Seismic Response of Cross-fault Tunnel Based on Fluid-structure Interaction
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摘要: 为研究跨断层隧道在渗流-地震耦合作用下的动力响应，以宣绩铁路周湾村隧道穿越富水断层为背景，基于Biot固结动力方程，采用有限差分软件FLAC 3D进行多场耦合数值计算。本文主要分析了断层破碎带宽度对隧道衬砌特征点加速度、孔压、位移及应力响应规律的影响。研究结果表明，对隧道结构不同位置而言，加速度响应规律一致，均为正常段加速度<破碎带加速度<交界面加速度。耦合场作用下，地层与破碎带交界处围岩位移及应力均发生突变。随着断层宽度的增加，应力及位移突变范围有所增大，孔隙水压力峰值也进一步扩大。此时隧道受压区增大，衬砌结构易发生局部破坏。通过加设注浆层的方式，可有效减少耦合场作用引起的拱圈应力分布不均现象。
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关键词:
- 铁路隧道 /
- 断层破碎带 /
- 流固耦合动力模型 /
- 地震响应 /
- Biot固结动力方程
Abstract: Taking the Zhouwancun tunnel along Xuanji railway crossing the water-rich fault as the case, we applied the FLAC 3D finite difference software to carry out multi-field coupling calculation which is based on the Biot consolidation dynamic coupling equation, in order to study the dynamic response of the cross-fault tunnel under seepage-earthquake coupling. The influence of the width of the fault fracture zone on the acceleration, pore pressure, displacement and stress response law of the tunnel lining characteristic point is mainly analyzed. The results show that the existence of the fault fracture zone causes the peak acceleration at the arch foot to increase by 30.8% compared with the ordinary segment, and the peak acceleration at the vault increases by 11.4% compared with the ordinary segment. Under the action of the coupling field, the principal stress at the interface between the tunnel and the fault fracture zone undergoes an obvious mutation, and the range of the stress mutation expands with the increase of the fault width. As the fault width increases, the pore pressure and principal stress peaks also further expand. By adding a grouting layer, the phenomenon of uneven stress distribution of the arch ring caused by the action of the coupling field can be effectively reduced. -
引言
地震小区划是对特定区域范围内可能遭遇到的地震影响进行划分，包括设计地震动参数小区划和地震地质灾害小区划。相比地震区划，地震小区划工作更重视局部场地条件的影响，更为详细地考虑周围的地震地质环境，其成果可为抗震设计、土地利用规划、震害防御等提供更精确的资料(胡聿贤，1999)。
地震小区划工作内容涉及地震活动性评价、地震构造评价、场地地震动分析等，工作量大，获取的数据也很丰富。传统地震小区划成果通常以文字报告、专题图件的形式提交，类型较单一，展示度较差，难以满足目前公共服务的需要。管理现有数据并充分利用数据推出更多服务型产品是目前包括地震小区划工作在内的地震工作信息化和现代化迫切需要。
随着GIS技术的发展，国内很多研究者逐步将GIS技术引入地震小区划研究工作中(张苏平等，2003；王庆满等，2011；李程程等，2014)，建立有关数据库和数据管理系统(田勤虎等，2011；龚磊等，2015)。但已建系统多以数据查询、展示为主，缺少分析功能和实际产出服务。本文以嘉兴科技城地震小区划工作为基础，将基础数据与地理信息系统(GIS)相结合，形成集查询、分析于一体的地震小区划成果数字化系统，可为不同用户提供不同数据服务。
1. 研究区概况
研究区位于嘉兴科技城，行政区划属于嘉兴市南湖区，面积约30km2，是浙江省四大科技平台之一。现聚集了包括浙江清华长三角研究院、浙江中科院应用技术研究院在内的一批高端院所，还建有多个国际技术合作平台、工程中心和产学研基地，是嘉兴市乃至浙江省重要的创业创新平台。
查询《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015)可知，嘉兴市大部分地区由原来的Ⅵ度设防提升为Ⅶ度设防，设防水准的提高将对区内建设工程抗震设防、国土利用规划、社会经济发展等提出更高的要求。嘉兴科技城现处于Ⅶ度设防区内，加之人才产业聚集、产值高，地震灾害风险大。在该区进行地震小区划工作，可为该区提供更精确的抗震设防和土地规划资料，有效降低地震灾害风险。
2. 基础数据
根据相关规范要求，地震小区划工作内容包括地震地质及地震活动性资料的收集、场地钻探、场地土层反应分析等，涉及地质、地震、地球物理、工程勘察等多方面的数据，根据系统建设的需要归纳如下：
(1) 地震地质及地震活动性数据
研究区内地震地质及地震活动性专题图包括区域地震分布图、场地地震分布图、历史地震等震线分布图、区域构造图、区域断层分布图、近场构造图等，均为Mapinfo格式的矢量文件。
(2) 场地地震工程地质条件勘察数据
区划范围内布设60个钻孔，其中标准钻孔1个(孔深232.8m)，地震钻孔29个(深度不小于105m)，勘察孔30个(深度小于30m)，钻探总进尺4204m，浅层人工地震探测测线共21534m。系统建设收集的数据包括60幅钻孔柱状图、18条工程地质剖面、5幅浅层人工地震探测解译图，其中钻孔资料均以柱状图的形式提供，格式为AUTO CAD矢量文件，钻孔的其他信息以Excel表格的形式提供；工程地质剖面图和地震探测测线数据为PDF文档和栅格图片；勘察报告以PDF文档的形式提供。
场地内60个钻孔均进行了波速测试，钻孔代表性土层动三轴土样80件，收集的波速数据和动三轴数据以Excel表格的形式提供。
(3) 地震动分析与参数区划数据
根据土层地震动分析的需要，建立29个场地钻孔模型，数据格式为TXT文本。收集全球范围内天然地震记录1692条，人工合成地震波522条(每个钻孔3个超越概率各6条)，以TXT文本的形式提供。
地震小区划成果图件主要为地震动参数区化图，以Mapinfo矢量文件的形式提供。另外，还包括小区划报告的文本，以PDF文档的形式提供。
3. 系统设计
3.1 面向对象实现
地震小区划涉及钻孔、场地、强震记录、地震灾害等概念，其对象层次清晰，易于以面向对象的方式实现，形成地震小区划数字化系统。根据需求分析，首先将地震小区划数字化涉及的问题抽象成类，并建立类之间的消息机制及类之间的关系，即进行地震小区划数字化概念设计。
根据概念模型抽象出类，相应的类关系如图 1所示，地震小区划数字化主要类有CSolid(工程地质三维实体类)、CDrillHoles(钻孔集合类)、CSoilLayers(土层集合类)、CGroundMotion(强震动观测记录类)、CEarthQuake(场地地震动类)等。CDrillHoles类由CDrillHole类组合形成，并通过CreateTIN方法实现CTins类，由CTins类实现CSolid类，利用CGroundMotion类中SelectEarthQuake方法筛选出符合地质条件的历史强震记录，导入CSolid类，进行地震动分析，计算场地地震动参数峰值加速度、特征周期，并绘制峰值加速度等值线图和特征周期等值线图，由此生成场地地震小区划成果。
3.2 数据库设计
系统采用Access小型数据库实现场地基础地理信息数据、地震动数据、地震震陷数据、地震液化数据等的建库，结合GIS技术实现空间数据与属性数据的整合、矢量数据与栅格数据的整合、信息数据与分析数据的整合。数据库共包含9张数据表，分类如表 1所示。
表 1 数据库汇总Table 1. Database summary序号 表名 功能说明 1 ZkInfo 钻孔基本信息 2 ZkLayer 钻孔土层信息 3 StLayer 标准层序土层信息 4 ZkLique 钻孔砂土液化信息 5 ZkClay 钻孔软土震陷信息 6 ZkWave 钻孔土层剪切波速信息 7 ZkBG 钻孔土层标贯信息 8 ZkMx 钻孔动力分析模型信息 9 ZkSeis 钻孔动参数区划信息表 数据库逻辑设计如图 2所示。
3.3 系统物理设计
系统采用MapX作为GIS开发组件，数据库采用Access，在VB环境下完成开发，可运行于多个版本的windows操作系统中。
4. 系统功能实现
系统功能分为资料查询、成果应用、专题研究三大模块，其中专题研究整合了资料查询、成果应用模块的所有功能，详细的功能设计如图 3所示，系统主界面(专题研究模块)如图 4所示，主要对资料查询、成果应用模块进行介绍。
4.1 资料查询模块
该模块主要对地震小区划工作的基础资料及成果数据进行可视化展示，内容包括地震活动性、地震构造、场地勘察、地震区划等。由于部分功能展示的形式类似，对其中的部分功能进行介绍。
(1) 地震活动性查询：可查询区域地震、场地地震、历史地震影响烈度及场地地震综合评价。按地震震级自动统计地震活动性情况，通过地点地图及数据表的方式查询当前地震发生日期、经度、纬度、震级、震源深度等相关信息，成果展示如图 5所示。
(2) 地震区划：对区内潜在震源区的划分情况及地震小区划成果进行查询，成果以可视化的形式展示，包括区划的范围、相关的地震动参数及标定的反应谱，成果展示如图 6所示。
(3) 钻孔快捷查询：可对区内所有勘察钻孔进行集中展示，包括钻孔柱状图、钻孔土层剪切波速、抗震类别判定、砂土液化和软土震陷情况判断等所有信息，成果展示如图 7所示。
4.2 成果应用
该模块基于现有基础资料，通过建立分析模型对数据进行数字化分析，生成相应的成果数据。该模块主要包括虚拟勘察、场地分析及国土规划3个子模块，其中虚拟勘察模块包括虚拟钻孔、工程地质剖面、地层等值线等，场地分析模块包括砂土液化、软土震陷分析及场地抗震类别判定，国土规划模块包括断层分布及地震小区划。
(1) 虚拟钻孔：采用delaunay三角网上的线性内插算法，根据坐标输入或地图点选获得示范区内任意位置钻孔(虚拟)的相关资料，包括钻孔柱状图、场地抗震类别判定、砂土液化和软土震陷分析、历史地震、地震动参数等。虚拟钻孔的柱状图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出，所有虚拟钻孔信息还可以Word文档的形式导出，内容包括场地土层信息、场地地震动参数、场地类别等，涵盖了地震工程大部分基础资料，可供相关单位参考使用，如图 8所示。
(2) 工程地质剖面：根据连续的坐标输入或在底图上绘制剖面线生成研究区内相应的工程地质剖面图(见图 9)，可将剖面图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出。
(3) 地震地质灾害：包括场地内的砂土液化和软土震陷。根据部分钻孔试验参数，采用建规中的判别方法对场地内钻孔进行判定，给出其液化程度和震陷情况。
(4) 地震动分析：根据点选的坐标位置，选择距离最近的地震钻孔数据，输入筛选要素，从天然地震时程库中选取符合要求的天然地震时程；根据人工合成的基岩地震动计算得到各超越概率下的场地地表地震动参数，成果展示如图 10所示。
5. 结论与建议
通过对地震小区划数据的整理，基于GIS软件开发地震小区划成果数字化系统。在实现项目成果数据查询与可视化展示的同时，还可导出数字化分析成果。相比传统的地震小区划工作，该系统的成果更丰富，形式更多样，为地震工作服务能力的提升进行了尝试。同时，需指出的是，此次建立的系统仅为单机版，与实现公共服务仍存在一定差距，后续还需进行更多的研究，补充和完善相关功能，以期建立高效便捷的在线服务系统。
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图 4 衬砌各特征点x向加速度时程曲线
Figure 4. Time-history curve of acceleration of each characteristic point of lining in x direction
图 5 不同位置处特征点孔压时程曲线
Figure 5. Pore pressure time history curves of characteristic points at different positions
图 6 不同断层宽度下孔隙水压力云图
Figure 6. Cloud map of pore water pressure under different fault widths
图 7 不同断层破碎带宽度下x方向位移云图
Figure 7. Displacement clouds in x direction for different fault fragmentation zone widths
图 8 不同断层破碎带宽度下z方向位移云图
Figure 8. Displacement clouds in z direction for different fault fragmentation zone widths
图 9 拱腰特征点水平位移时程曲线
Figure 9. Horizontal displacement time-history curve of arch waist feature point
图 10 拱顶特征点竖向位移时程曲线
Figure 10. Vertical displacement time-history curve of the characteristic point of the vault
图 11 特征点最大主应力纵向分布规律
Figure 11. Longitudinal distribution law of maximum principal stress at characteristic points
图 12 不同断层宽度下隧道各特征点最大主应力峰值
Figure 12. Peak principal stress at each characteristic point of the tunnel under different fault thicknesses
表 1 模型材料参数
Table 1. Material parameters of the model
介质 密度/（kg·m−3） 弹性模量/GPa 内摩擦角/（°） 黏聚力/MPa 泊松比 μ 渗透系数/（m·s−1） 砂岩 2000 1.3 27 0.20 0.35 3.0×10−6 初期支护 2300 28.0 — — 0.30 — 注浆层 2000 3.0 33 0.25 0.40 6.0×10−8 断层 1700 0.8 22 0.15 0.40 1.5×10−5 
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表 2 接触面参数取值
Table 2. Values for contact surface parameters
名称 法向刚度 $ {k_{\rm{n}}} $/（N·m−3） 切向刚度 $ {k_{\rm{s}}} $/（N·m−3） 黏聚力 c/kPa 内摩擦角$ \varphi $/（°） 接触面参数 109 109 50 17
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表 3 隧道各特征点水平位移峰值
Table 3. Peak value of horizontal displacement of each characteristic point of the tunnel
破碎带宽度/m 水平位移峰值/mm 拱顶 拱肩 拱腰 拱脚 拱底 10 46.9 46.8 45.0 43.5 43.3 20 46.6 46.6 45.0 43.4 42.6 30 46.3 46.4 44.9 43.4 43.0 40 46.0 46.0 44.6 43.1 42.8
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班改革, 2020. 流固耦合作用下隧道开挖模拟研究. 现代交通技术, 17（2）: 33—37 doi: 10.3969/j.issn.1672-9889.2020.02.007Ban G. G. , 2020. Study of tunnel excavation simulation under fluid-structure coupling action. Modern Transportation Technology, 17(2): 33—37. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-9889.2020.02.007 陈育民, 徐鼎平, 2009. FLAC/FLAC3D基础与工程实例. 北京: 中国水利水电出版社. 陈育民, 徐鼎平, 2013. FLAC/FLAC3D基础与工程实例. 2版. 北京: 中国水利水电出版社. 程选生, 王建华, 杜修力, 2013. 渗流作用下海底隧道的流-固耦合地震响应分析. 现代隧道技术, 50（6）: 44—51 doi: 10.3969/j.issn.1009-6582.2013.06.008Cheng X. S. , Wang J. H. , Du X. L. , 2013. Fluid-solid coupling based seismic response analysis of subsea tunnels during seepage. Modern Tunnelling Technology, 50(6): 44—51. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-6582.2013.06.008 程选生, 俞东江, 刘博等, 2016. 渗流和双向地震下跨海减震隧道的稳定分析. 铁道科学与工程学报, 13（5）: 882—890 doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2016.05.014Cheng X. S. , Yu D. J. , Liu B. , et al. , 2016. Stability analysis of cross sea tunnel with shock absorption subjected to seepage and bi-directional earthquake. Journal of Railway Science and Engineering, 13(5): 882—890. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2016.05.014 邓洋, 2021. 地震作用下含地下水边坡动力响应耦合分析. 路基工程, （5）: 180—185Deng Y. , 2021. Analysis on dynamic response coupling of slope with groundwater under earthquake. Subgrade Engineering, (5): 180—185. (in Chinese) 何川, 李林, 张景, 等, 2014. 隧道穿越断层破碎带震害机理研究. 岩土工程学报, 36（3）: 427—434 doi: 10.11779/CJGE201403004He C. , Li L. , Zhang J. , et al. , 2014. Seismic damage mechanism of tunnels through fault zones. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 36(3): 427—434. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE201403004 李亮, 吴利华, 王相宝等, 2016. 基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究. 地震工程学报, 38（6）: 862—868Li L. , Wu L. H. , Wang X. B. , et al. , 2016. Seismic response of saturated soil-tunnel system based on fluid-solid coupling dynamic model. China Earthquake Engineering Journal, 38(6): 862—868. (in Chinese) 李廷春, 吕连勋, 刘建章等, 2016. 基于隧道与断层破碎带距离因素的震害规律分析. 现代隧道技术, 53（1）: 52—61Li T. C. , Lv L. X. , Liu J. Z. , et al. , 2016. Analysis of the seismic damage rule based on the distance between the tunnel and the fractured fault zone. Modern Tunnelling Technology, 53(1): 52—61. (in Chinese) 李旭伟, 苏天宝, 2014. 高烈度区黄草坪山岭隧道地震动破坏机理研究. 施工技术, 43（10）: 127—130Li X. W. , Su T. B. , 2014. Research on the failure mechanism of Huangcaoping mountain tunnel in high intensity zone subjected to earthquake. Construction Technology, 43(10): 127—130. (in Chinese) 梁波, 杨仕恒, 赵冯兵, 等, 2020. 特大断面隧道断层段地震响应与断层构造关系. 科学技术与工程, 20（34）: 14272—14277 doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2020.34.047Liang B. , Yang S. H. , Zhao F. B. , et al. , 2020. The relationship between seismic response and fault structure in fault section of extra-large section tunnel. Science Technology and Engineering, 20(34): 14272—14277. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2020.34.047 刘积魁, 方云, 刘智等, 2011. 钓鱼城遗址始关门破坏机制研究与FLAC3 D地震动力响应模拟. 岩土力学, 32（4）: 1249—1254 doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.04.049Liu J. K. , Fang Y. , Liu Z. , et al. , 2011. Study of damage mechanism and FLAC3 D simulation of the seismic dynamic response of Shiguan gate in Diaoyucheng ruins. Rock and Soil Mechanics, 32(4): 1249—1254. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.04.049 刘子阳, 曹小平, 严松宏等, 2019. 棋盘石隧道断裂破碎带地震动力响应分析. 世界地震工程, 35（3）: 161—167Liu Z. Y. , Cao X. P. , Yan S. H. , et al. , 2019. Seismic dynamic response analysis of fault fracture zone in Qipanshi Tunnel. World Earthquake Engineering, 35(3): 161—167. (in Chinese) 彭文斌, 2008. FLAC 3D实用教程. 北京: 机械工业出版社. 苏建锋, 2017. 基于FLAC3 D的土层非线性地震反应分析. 地震工程学报, 39（5）: 883—889 doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2017.05.0883Su J. F. , 2017. Nonlinear seismic response analysis of soil layers based on FLAC3 D. China Earthquake Engineering Journal, 39(5): 883—889. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2017.05.0883 王涛, 2015. FLAC3D数值模拟方法及工程应用-深入剖析FLAC3D 5.0. 北京: 中国建筑工业出版社. 颉永斌, 董建华, 2021. 断层破碎带内隧道纵向受荷特征和变形分析. 中国公路学报, 34（11）: 211—224 doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.11.017Xie Y. B. , Dong J. H. , 2021. Analysis of longitudinal deformation and stress characteristics of tunnel crossing fault fracture zone. China Journal of Highway and Transport, 34(11): 211—224. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.11.017 杨步云, 陈俊涛, 肖明, 2020. 跨断层地下隧洞衬砌结构地震响应及损伤机理研究. 岩土工程学报, 42（11）: 2078—2087 doi: 10.11779/CJGE202011013Yang B. Y. , Chen J. T. , Xiao M. , 2020. Seismic response and damage mechanism of lining structures for underground tunnels across fault. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 42(11): 2078—2087. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202011013 杨涛, 张杰, 林海飞等, 2021. 隔水土层孔隙水压畸变与顶板突水灾变的时空响应特征模拟研究. 采矿与安全工程学报, 38（2）: 317—325Yang T. , Zhang J. , Lin H. F. , et al. , 2021. Spatial-temporal characteristics simulation of pore water pressure in aquiclude and roof water inrush. Journal of Mining & Safety Engineering, 38(2): 317—325. (in Chinese) 禹海涛, 陈功, 2021. 深部富水岩石拱形隧道地震响应解析解. 中南大学学报（自然科学版）, 52（8）: 2783—2792 doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.08.024Yu H. T. , Chen G. , 2021. Analytical solution for seismic response of deep arch tunnels in saturated rock. Journal of Central South University (Science and Technology), 52(8): 2783—2792. (in Chinese) doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.08.024 臧万军, 2017. 汶川地震公路隧道震害规律研究. 现代隧道技术, 54（2）: 17—25Zang W. J. , 2017. Damage to highway tunnels caused by the Wenchuan earthquake. Modern Tunnelling Technology, 54(2): 17—25. (in Chinese) 张海东, 2018. 断层破碎带宽度对逆断层活化规律影响的模拟研究[J]. 煤炭工程, 50（1）: 96—99, 104 doi: 10.11799/ce201801027Zhang H. D. , 2018. Simulation study on the influence of fault zone width on reverse fault activation law. Coal Engineering, 50(1): 96—99, 104. (in Chinese) doi: 10.11799/ce201801027 周佳媚, 程毅, 邹仕伟等, 2019. 断层错动及地震作用下隧道力学特性研究. 铁道标准设计, 63（11）: 138—144Zhou J. M. , Cheng Y. , Zou. S. W. , et al. , 2019. Research on mechanical characteristics of tunnel under fault movement and seismic. Railway Standard Design, 63(11): 138—144. (in Chinese) 朱长安, 李海清, 林国进等, 2012. 断层破碎带隧道地震反应规律的数值模拟研究. 公路, 57（4）: 254—259 doi: 10.3969/j.issn.0451-0712.2012.04.054Zhu C. A. , Li H. Q. , Lin G. J. , et al. , 2012. A study on numerical simulation of seismic response of tunnel in fault-rupture zone. Highway, 57(4): 254—259. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0451-0712.2012.04.054 Mao Z. J. , Wang X. K. , An N. , et al. , 2020. Water leakage susceptible areas in loess multi-arch tunnel operation under the lateral recharge conditions. Environmental Earth Sciences, 79(15): 368. doi: 10.1007/s12665-020-09083-3 -
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