穿越東非大裂谷內(nèi)馬鐵路隧道的抗震分析及斷層位錯(cuò)設(shè)計(jì)*

宋成輝 李 偉 蔣富強(qiáng) 安愛軍

（①中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100088，中國(guó)）

（②中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京100029，中國(guó)）

0 引 言

內(nèi)羅畢—馬拉巴鐵路工程是東非經(jīng)濟(jì)發(fā)展主干線的組成部分，一期工程內(nèi)羅畢至納瓦沙段已經(jīng)于2019年10月通車運(yùn)營(yíng)。內(nèi)馬鐵路穿越東非大裂谷活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其線路與工程地質(zhì)的關(guān)系在（宋成輝等，2020）中已詳細(xì)說明。本文以內(nèi)馬鐵路恩貢隧道為例，主要介紹穿越東非大裂谷隧道抗震研究與斷層位錯(cuò)設(shè)計(jì)。

2008年5月汶川地震后，許多學(xué)者對(duì)強(qiáng)震下隧道響應(yīng)進(jìn)行了研究。Wang et al.（2008）通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)M隧道的地震響應(yīng)，分析了累積損傷和裂紋效應(yīng)；高波等（2009）對(duì)汶川地震隧道的破壞進(jìn)行了調(diào)查研究；申玉生等（2009）進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究高烈度地區(qū)隧道的破壞形態(tài)；孫鐵成等（2009）通過數(shù)值模型，分析了隧道在強(qiáng)震下的動(dòng)力響應(yīng)；Wang et al.（2008）研究了隧道抗震的柔性襯砌；王明年等（2012）出版了隧道的抗震和減震專著；胡輝等（2013）對(duì)隧道的減震系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。劉云等（2016）通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)穿越斷層隧道的地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為隧道的橫斷面破壞程度遠(yuǎn)大于縱向，斷層隧道接縫處將產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)，襯砌圍巖動(dòng)土壓力具有兩側(cè)大、上下小的特點(diǎn)，裂縫在頂部和底部由內(nèi)向外發(fā)展，腰部?jī)蓚?cè)由外向內(nèi)發(fā)展。孫風(fēng)伯等（2018）對(duì)穿越活斷層設(shè)置的抗震縫進(jìn)行了模型試驗(yàn)，認(rèn)為設(shè)置了抗震縫的隧道縱向破壞小，應(yīng)變降低，能夠減小剪切破壞。張?jiān)骑w等（2019）采用物理模型試驗(yàn)，研究了隧道在斷層位錯(cuò)下應(yīng)變響應(yīng)。目前隧道抗震設(shè)計(jì)大多停留在理論研究階段，且沒有斷層位錯(cuò)發(fā)生后如何處理的研究資料，穿越東非大裂谷交通工程的研究資料更是十分匱乏。內(nèi)馬鐵路穿越東非大裂谷是世界首例穿越大裂谷的鐵路工程。本文通過對(duì)內(nèi)馬鐵路隧道穿越東非大裂谷活動(dòng)斷裂帶的隧道抗震分析和斷層位錯(cuò)處理，為我國(guó)即將開展川藏鐵路隧道的勘察和設(shè)計(jì)提供借鑒和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 隧道的減震研究及設(shè)計(jì)

1.1 隧道的圍巖地質(zhì)

內(nèi)馬鐵路恩貢隧道位于內(nèi)羅畢恩貢鎮(zhèn)西北部，為東非大裂谷東翼山區(qū)邊緣地帶，隧道全長(zhǎng)4507im，洞身最大埋深約108im，圍巖主要為第四系更新統(tǒng)粗面巖，受斷裂構(gòu)造及風(fēng)化作用的相互交叉影響，巖體節(jié)理、裂隙極發(fā)育，其產(chǎn)狀、性質(zhì)及發(fā)育程度各不相同，地層風(fēng)化不均勻（圖1）。工程場(chǎng)地為8度0.20ig區(qū)Ⅱ類場(chǎng)地。隧道穿越F14-2斷層帶，斷層帶寬20im，百年垂直位移錯(cuò)量0.9im，水平位移錯(cuò)量＜0.1im，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道初支采用格柵＋錨噴混凝土，二襯采用C40模筑鋼筋混凝土，二襯厚度45icm，埋深80im，屬于深埋隧道。

圖1 地質(zhì)縱剖面圖Fig.1 The geological section map

1.2 抗減震方法分析

山嶺隧道常用的減震方法有：加固圍巖、設(shè)置減震裝置、減小質(zhì)量、增加強(qiáng)度、增加阻尼和調(diào)整剛度等。在設(shè)計(jì)中本項(xiàng)目采用的抗震和減震措施如下：

（1）加固圍巖方法，在設(shè)計(jì)中充分利用初期支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，并做好初支與二襯結(jié)構(gòu)之間注漿密實(shí)，使得隧道二襯結(jié)構(gòu)與圍巖變形協(xié)調(diào)一致。

（2）調(diào)整隧道的剛度方法，在設(shè)計(jì)中通過對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算，配置二襯抗震鋼筋來增加隧道二襯抗震剛度，抵抗地震作用的變形。

（3）將穿越活動(dòng)斷裂帶的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成鏈條一樣的特性。使得隧道結(jié)構(gòu)隨著地震作用和斷層位錯(cuò)，自動(dòng)調(diào)整本身的變形，起到抗震消能作用。

其他減震措施，例如隧道結(jié)構(gòu)外包輕骨料泡沫混凝土，需要擴(kuò)挖隧道斷面，投資增大，增加了工期，且隧道二襯結(jié)構(gòu)與圍巖之間如果不能填充密實(shí)，造成隧道二襯結(jié)構(gòu)與圍巖變形不能協(xié)調(diào)，反而造成極大負(fù)面影響，因此在設(shè)計(jì)中不考慮采用。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)的鏈條減震設(shè)計(jì)

穿越活動(dòng)斷層隧道往往伴隨地震高發(fā)區(qū)，隧道設(shè)計(jì)不僅要考慮地震的扭斷和張拉，同時(shí)要考慮斷層位錯(cuò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)作用，為了解決斷層位錯(cuò)和地震位移對(duì)隧道現(xiàn)澆鋼筋混凝土的作用，將隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成具有鏈條鉸鏈一樣的特性（圖2），使得隧道現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著斷層位錯(cuò)和地震作用，自動(dòng)調(diào)整變形起到抗震消能作用，而不會(huì)導(dǎo)致整體性破壞。

圖2 穿越斷層帶鏈條狀隧道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Chain-like tunnel through fault zone

（1）F14-2斷層，斷層寬度20im，百年垂直位移錯(cuò)量0.9im，水平位移錯(cuò)量＜0.1im，因此接頭設(shè)計(jì)應(yīng)以斷層位錯(cuò)量為主進(jìn)行考慮，穿越20im寬斷層帶可設(shè)置6道變形縫，變形縫寬建議150imm，如果減小隧道節(jié)段長(zhǎng)度，可以減小變形縫寬度，過小的隧道節(jié)段長(zhǎng)度又給施工帶來不便，同時(shí)也為防水帶來更多投入，結(jié)合二襯模筑混凝土分段長(zhǎng)度，建議采用6im一段較為合理。

（2）變形縫內(nèi)止水帶可以采用“W”型三元乙丙橡膠止水帶（圖3），“W”型止水帶具有較大變形量，硫化三元乙丙橡膠具有遇水膨脹，緊密填充縫隙，拉伸強(qiáng)度高，耐水、耐老化、耐腐蝕，使用溫度范圍廣等特性；遇水膨脹膩?zhàn)訔l在遇水后產(chǎn)生2～3倍的膨脹變形，并充滿接縫的所有不規(guī)則表面、空穴及間隙，同時(shí)產(chǎn)生巨大的接觸壓力，徹底防止?jié)B漏；變形縫內(nèi)設(shè)置低發(fā)泡聚乙烯厚泡沫襯墊板，防止擠壓損壞結(jié)構(gòu)，起到消能減震作用；隧道二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)變形縫采用納米硅防水膠嵌縫，納米硅防水膠具有優(yōu)良的滲透結(jié)晶防水性和較好的黏附性，既能夠防水又能防止嵌縫止水膠條掉落危及行車安全。

圖3 變形縫柔性接頭Fig.3 Flexible joint of deformation seam

2 強(qiáng)震下穿活動(dòng)斷層隧道的響應(yīng)分析

2.1 抗震設(shè)防和結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)

鐵路工程作為重點(diǎn)設(shè)防類，使用年限100ia工程。我國(guó)和日本鐵路隧道抗震規(guī)范均采用三級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)和三級(jí)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；美國(guó)采用四級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，四級(jí)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)；歐洲抗震設(shè)計(jì)采用二級(jí)抗震設(shè)防水準(zhǔn)，二級(jí)結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)。這些結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)均基于力和位移驗(yàn)算方法。國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111）（2009版）規(guī)定：性能要求Ⅰ和性能要求Ⅱ，采用多遇地震和設(shè)計(jì)地震作用進(jìn)行抗震計(jì)算，驗(yàn)算隧道二襯強(qiáng)度和穩(wěn)定性；對(duì)于罕遇地震抗震設(shè)防水準(zhǔn)，滿足性能要求Ⅲ，通常采用動(dòng)力時(shí)程驗(yàn)算隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。限于篇幅，本文對(duì)于前兩級(jí)抗震設(shè)防和結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和配置抗震鋼筋等例行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程不做特別說明。本文主要介紹罕遇地震下滿足結(jié)構(gòu)性能要求Ⅲ分析研究。

2.2 動(dòng)力分析的模型邊界

2.2.1 黏性邊界條件

由于大地是半平面無限空間問題，地下修建的隧道被無限的介質(zhì)所包圍，如果采用固定邊界，在動(dòng)態(tài)問題中，這樣的邊界條件會(huì)使向外傳播的波反射回模型中。因此采用黏滯邊界，通過在邊界的法線方向和水平方向上設(shè)置獨(dú)立的黏壺以便吸收來自模型內(nèi)部的入射波（劉書等，1999；Itasca Consulting group，2012）。

黏壺的法向黏滯力fn和剪切黏滯力fs的計(jì)算公式為：

式中：vn、vs分別為邊界上的法向和切向速度分量；ρ為密度；Cp、Cs分別為P波和S波的波速。

2.2.2 自由邊界條件

為了模擬半平面地下無限遠(yuǎn)場(chǎng)，防止地震波反射和折射，在計(jì)算模型周圍施加自由場(chǎng)，在自由場(chǎng)與主場(chǎng)之間設(shè)置黏壺（圖4）（Itasca Consulting group，2012）。該方法的原理是主場(chǎng)網(wǎng)格計(jì)算與自由場(chǎng)網(wǎng)格計(jì)算并行，主網(wǎng)格的橫向邊界通過黏弧耦合到自由場(chǎng)網(wǎng)格，將自由場(chǎng)網(wǎng)格中的不平衡力作用于主網(wǎng)格邊界。通過這樣方法來模擬無限遠(yuǎn)場(chǎng)。自由場(chǎng)和主場(chǎng)邊界關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：Fx為作用于主場(chǎng)邊界x軸法向上自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的不平衡力；Fy為作用于主場(chǎng)邊界y軸法向上自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的不平衡力；Fz為作用于主場(chǎng)邊界z軸法向上自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的不平衡力；ρ為沿模型邊界垂直方向的材料密度；Cp為側(cè)邊界上P波波速；Cs為側(cè)邊界上剪切波速；A為自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)影響面積；為主場(chǎng)邊界節(jié)點(diǎn)x向速度分量；為主場(chǎng)邊界節(jié)點(diǎn)y向速度分量；為主場(chǎng)邊界節(jié)點(diǎn)z向速度分量；為自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)x向速度分量；為自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)y向速度分量；為自由場(chǎng)節(jié)點(diǎn)z向速度分量；為自由場(chǎng)x向應(yīng)力分量產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)力；為自由場(chǎng)y向應(yīng)力分量產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)力；為自由場(chǎng)z向應(yīng)力分量產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)力。

圖4 地震動(dòng)力邊界示意圖Fig.4 Seismic dynamic boundary diagram

通過設(shè)置黏彈性邊界吸收地震波能量，設(shè)置自由邊界條件防止地震波反射和折射，從而達(dá)到模擬無限遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。

2.3 地震波合成

由于內(nèi)馬鐵路無地震監(jiān)測(cè)波資料，計(jì)算的地震波采用《馬拉巴鐵路CK0-CK120段地震危險(xiǎn)性分析報(bào)告》（李小軍等，2016）提供的反應(yīng)譜，人工合成100ia超越概率2%加速度時(shí)程（圖5）。該方法是用一組三角級(jí)數(shù)之和，構(gòu)造一個(gè)近似的功率譜密度函數(shù)的平穩(wěn)高斯過程，然后乘以強(qiáng)度包絡(luò)線，得到非平穩(wěn)的地震加速度時(shí)程（程偉，2000）。

圖5 100ia超越概率2%加速度時(shí)程曲線圖Fig.5 Time-history curve of acceleration beyond 2%probability in 100 years

根據(jù)加速度時(shí)程，通過積分得到100ia超越概率2%基巖水平位移時(shí)程，積分顯示本工程場(chǎng)地的基地基巖位移震動(dòng)最大振幅0.6im（圖6）。

圖6 100ia超越概率2%位移時(shí)程曲線圖Fig.6 Time-history curve of displacement beyond 2%probability in 100 years

2.4 計(jì)算模型及輸入

2.4.1 隧道圍巖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

計(jì)算模型范圍選取F14-2斷層附近隧道縱向100im，隧道豎向計(jì)算底部取弱風(fēng)化粗面巖，上部取至地表。計(jì)算軟件采用美國(guó)ITASCA公司產(chǎn)品有限差分程序FLAC3D建立三維模型（圖7）。斷裂帶在模擬中作為強(qiáng)風(fēng)化的巖體，采用實(shí)體單元建模，并在斷裂帶兩端設(shè)置為接觸面（圖8），接觸面法向剛度取巖體剛度，剪切剛度取強(qiáng)風(fēng)化巖體的黏結(jié)強(qiáng)度。隧道襯砌采用彈性模型，地層采用莫爾－庫侖力學(xué)模型，根據(jù)勘察提供巖土物理力學(xué)參數(shù)（表1）輸入計(jì)算模型。采用瑞雷阻尼，模型自振頻率4iHz，巖體阻尼取0.2，進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。

圖7 穿越斷層隧道數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Numerical calculation model of tunnel through fault

表1 圍巖及襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock and lining concrete

2.4.2 隧道鏈條結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)的計(jì)算模型

隧道鏈條結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)中將隧道結(jié)構(gòu)分為多個(gè)節(jié)段，每6im設(shè)置一道變形縫，節(jié)段之間的變形縫設(shè)置柔性接頭，變形縫采用巖石力學(xué)中的接觸面力學(xué)模型圖9模擬（Liu，et al.，1999），力學(xué)表達(dá)方程：

圖8 穿越斷層帶鏈條狀隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值模型Fig.8 Numerical model of chain tunnel structure across fault zone

圖9 接觸單元本構(gòu)模型示意圖Fig.9 Diagram of contact element constitutive model

接觸面的法向剛度kn采用C40混凝土彈性模量32.5iGPa，接觸面剪切模量Ks為0，建立鏈條狀隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型如圖8。

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111）規(guī)定：“驗(yàn)算鐵路工程的抗震強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性時(shí)，一般情況下可不計(jì)豎向地震的作用”，本文為了避免同時(shí)輸入豎向地震與水平地震疊加和干擾，在隧道橫向上輸入水平地震作用來研究地震響應(yīng)規(guī)律。本工程場(chǎng)地為Ⅱ類，為剛性基底，采用100ia超越概率2%加速度時(shí)程在模型底部的水平方向輸入，計(jì)算時(shí)間取地震持時(shí)30is。根據(jù)傅里葉變換地震波能量主頻率集中在1～5iHz，Ⅱ類工程場(chǎng)地波速＞800im·s－1，由于穿越活動(dòng)斷裂帶隧道計(jì)算模型小，遠(yuǎn)小于1／4波長(zhǎng)，不考慮地震波的相位差、波長(zhǎng)、振幅、頻率的非一致性，因此在模型底部沿隧道軸向按一致性輸入水平地震動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。但對(duì)于長(zhǎng)大隧道，地震作用存在非一致性，即相位差、波長(zhǎng)、振幅、頻率均不相同，計(jì)算中不能忽略地震作用的非一致性。

2.5 動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果分析

2.5.1 隧道拱頂加速度監(jiān)測(cè)

在隧道拱頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，拱頂水平和豎向加速度隨地震持續(xù)時(shí)間的變化曲線（圖10，圖11）。

圖10 拱頂水平加速度時(shí)程Fig.10 Time-history of horizontal acceleration of the top arch

圖11 拱頂豎向加速度時(shí)程Fig.11 Time-history of vertical acceleration of top arch

圖10 顯示計(jì)算結(jié)果隧道拱頂最大水平加速度峰值約5.5im·s－2，100ia超越概率2%基巖水平加速度最大峰值為0.4im·s－2，隧道結(jié)構(gòu)與基巖相比，加速度放大系數(shù)為1.375，分析這種情況，可能因?yàn)樗淼纼?nèi)部空間為無約束臨空面的原因，使得隧道結(jié)構(gòu)加速度放大，因此，應(yīng)做好隧道結(jié)構(gòu)與圍巖注漿充填密實(shí)，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)平滑圓順；圖11顯示水平地震產(chǎn)生隧道拱頂豎向加速度峰值約3im·s－2，盡管只輸入水平地震，仍然在地質(zhì)體中產(chǎn)生豎向地震作用，大致為水平作用的0.5倍。

2.5.2 隧道拱頂位移監(jiān)測(cè)

隧道拱頂和仰拱設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)拱頂和仰拱的水平位移和豎向位移隨地震持續(xù)時(shí)間的變化曲線（圖12，圖13）。

圖12 拱頂和仰拱水平位移時(shí)程Fig.12 Time-history of horizontal displacement of top and bottom arch

圖13 拱頂豎向位移時(shí)程Fig.13 Time-history of vertical displacement of top arch

圖12 顯示隧道襯砌拱頂水平位移最大振幅0.58im，而基巖位移最大振幅0.6im，分析這種情況的原因，是因?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)剛度比圍巖大，所以變形位移稍小，因此抗震設(shè)計(jì)中加大隧道結(jié)構(gòu)的剛度，配置抗震鋼筋抵抗地震作用的變形。另外，隧道拱頂水平位移曲線與隧道仰拱水平位移曲線重合，說明隧道隨地質(zhì)體一起震動(dòng)，盡管振幅較大，但是拱頂與仰拱位移差很小，幾乎為0，隧道地震下位移角也近于0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1／550的位移角規(guī)定，因此該隧道在強(qiáng)震下不會(huì)整體破壞，滿足抗震設(shè)防要求；圖13計(jì)算隧道襯砌拱頂豎向位移最大振幅0.012im，拱頂豎向位移振幅很小。

2.5.3 地震持續(xù)30is后隧道累計(jì)變形

計(jì)算100ia超越概率2%加速度時(shí)程作用在模型底部的水平方向，計(jì)算地震持續(xù)30is后累計(jì)變形（圖14，圖15）。

圖14 地震作用30is下隧道二襯水平位移云圖Fig.14 Horizontal displacement cloud image of tunnel lining for seismic action 30 seconds

圖15 地震作用30is下隧道二襯豎向位移云圖Fig.15 Vertical displacement cloud map of tunnel lining for seismic action 30 seconds

根據(jù)圖14，水平地震作用持續(xù)30is后隧道結(jié)構(gòu)位移云圖分布看出，斷層帶內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)累積位移0.4im，斷層帶兩側(cè)累積位移0.3996im，相對(duì)累積位移差為0.4imm。圖15隧道二襯豎向位移斷層帶內(nèi)上盤下降11imm，兩側(cè)斷層下盤上升5imm，相對(duì)累積位移差16imm。說明隧道隨地質(zhì)體一起震動(dòng)，相對(duì)位移差很小，因此地下結(jié)構(gòu)更有利于抗震。隧道在強(qiáng)震下不出現(xiàn)整體倒塌，處于彈塑性工作階段，滿足性能要求Ⅲ。

2.5.4 隧道拱頂應(yīng)力監(jiān)測(cè)

隧道拱頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，拱頂水平和豎向應(yīng)力隨地震持續(xù)時(shí)間的變化曲線如圖16，圖17所示。

圖16 拱頂水平應(yīng)力時(shí)程Fig.16 Time-history of horizontal stress of the vault

圖16 顯示斷層帶隧道襯砌拱頂水平壓應(yīng)力最大振幅5iMPa；圖17顯示豎向壓應(yīng)力最大振幅0.8iMPa。隧道二襯結(jié)構(gòu)采用模筑C40混凝土，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值26.8iMPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39iMPa。通過配置受拉鋼筋、設(shè)置抗震構(gòu)造，隧道結(jié)構(gòu)能夠滿足性能要求Ⅲ。

圖17 拱頂豎向應(yīng)力時(shí)程Fig.17 Time-history of vertical stress of top arch

圖18 變形縫拱頂張開位移時(shí)程Fig.18 Opening displacement time-history of deformation joint

圖19 變形縫拱頂錯(cuò)開位移時(shí)程Fig.19 Stagger displacement time-history of deformation joint

2.5.5 變形縫位錯(cuò)分析

在隧道的變形縫設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)變形縫的張開和位錯(cuò)隨地震持續(xù)時(shí)間的變化曲線（圖18，圖19）。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，變形縫最大張開位移0.002imm（圖18），最大錯(cuò)開位移0.004imm（圖19），變形縫張開、錯(cuò)開位移很小，由于隧道結(jié)構(gòu)受到圍巖約束，盡管隧道隨地質(zhì)體震動(dòng)絕對(duì)位移很大，但隧道結(jié)構(gòu)本身相對(duì)變形位移很小，這也證明了地下結(jié)構(gòu)受到地震影響比地上結(jié)構(gòu)小，因此線路盡量采用隧道穿越活動(dòng)斷層更為有利。

2.5.6 地震持續(xù)30is后隧道二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力

計(jì)算100ia超越概率2%加速度時(shí)程作用在模型底部的水平方向，計(jì)算地震持續(xù)30is后隧道二襯結(jié)構(gòu)累計(jì)應(yīng)力（圖20）。

圖20 地震作用30is下隧道二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖Fig.20 Stress cloud image of tunnel lining for seismic action 30 seconds

斷層帶內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置環(huán)向變形縫，計(jì)算結(jié)果顯示變形縫設(shè)置區(qū)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布明顯較小，變形縫設(shè)置區(qū)隧道等效應(yīng)力0.89～6iMPa，而在模型兩端隧道結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力為8～17iMPa（圖19），這是因?yàn)閮啥思s束引起集中效應(yīng)。隧道內(nèi)部二襯結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，極限抗壓強(qiáng)度29.5iMPa，極限抗拉強(qiáng)度3.7iMPa，配置受拉、抗剪鋼筋的鋼筋混凝土二襯強(qiáng)度能夠滿足抗震需要，從而保證隧道結(jié)構(gòu)不會(huì)造成整體垮塌，震后可修復(fù)。

3 穿越活動(dòng)斷層帶隧道位錯(cuò)設(shè)計(jì)處理

活動(dòng)斷層帶兩側(cè)斷盤的位錯(cuò)又往往導(dǎo)致地震，地震又引發(fā)兩盤的位錯(cuò)。地震作用會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生張拉、擠壓、扭轉(zhuǎn)和剪切作用；斷層位錯(cuò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生張拉和剪切，同時(shí)造成隧道內(nèi)限界減小，使得隧道失去正常的通行功能。因此在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要考慮地震作用，還要考慮斷層的位錯(cuò)作用。

3.1 擴(kuò)挖隧道斷面

擴(kuò)挖隧道斷面是簡(jiǎn)單有效的位錯(cuò)處理對(duì)策（圖21）。擴(kuò)挖范圍過大又會(huì)增加工程造價(jià)，延長(zhǎng)建設(shè)工期，因此擴(kuò)挖斷面應(yīng)根據(jù)斷層位錯(cuò)量大小、斷層特點(diǎn)、線路坡度和接觸網(wǎng)綜合考慮設(shè)計(jì)。影響最大的斷層為F14-2斷層，與隧道軸向近于正交，斷層寬度20im，百年垂直位移錯(cuò)量0.9im，水平位移錯(cuò)量＜0.1im。

圖21 隧道擴(kuò)挖示意圖Fig.21 The sketch of tunnel expansion

3.1.1 確定限界

本線為單線隧道，內(nèi)燃機(jī)牽引，預(yù)留電化條件等要求。隧道建筑限界按《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》之“雙層集裝箱運(yùn)輸橋隧建筑限界圖（電力牽引區(qū)段）”制定。接觸網(wǎng)導(dǎo)線最低高度6330imm，接觸網(wǎng)尺寸為700imm（彈性懸掛），按25ikV帶電體與固定接地體間隙為300imm，上部施工允許誤差30imm，海拔高度對(duì)空氣絕緣間隙修正值40imm，計(jì)算隧道基本建筑限界高度為7370imm，設(shè)計(jì)隧道基本建筑限界高7400imm?？紤]運(yùn)營(yíng)后活動(dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)后維修難度大、費(fèi)用高，高度加高20icm，單側(cè)加寬25icm，擬合單洞隧道斷面如圖22。斷裂帶百年水平位錯(cuò)量均小于10icm，因此即使曲線隧道地段發(fā)生了水平位錯(cuò)，設(shè)計(jì)斷面寬度限界亦能滿足限界需求。

圖22 隧道建筑限界與內(nèi)輪廓圖（單位：cm）Fig.22 The tunnel sketch of building boundary and inside outline（unit：cm）

3.1.2 軌下擴(kuò)挖斷面擬定

穿越斷層帶的隧道結(jié)構(gòu)，根據(jù)位錯(cuò)量的大小，設(shè)計(jì)中軌下斷面加深45icm（圖23）。加深的部分在位錯(cuò)發(fā)生前回填道砟，以滿足現(xiàn)階段線路坡度的需要；位錯(cuò)發(fā)生后，開挖道面，減小回填道砟厚底，調(diào)整線路坡度。

圖23 軌下擴(kuò)挖斷面圖（單位：cm）Fig.23 The tunnel extension section under rail（unit：cm）

3.2 調(diào)整接觸網(wǎng)

隧道內(nèi)接觸網(wǎng)采用弓形腕臂接觸網(wǎng)（圖24），當(dāng)斷層帶發(fā)生位錯(cuò)后，通過調(diào)整接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度，采用剛性懸掛（圖25）代替弓形腕臂，結(jié)構(gòu)高度可由700imm調(diào)整到400imm，絕緣距離由500imm調(diào)整為規(guī)定的困難值300imm，通過調(diào)整接觸網(wǎng)絕緣距離和懸掛方式消除50icm位錯(cuò)量。

圖24 弓形腕臂接觸網(wǎng)（單位：mm）Fig.24 Bow wrist arm catenary（unit：mm）

3.3 線路調(diào)坡措施

如果斷層位錯(cuò)發(fā)生后，豎向最大位錯(cuò)量90icm，根據(jù)正斷層帶上盤相對(duì)下降、下盤相對(duì)上升的特點(diǎn)，在正斷層上盤隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)道面進(jìn)行抬升，斷層帶下盤隧道內(nèi)道面下降的原則，即斷層帶下盤隧道開挖軌下斷面增挖45icm，減小道砟厚度，而在上盤采用軌下斷面回填45icm，增加道砟回填厚度，將線路原設(shè)計(jì)坡度7‰調(diào)整為11.5‰（圖26），通過調(diào)坡消除隧道內(nèi)40icm位錯(cuò)量。

圖25 剛性懸掛接觸網(wǎng)（單位：mm）Fig.25 Rigid suspension catenary（unit：mm）

圖26 線路坡度調(diào)整示意圖Fig.26 Schematic of line slope adjustment

通過這兩項(xiàng)調(diào)整平衡斷層帶90icm的豎向位錯(cuò)量，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)線路正常通行條件，而不用改建隧道二襯結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論和建議

（1）隧道結(jié)構(gòu)震動(dòng)存在加速度放大效應(yīng)，隧道結(jié)構(gòu)輪廓線要設(shè)計(jì)平滑圓順，結(jié)構(gòu)與圍巖要注漿充填密實(shí)，防止出現(xiàn)震動(dòng)差異和放大效應(yīng)的危害；增加隧道結(jié)構(gòu)的剛度，配置抗震鋼筋，減小隧道結(jié)構(gòu)的變形。

（2）隧道結(jié)構(gòu)受圍巖約束隨地質(zhì)體一起震動(dòng)，盡管振幅較大，但相對(duì)變形很小；鏈條狀的隧道結(jié)構(gòu)，能夠很好地起到抗震消能作用，防止整體性倒塌和破壞。

（3）斷層位錯(cuò)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)斷層特點(diǎn)、接觸網(wǎng)的方式，綜合考慮制定隧道斷面擴(kuò)挖尺寸。位錯(cuò)發(fā)生后通過開挖斷層帶下盤隧道軌下斷面，回填上盤隧道軌下斷面，調(diào)整線路設(shè)計(jì)坡度和接觸網(wǎng)，消除斷層帶內(nèi)隧道的位錯(cuò)量。