pán)（移動(dòng)盤(pán)）中襯砌變形量大，下盤(pán)中節(jié)段變形量很小;與斷層面相交的節(jié)段出現(xiàn)豎向位移與剛體旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的變形特征。

3節(jié)段式襯砌參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1隧道結(jié)構(gòu)空間冗余量設(shè)計(jì)

由圖6和圖7可知，在強(qiáng)制位移下，襯砌節(jié)段發(fā)生了剛體偏轉(zhuǎn)變形，其最大的位移量受位錯(cuò)量、斷層面傾角等因素影響。由于與斷層面相交的襯砌節(jié)段所受應(yīng)力水平高，破壞最嚴(yán)重，因此在襯砌節(jié)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使斷層面貫穿一個(gè)襯砌節(jié)段，以降低錯(cuò)動(dòng)對(duì)相鄰節(jié)段影響。

由于隧道結(jié)構(gòu)一般無(wú)法抵抗斷層錯(cuò)動(dòng)帶來(lái)的巨大的作用力，只能采用被動(dòng)設(shè)計(jì)的理念，常采用擴(kuò)大隧道開(kāi)挖斷面的措施來(lái)提供隧道后期修復(fù)維護(hù)的空間。逆斷層錯(cuò)動(dòng)下（上盤(pán)上升、錯(cuò)動(dòng)量為S），隧道設(shè)計(jì)思路如圖8所示。

隧道冗余量（或擴(kuò)挖尺寸） D由斷層錯(cuò)動(dòng)量S和斷層傾角α決定，與斷層面相交的襯砌節(jié)段長(zhǎng)度L由襯砌內(nèi)凈空H、斷層錯(cuò)動(dòng)量S和斷層傾角α綜合確定。因此本文單線鐵路隧道采用馬蹄形擴(kuò)大斷面，如圖9所示，拱部預(yù)留50 cm，邊墻各預(yù)留30 cm修復(fù)空間。

3.2斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道襯砌厚度影響

為了分析斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道襯砌厚度參數(shù)的影響，對(duì)逆斷層錯(cuò)動(dòng)下（20 cm）節(jié)段式襯砌厚度為30，55和85 cm時(shí)的斷層結(jié)構(gòu)力學(xué)效單位：cm應(yīng)進(jìn)行分析，其中襯砌材料為C45混凝土、節(jié)段長(zhǎng)18 m、特殊變形縫寬10 cm。

斷層性質(zhì)為逆斷層，斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)下盤(pán)底部、側(cè)面進(jìn)行法向位移約束，上盤(pán)底部和端部施加位移荷載，實(shí)現(xiàn)對(duì)上盤(pán)施加強(qiáng)制位移，側(cè)面進(jìn)行位移約束。

逆斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm后，采用仰拱中心豎向變形來(lái)說(shuō)明3種截面厚度襯砌變形特征，結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可見(jiàn)，不同截面厚度的襯砌變形特征相似，截面厚度對(duì)變形的影響較小，因此采取增大襯砌截面厚度的措施來(lái)減少節(jié)段式襯砌關(guān)鍵內(nèi)力值和變形是不可取的。

4節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)節(jié)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

為最小程度減小斷層錯(cuò)動(dòng)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞，跨斷層段二襯常把襯砌分割成較小的節(jié)段，使得在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性破壞。然而襯砌節(jié)段長(zhǎng)度的大小需根據(jù)工程的地質(zhì)條件、斷層的幾何特征、活動(dòng)特征、隧道斷面設(shè)計(jì)等情況來(lái)綜合確定。

4.1基于襯砌結(jié)構(gòu)彎矩縱向分布的節(jié)段長(zhǎng)度研究

受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用數(shù)值計(jì)算手段，利用巖土工程有限元軟件Plaxis研究斷層豎直滑動(dòng)60 cm時(shí)隧道襯砌（如圖9所示）受力變形特征，從而確定襯砌合理的節(jié)段長(zhǎng)度。

4.1.1計(jì)算模型

斷層角礫巖（下盤(pán)圍巖）及石英片巖（上盤(pán)圍巖）的物理力學(xué)指標(biāo)同表1;為簡(jiǎn)化計(jì)算，二襯（拱墻及仰拱）為厚55 cm的C45鋼筋混凝土，軸向拉壓剛度為5.786×108 kN，最大抗拉力為48 555 kN，抗彎剛度為5.918×109 kN·m2，最大彎矩1.40×105 kN·m。斷層帶為斷層角礫巖和碎裂巖（石英片巖），為Ⅴ級(jí)圍巖，斷層帶之外巖性為石英片巖，為Ⅳ級(jí)圍巖。為研究方便，斷層帶內(nèi)隧道圍巖取斷層角礫巖，斷層帶外圍巖取石英片巖;設(shè)計(jì)未考慮初期支護(hù)。斷層斷裂面（錯(cuò)動(dòng)面）與圍巖-結(jié)構(gòu)間相互作用采用Plaxis中的Interface接觸單元模擬。

采用二維平面應(yīng)變分析，計(jì)算模型尺寸如圖11所示，共剖分1 174個(gè)單元。ABEF和BCDE分別表示斷層的左盤(pán)和右盤(pán)。在數(shù)值模型試驗(yàn)中，采用模型右盤(pán)不動(dòng)，左盤(pán)施加整體的位移邊界條件來(lái)模擬斷層的滑動(dòng)，即左右邊界采用水平位移約束，底邊AB施加向上的位移（計(jì)算中施加位移為0.6 m），CD邊采用豎向、水平雙向位移約束，上表面DE，EF為自由邊界。

4.1.2結(jié)果分析

斷層錯(cuò)動(dòng)后網(wǎng)格變形、塑性區(qū)分布及錯(cuò)動(dòng)后隧道襯砌彎矩分布的情況如圖12所示，斷層錯(cuò)動(dòng)后塑性區(qū)主要發(fā)生在斷層帶兩側(cè);襯砌最大彎矩出現(xiàn)在斷層兩側(cè)一定范圍內(nèi)，最大彎矩間距為18.5 m，設(shè)計(jì)中采用由彎矩值控制隧道襯砌的破壞狀態(tài)。由于襯砌結(jié)構(gòu)中變形縫為柔性連接，其設(shè)計(jì)彎矩值要小于襯砌的設(shè)計(jì)彎矩值，以保證柔性連接處要先于襯砌節(jié)段破壞，形成塑性鉸，因此隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證節(jié)段長(zhǎng)度小于最大彎矩間距（18.5 m）即可。

4.2基于斷層錯(cuò)動(dòng)的襯砌結(jié)構(gòu)節(jié)段長(zhǎng)度研究

4.2.1計(jì)算模型

采用ANSYS建立三維模型，單線隧道兩側(cè)邊界至隧道中心線距離為40 m，平面模型4個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A（-40，-30），B（-40，50），C（40，-30），D（40，50），通過(guò)沿Z方向拖拉80 m呈三維模型，埋深取為60 m，側(cè)面邊界為水平位移約束，底面邊界為豎向位移約束，模型上部邊界為應(yīng)力邊界條件，初始應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮，采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行彈性分析。圍巖采用Solid45單元模擬，初級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)也采用Solid45單元模擬，二次襯砌采用Shell63單元模擬。模型大小為豎向Y高度為100 m，橫向X寬度為80 m，縱向Z長(zhǎng)度為80 m，中間斷層破碎帶長(zhǎng)度為40 m，假定隧道與斷層成正交方向。計(jì)算模型如圖13所示，模型參數(shù)同表1。

將隧道二次襯砌的節(jié)段長(zhǎng)度分別設(shè)為6，8，10，12，14，16，18，20，22和24 m，對(duì)這10種工況分別進(jìn)行模擬，將現(xiàn)實(shí)中的體現(xiàn)出來(lái)的斷層活動(dòng)性假定為不同錯(cuò)動(dòng)位移量，在不同錯(cuò)動(dòng)位移為0，5，10和15 cm狀態(tài)下再對(duì)上述工況逐一計(jì)算。

4.2.2結(jié)果分析

不同錯(cuò)動(dòng)位移、不同節(jié)段長(zhǎng)度的襯砌結(jié)構(gòu)最大環(huán)向應(yīng)力及最大彎矩變化如圖14所示。按現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的不同襯砌節(jié)段長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，作出安全系數(shù)隨節(jié)段長(zhǎng)度的變化曲線如圖15所示。

分析圖14-圖15可以得出以下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)的彎矩內(nèi)力值隨著襯砌節(jié)段長(zhǎng)度增加不斷增大，但主應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力隨著襯砌節(jié)段長(zhǎng)度增加逐漸減小;

2）根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，鋼筋混凝土的安全系數(shù)不小于2.0。當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為0和5 cm時(shí)，不論節(jié)段長(zhǎng)度為多少，安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的2.0，不發(fā)生任何破壞。當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為10 cm，且襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為6，8，10，12，14，16和18 m時(shí)，安全系數(shù)分別為5.417，4.624，4.103，3.592，3.121，2.685和2.216，其值均大于規(guī)范要求的2.0，說(shuō)明當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度小于或等于18 m時(shí)，結(jié)構(gòu)是安全的;而當(dāng)襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為20，22和24 m時(shí)，安全系數(shù)分別為1.968，1.725和1.537，均小于規(guī)范要求的2.0，說(shuō)明當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為10 cm，節(jié)段長(zhǎng)度大于或等于20 m時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞。當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為15 cm，且襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為6，8，10，12和14 m時(shí)，安全系數(shù)分別為4.462，3.845，3.276，2.775和2.303，其值均大于規(guī)范要求的2.0，說(shuō)明當(dāng)節(jié)段長(zhǎng)度小于或等于14 m時(shí)，結(jié)構(gòu)是屬于安全的;而當(dāng)襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為16，18，20，22和24 m時(shí)，安全系數(shù)分別為1.984，1.763，1.517，1.248和1.058，均小于規(guī)范要求的2.0，說(shuō)明當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為15 cm，節(jié)段長(zhǎng)度大于或等于16 m時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生部分破壞。根據(jù)圖16的計(jì)算結(jié)果云圖顯示，在拱腳和墻腰處最先達(dá)到抗壓極限狀態(tài)而被破壞，然后是拱腰以及墻角處，最后直到結(jié)構(gòu)整體性破壞。

根據(jù)不同襯砌節(jié)段長(zhǎng)度時(shí)的安全系數(shù)圖（圖15），可以得出當(dāng)安全系數(shù)K=2.0，錯(cuò)動(dòng)量為15 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為15.6 m;當(dāng)錯(cuò)動(dòng)量為10 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為19.8 m?；谝r砌結(jié)構(gòu)彎矩縱向分布的節(jié)段長(zhǎng)度要求節(jié)段長(zhǎng)度需小于最大彎矩間距（18.5 m），考慮模板長(zhǎng)度，節(jié)段長(zhǎng)度l可取為18 m，其計(jì)算結(jié)果云圖如圖16所示，由圖16可知主應(yīng)力和位移均處于合適數(shù)值，進(jìn)一步證明了采用18m的節(jié)段長(zhǎng)度是合理的。

5結(jié)論

本文以敦格鐵路闊克薩隧道為例，通過(guò)下盤(pán)固定、上盤(pán)向上錯(cuò)動(dòng)方式來(lái)模擬逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖變形特征，并通過(guò)力學(xué)效應(yīng)和數(shù)值分析對(duì)活動(dòng)性斷層隧道節(jié)段式襯砌的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

1）節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)在發(fā)生位移錯(cuò)動(dòng)后，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置主要集中在隧道襯砌墻腰、墻腳處;最大壓應(yīng)力主要集中在隧道仰拱和隧道拱頂?shù)奈恢?處于下盤(pán)節(jié)段承受的剪應(yīng)力要大于上盤(pán)節(jié)段，并且最大壓應(yīng)力及最大剪應(yīng)力都出現(xiàn)在與斷層面相交的節(jié)段處。

2）在逆斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí)，馬蹄形節(jié)段式襯砌的上盤(pán)（移動(dòng)盤(pán)）中襯砌變形量大，下盤(pán)中節(jié)段變形量很小;與斷層面相交的節(jié)段出現(xiàn)豎向位移與剛體旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的變形特征。

3）經(jīng)過(guò)冗余量設(shè)計(jì)，在敦格鐵路活動(dòng)性斷層隧道襯砌斷面采用預(yù)留修復(fù)空間的馬蹄形擴(kuò)大斷面，拱部預(yù)留50 cm，邊墻各預(yù)留30 cm修復(fù)空間。

4） 不同截面厚度的襯砌變形特征基本一致，因此，采用從增大襯砌截面尺寸的措施來(lái)減少節(jié)段式襯砌關(guān)鍵內(nèi)力值和變形是不可取的。

5）對(duì)于本工程而言，基于襯砌結(jié)構(gòu)彎矩縱向分布的節(jié)段長(zhǎng)度要求節(jié)段長(zhǎng)度需小于最大彎矩間距（18.5 m）和結(jié)合實(shí)際工程實(shí)際，最優(yōu)節(jié)段長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為18 m，按此間距闊克薩隧道共設(shè)置變形縫28處。

本文對(duì)穿越活動(dòng)斷層的鐵路闊克薩隧道節(jié)段式襯砌抗錯(cuò)斷性能進(jìn)行了研究，優(yōu)化了節(jié)段式襯砌的節(jié)段長(zhǎng)度，但由于數(shù)值模擬軟件完全無(wú)法真實(shí)再現(xiàn)節(jié)段式襯砌與活動(dòng)斷層的作用，今后應(yīng)當(dāng)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)類(lèi)似工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，增加監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步提高對(duì)節(jié)段式襯砌抗斷錯(cuò)能力的認(rèn)識(shí)。

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