75°倾角逆断层错动下隧道衬砌塑性区演变机制研究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23001.6×1030.4280.1×103围岩24003.5×1030.32350.4×103衬砌24002.648×1040.167--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...