減震層對(duì)跨斷層隧道抗錯(cuò)斷效果的模型試驗(yàn)研究

李守剛

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,蘭州 730000)

地震和斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)跨斷層隧道的影響很大，是引起隧道破壞的主要因素[1]。集集地震[2]、汶川地震[3-5]震后調(diào)查均顯示斷層破碎帶區(qū)隧道襯砌發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，是跨斷層隧道的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，已有諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。信春雷等[6-7]對(duì)跨走滑斷層隧道的 抗減震措施進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究跨走滑斷層隧道的地震破壞特征；何川等[8]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對(duì)隧道穿越斷層破碎帶的震害機(jī)理進(jìn)行了研究；耿萍等[9-10]通過(guò)數(shù)值模擬與振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究穿越斷層破碎帶隧道的合理設(shè)防長(zhǎng)度。而對(duì)于斷層錯(cuò)動(dòng)，主要是由于斷層的蠕滑錯(cuò)動(dòng)引起隧道結(jié)構(gòu)的錯(cuò)斷，即隧道的抗斷問(wèn)題。目前在穿越活斷層時(shí)隧道的抗斷防護(hù)措施主要有設(shè)置減震縫和減震層，其中對(duì)于設(shè)置減震縫的研究較多。劉學(xué)增等[11-13]通過(guò)一系列模型試驗(yàn)研究變形縫與斷層傾角對(duì)跨斷層隧道的影響；王道遠(yuǎn)等[14]通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)減錯(cuò)縫位置對(duì)黏滑斷層隧道的減錯(cuò)效果的影響進(jìn)行了研究；李學(xué)鋒等[15]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)變形縫間距對(duì)跨斷層隧道內(nèi)力的影響進(jìn)行了研究；在減震層設(shè)置方面，崔光耀等[16-17]對(duì)黏滑斷層隧道減錯(cuò)措施參數(shù)對(duì)減錯(cuò)效果的影響進(jìn)行了分析。

以上研究成果對(duì)跨斷層隧道在地震或斷層錯(cuò)動(dòng)作用下隧道襯砌的防護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義，然而對(duì)同時(shí)設(shè)置減震縫和減震層后隧道抗錯(cuò)斷效果，卻研究較少。結(jié)合敦(敦煌)格(格爾木)鐵路闊克薩單線隧道，采用模型試驗(yàn)的方法，研究跨斷層隧道同時(shí)設(shè)置減震縫和減震層后隧道襯砌的變形、襯砌與圍巖間的接觸壓力以及襯砌的破壞特征，為跨斷層區(qū)的隧道設(shè)計(jì)提供參考。

1 依托工程概況與試驗(yàn)方案

1.1 依托工程概況

敦煌至格爾木鐵路闊克薩隧道位于甘肅省阿克塞縣，全長(zhǎng)524 m，最大埋深約為55 m，穿越F2、F3斷層。該斷層為全新世活動(dòng)斷層，滑動(dòng)速率為水平0.16 mm/a、垂直2.4 mm/a，預(yù)測(cè)未來(lái)100年的突發(fā)位錯(cuò)量為水平6.2 m、垂直2.8 m，對(duì)隧道工程影響較大。闊克薩隧道為單線鐵路隧道，采用復(fù)合式襯砌，其中初支為C25的噴射混凝土，厚22 cm，設(shè)置系統(tǒng)錨桿，錨桿長(zhǎng)3 m，鋼架(H175)間距為0.6 m，二襯為C40的鋼筋混凝土，厚度為35 cm。

1.2 工況設(shè)置

分別進(jìn)行了僅設(shè)置減震縫和減震縫+減震層的2組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均在襯砌橫斷面上設(shè)置環(huán)向應(yīng)變片來(lái)測(cè)試斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中隧道橫斷面的受力情況，在圍巖與襯砌之間設(shè)置微型壓力傳感器來(lái)測(cè)試斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中圍巖與襯砌之間的接觸壓力變化情況，探討減震層對(duì)跨斷層隧道的抗錯(cuò)斷效果。

1.3 試驗(yàn)裝置

斷層模型試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)如圖1所示。模型箱長(zhǎng)2.5 m，寬1.5 m，高1.5 m，由不動(dòng)盤(pán)和活動(dòng)盤(pán)(上盤(pán))兩部分組成，其中不動(dòng)盤(pán)部分長(zhǎng)1.3 m，活動(dòng)盤(pán)部分長(zhǎng)1.2 m，不動(dòng)盤(pán)由24個(gè)φ26 mm膨脹螺栓固定，活動(dòng)盤(pán)由活動(dòng)底座和鋼管承載，如圖1(a)、圖1(b)所示?；顒?dòng)盤(pán)(上盤(pán))底部安裝4個(gè)50 kN的千斤頂，通過(guò)千斤頂?shù)纳祦?lái)模擬斷層的錯(cuò)動(dòng)，如圖1(c)所示。

圖1 斷層錯(cuò)動(dòng)模型試驗(yàn)箱

1.4 相似材料

根據(jù)依托工程隧道的斷面尺寸和模型箱條件，確定幾何相似比CL=30。依據(jù)相似定律，確定模型的相似比如表1所示。

表1 試驗(yàn)主要物理量的相似關(guān)系

闊克薩隧道跨斷層段主要為Ⅴ級(jí)圍巖，參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]中Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)的取值范圍和相似比情況，得出原型與模型的物理力學(xué)參數(shù)取值范圍如表2所示。

表2 圍巖原型與模型物理力學(xué)參數(shù)

綜合前人試驗(yàn)中廣泛采用的圍巖相似材料[19-20]以及十多次的正交試驗(yàn)反復(fù)篩選，最終確定圍巖相似材料的配比如表3所示。

表3 圍巖相似材料配比

原型中隧道采用復(fù)合式襯砌，初支為C25噴射混凝土、二襯為C40鋼筋混凝土，在襯砌模型制作中初支和二襯一起考慮。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，石膏的性質(zhì)和混凝土比較接近，均屬脆性材料，且石膏可塑性較強(qiáng)，取材容易，適合制作模型。因此，襯砌采用石膏進(jìn)行制作。石膏的彈性模量約為(0.6～1.0)×103MPa，根據(jù)相似比及正交試驗(yàn)，最終確定膏水比為1.55∶1，彈性模量為744.4 MPa。

1.5 模型制作

模型中襯砌厚20 mm，襯砌分段制作，每段長(zhǎng)度為48 cm，節(jié)段之間設(shè)置減震縫，減震縫使用5 mm厚的橡膠條通過(guò)504膠粘合，使各節(jié)段粘結(jié)成一個(gè)長(zhǎng)隧道模型，減震層采用海綿橡膠板模擬，所采用海綿橡膠的厚度為10 mm，減震層與襯砌之間設(shè)置聚乙烯膜模擬防水板。制作完成后的節(jié)段模型與整體模型如圖2所示。

圖2 隧道模型

1.6 斷層破碎帶模擬

斷層破碎帶處圍巖條件較差，主要特點(diǎn)是破碎、松散、易變性、遇水強(qiáng)度低等。通?？刹捎眉?xì)砂、粉煤灰及云母片的混合料進(jìn)行模擬。由于試驗(yàn)主要研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，因此試驗(yàn)采用兩層PVC塑料板中涂黃油來(lái)模擬斷層的黏滑錯(cuò)動(dòng)。如圖3所示。

圖3 涂抹黃油后的PVC板

1.7 量測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)主要觀測(cè)隧道襯砌在黏滑斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中的受力情況與破壞特征，因此在模型試驗(yàn)中主要測(cè)量了隧道襯砌模型的環(huán)向應(yīng)變和隧道襯砌與圍巖之間的接觸壓力。整個(gè)隧道襯砌共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面距變形縫的距離為10 cm，傳感器布置斷面和橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖4(a)、圖4(b)所示。使用的測(cè)試元件為Bx120-8AA型電阻應(yīng)變片和0.5 MPa微型壓力傳感器，如圖4(c)所示。環(huán)向應(yīng)變片在襯砌拱頂、左邊墻和仰拱位置內(nèi)外表面各布置1片，縱向應(yīng)變片在右邊墻內(nèi)外表面各布置1片，微型壓力盒布置在襯砌監(jiān)測(cè)點(diǎn)的外表面。

圖4 測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置(單位：cm)

由勘察資料知該斷層未來(lái)100年的錯(cuò)動(dòng)量垂直方向?yàn)?.8 m，根據(jù)相似比進(jìn)行換算后可得垂直方向的錯(cuò)動(dòng)量為9.33 cm，因此采用千斤頂加載時(shí)抬升量控制在9.33 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌受力特征的影響

為了研究斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的影響，提取了斷層錯(cuò)動(dòng)前后各測(cè)試斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變峰值以及接觸壓力峰值，計(jì)算了斷層錯(cuò)動(dòng)前后各監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變差值和接觸壓力差值，其變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 斷層錯(cuò)動(dòng)前后環(huán)向應(yīng)變差

圖6 斷層錯(cuò)動(dòng)前后接觸壓力差

從圖5和圖6可以看出，不論是設(shè)置減震縫還是減震縫和減震層相結(jié)合，斷層錯(cuò)動(dòng)均對(duì)跨斷層襯砌節(jié)段(節(jié)段Ⅱ)以及與之相連的襯砌節(jié)段的受力有較大影響。其中以②號(hào)斷面和③號(hào)斷面上的環(huán)向應(yīng)變和接觸壓力最大。隨著距斷層距離的增大，襯砌上的環(huán)向應(yīng)變和接觸壓力逐漸減小，到與跨斷層節(jié)段間隔的節(jié)段(節(jié)段Ⅳ)時(shí)，襯砌受力和接觸壓力基本趨于穩(wěn)定，受斷層錯(cuò)動(dòng)的影響減弱。減震縫與減震層相結(jié)合對(duì)跨斷層隧道的抗錯(cuò)具有一定的減弱作用。與只設(shè)置減震縫相比，減震縫+減震層情況下襯砌環(huán)向應(yīng)變的降低幅度為1.7%～13.9%，以距斷層較近處的監(jiān)測(cè)斷面降低最多。減震層對(duì)接觸壓力的降低作用較為明顯，接觸壓力的降低幅度為7.5%～31%，其中以與斷層較近處的監(jiān)測(cè)斷面處降低幅度較大。

定義斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)為(錯(cuò)動(dòng)后變量-錯(cuò)動(dòng)前變量)/錯(cuò)動(dòng)前變量，其變化如圖7和圖8所示。

圖7 斷層錯(cuò)動(dòng)環(huán)向應(yīng)變影響系數(shù)

圖8 斷層錯(cuò)動(dòng)接觸壓力影響系數(shù)

從圖7和圖8可以看出，斷層錯(cuò)動(dòng)使隧道的受力明顯增大。其中只設(shè)置減震縫時(shí)環(huán)向應(yīng)變的增大倍數(shù)在4.9～15.1，接觸壓力的增大倍數(shù)在1.9～5.8；減震縫與減震層相結(jié)合時(shí)環(huán)向應(yīng)變的增大倍數(shù)在4.8～14.2，接觸壓力的增大倍數(shù)在1.4～5.6；與只設(shè)減震縫相比，環(huán)向應(yīng)變最大降低了11.7%，接觸壓力最大降低了11.9%。影響最大的區(qū)域?yàn)榕c跨斷層節(jié)段相連的區(qū)域。

2.2 斷層錯(cuò)動(dòng)引起地表和襯砌的破壞特征

斷層錯(cuò)動(dòng)過(guò)程中，兩種工況在跨越斷層位置處地表均出現(xiàn)了裂縫，如圖9所示。所不同的是，只設(shè)減震縫工況時(shí)地表裂縫較多，而減震縫+減震層工況時(shí)產(chǎn)生的裂縫較少，只有1條主要裂縫。由此可以看出，減震層可以減小地層位移，從而降低對(duì)地表的破壞程度。

圖9 斷層錯(cuò)動(dòng)后地表裂縫分布

斷層錯(cuò)動(dòng)后，兩種工況下跨斷層襯砌(節(jié)段Ⅱ)和與之相連的襯砌(節(jié)段Ⅰ、Ⅲ)均發(fā)生了不同程度的破壞，其中以節(jié)段Ⅱ襯砌破壞最為嚴(yán)重，節(jié)段Ⅲ次之，破壞特征如圖10、圖11所示。

圖10 節(jié)段Ⅱ襯砌裂縫分布

圖11 節(jié)段Ⅲ襯砌裂縫分布

不設(shè)減震層時(shí)，節(jié)段Ⅱ襯砌在拱頂位置處出現(xiàn)了1條寬度為2 mm的縱向裂縫，貫穿整個(gè)襯砌模型，將模型拱頂一分為二，且在拱腳和邊墻位置處發(fā)生了錯(cuò)段，破壞嚴(yán)重；當(dāng)設(shè)置減震層后，節(jié)段Ⅱ襯砌在拱頂處也出現(xiàn)了1條貫通裂縫，但裂縫寬度較小，且在邊墻和仰拱交界位置處只產(chǎn)生了縱向裂縫，并沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)斷。同樣，節(jié)段Ⅲ襯砌節(jié)段在設(shè)置減震層時(shí)其裂縫條數(shù)和寬度均小于不設(shè)減震層時(shí)的情況。說(shuō)明減震層的設(shè)置對(duì)跨斷層隧道襯砌防錯(cuò)斷具有較好的效果。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)跨斷層隧道設(shè)置減震縫、減震縫+減震層的兩種工況在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)襯砌的受力和破壞情況的模型試驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)在設(shè)置和不設(shè)置減震層情況下，跨越斷層的隧道節(jié)段以及與之相連的節(jié)段受斷層錯(cuò)動(dòng)的影響均較大，是跨斷層隧道抗錯(cuò)斷的重點(diǎn)設(shè)防部位。

(2)設(shè)置減震層后，襯砌的環(huán)向應(yīng)變和接觸壓力均有所減小，環(huán)向應(yīng)變減小1.7%～13.9%，接觸壓力減小7.5%～31%，接觸壓力減小的幅度較應(yīng)變減小的幅度大。

(3)在不設(shè)置減震層時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)引起襯砌應(yīng)變?cè)龃?.9～15.1倍，接觸壓力增大1.9～5.8倍；設(shè)置減震層后，斷層錯(cuò)動(dòng)引起襯砌應(yīng)變?cè)龃?.8～14.2倍，接觸壓力增大1.4～5.6倍。

(4)設(shè)置減震層后，跨斷層節(jié)段以及與之相連的節(jié)段襯砌破壞情況明顯減弱，減震層的設(shè)置對(duì)跨斷層隧道襯砌防錯(cuò)斷具有較好的效果。

(5)經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)與理論分析，闊克薩隧道在設(shè)計(jì)中采用了加固圍巖、設(shè)置柔性接頭和超挖的3種設(shè)計(jì)理念。其中隧道襯砌每隔18 m設(shè)置1道變形縫，并采用φ42 mm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿，加固圈為開(kāi)挖輪廓線外3.7 m。