基于弹性地基梁理论的跨活断层隧道围岩-衬砌体系破坏机制研究

随着我国西部高烈度地区的隧道工程建设的持续深入发展,长大隧道将不可避免地穿越复杂不良地质区域,接近或跨越活动断裂带,面临严重的错断威胁。将温克尔弹性地基梁理论引入跨活断层隧道抗错断问题的研究中,从几何学和理论力学等角度,将隧道简化为作用在地层上的弹性地基梁;采用法向弹簧与切向弹簧模拟地层与结构的相互作用,并利用有限元数值模拟手段,建立跨活断层隧道围岩-衬砌体系数值模型。基于数值模型,探索了断层错动条件下围岩-衬砌体系位移变化规律,研究了跨断层隧道力学响应特征,同时,深入分析了断层破碎带关键参数对围岩-衬砌体系错断响应的影响。研究结果表明:断层两盘错动影响范围主要集中在断层错动面两侧各30 m的范围内;在中心剪切带处,围岩上下两盘位移连续;衬砌在断层上下盘内受到相反的弯矩作用,在断层破碎带内隧道以受压为主,而在远离断层带处主要呈受拉状态。此外,不同的断层倾角、破碎带宽度、岩体质量等级均对围岩-衬砌体系错断响应有一定影响,跨断层隧道穿越活断层的最佳角度为正交;断层破碎带宽度较大的情况易避免衬砌发生应力集中的现象;断层破碎带岩体质量等级越高,隧道受到断层错动作用越显著。该研究成果可为跨断层隧道抗错断设计提供一定的参考与理论支持。