穿越活動斷裂帶隧道抗錯斷措施研究

朵生君，李國良，張 景

(1. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，西安 710043；2. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司的總體安排及規(guī)劃，川藏鐵路東部起始于四川省成都市，向西途徑雅安、康定、昌都、林芝，西止于西藏拉薩，新建線路總長度大約為1 567.37 km[1]，川藏鐵路沿線地震活動強烈、地震頻發(fā)，是影響工程安全的主要地質(zhì)災害，自有記載以來，至少發(fā)生了7級以上地震22次以上[2].國內(nèi)外諸多案例表明，穿越活動斷裂帶隧道極其容易產(chǎn)生嚴重的破壞[3-5].活動斷層的運動分為粘滑運動和蠕滑運動，活動斷層從粘結(jié)到瞬間發(fā)生滑移的這一過程被稱為粘滑，與其相對應(yīng)的另外一種相對運動較為緩慢的方式叫蠕滑，二者區(qū)別就在于蠕滑沒有從粘結(jié)到瞬間發(fā)生滑移，引起地層發(fā)生瞬時的脆性斷裂，而是以較穩(wěn)定的速率蠕動，粘滑運動導致的脆性斷裂會在瞬間釋放巨大能量，引起地震.而川藏線沿線的有諸多活動斷裂帶，根據(jù)目前的勘探結(jié)果顯示，多數(shù)斷裂兼具走滑和逆沖的活動性質(zhì)[6]，且具有明顯的年平均位移速率，雖然蠕滑導致的兩盤相對位移較小，但隨著時間不斷累積，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性仍有威脅.

國內(nèi)外許多學者對蠕滑斷裂帶對隧道的影響規(guī)律展開了研究，蠕滑活動對隧道安全的影響與斷層傾角、活動斷裂帶寬度以及活動斷裂帶的運動方式有關(guān)[7-9]，國內(nèi)外規(guī)范針對活動斷裂的處理原則，首先考慮避讓，無法避讓時，應(yīng)選擇大角度穿越[10].而受限于地理條件，通麥隧道只能以小角度穿越F48嘉黎-迫龍藏布斷裂，這給隧道的設(shè)計和施工都帶來了巨大挑戰(zhàn)，因此，基于通麥隧道的初步設(shè)計資料，提出了兩種穿越活動斷層的抗錯斷措施，通過數(shù)值模擬計算二者的抗錯斷效果，從而為隧道的抗錯斷措施研究以及相似工程的設(shè)計提供參考.

1 計算模型及參數(shù)

1.1 工程概況

通麥隧道位于西藏自治區(qū)南部東段波密縣通麥鎮(zhèn)，整體上沿G318國道北側(cè)展布，與國道相距最遠處約3.7 km.進口為茶隆隆巴曲左岸，道路交通不便，出口為通麥小集鎮(zhèn).隧道洞身段不良地質(zhì)類型較多，分別為巖爆、大變形、高地溫、活動斷裂、高瓦斯氣體等.最新地質(zhì)資料顯示，洞身強烈?guī)r爆段800 m，50～60 ℃中高溫段2 580 m，二級大變形段135 m，高瓦斯氣體855 m以及近出口段穿越415 m長活動斷裂帶，隧道出口端與通麥車站相連，該區(qū)域地形地貌受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的控制，山脈總體走向與構(gòu)造跡線一致，總體地勢北高南低，地形起伏較大.通麥隧道地理位置如圖1所示.

圖1 通麥隧道地理位置圖示Fig.1 Location of Tongmai tunnel

隧道所在區(qū)域地處念青唐古拉山東段，為青藏高原東南部隆升及河流切割最為強烈的地區(qū)之一，Ⅱ類場地條件下通麥隧道沿線50年超越概率10%地震動加速度峰值0.20 g，地震基本烈度為Ⅷ度，在通麥隧道出口段DK1166+395～DK1167+810(415 m)以小角度通過F48嘉黎-迫龍藏布斷裂，斷裂帶寬度為415 m，中國地震局地質(zhì)研究所的GPS最新觀測結(jié)果顯示嘉黎斷裂帶現(xiàn)今活動以右旋走滑活動為主兼有逆沖活動性質(zhì)，右旋走滑活動速率約2～3 mm/a，斷層破碎帶及影響帶內(nèi)以混雜巖、碎裂巖、斷層泥礫、蝕變巖等為主.通麥隧道出口段平面布置及縱斷面圖如圖2所示.

圖2 通麥隧道穿越活動斷裂段平面布置及縱斷面圖Fig.2 Layout and longitudinal section of Tongmai Tunnel crossing active fault

結(jié)合工程實際，川藏鐵路穿越活動斷裂帶隧道襯砌初步設(shè)計遵循“預留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設(shè)計、運營監(jiān)測”的設(shè)計原則.活動斷裂帶采用活動斷裂襯砌，并適當往兩端延伸，活動斷裂襯砌原則上采用近圓形襯砌結(jié)構(gòu)，根據(jù)各活動斷裂性質(zhì)考慮在襯砌節(jié)段之間設(shè)置變形縫，斷面內(nèi)凈空預留補強空間，并采用加大預留變形量、加強初期支護及超前支護、破碎段周邊注漿、二襯加強等措施.具體到通麥隧道，主要考慮設(shè)置變形縫及在初支和二襯之間設(shè)置柔性緩沖層(0.15 m)，以及鉸接設(shè)計(節(jié)段長度10 m，變形縫寬度0.15 m)，加強隧道對蠕滑變形的適應(yīng)性.穿越活動斷裂帶襯砌設(shè)計示意圖如圖3所示.

圖3 穿越活動斷裂帶襯砌設(shè)計示意圖(單位：m)Fig.3 Lining design of tunnels crossing the active fault zone (unit:m)

1.2 模型建立及計算參數(shù)的選擇

根據(jù)通麥隧道平面及縱斷面布置圖，建立三維計算模型，隧道處于半無限空間中而斷層蠕滑錯動是一個大范圍的地層運動，且斷層錯動涉及水平方向及垂直方向上的運動，因此蠕滑錯動量并非直接作用于隧道上而是通過地層傳遞到隧道結(jié)構(gòu)上，為了減小邊界效應(yīng)，模型尺寸取2 500 m×500 m×500 m，斷層傾角為70°，斷層寬度為415 m，上盤與斷層、下盤與斷層以及隧道襯砌與圍巖之間采用庫倫摩擦接觸，參照已有研究成果，摩擦系數(shù)取0.8，建立計算模型如圖4所示.

圖4 計算模型示意圖Fig.4 Calculation model

根據(jù)川藏鐵路穿越活動斷裂帶襯砌初步設(shè)計資料，初支采用C30噴射混凝土，二襯采用C35鋼筋混凝土，斷裂帶范圍內(nèi)圍巖主要以壓碎巖為主，隧道洞身通過地層主要為古-中元古界念青唐古拉巖群，巖性以片麻巖為主，局部分布有花崗巖、閃長巖，云母片巖、綠簾石巖等透鏡體；斷裂帶內(nèi)發(fā)育壓碎巖等構(gòu)造巖.在隧道進出口斜坡及洞身溝谷內(nèi)分布有第四系地層，巖性主要為碎石類土，涉及冰磧、洪積、坡積、沖積等多種成因，地質(zhì)鉆孔圖如圖5所示.根據(jù)勘測資料結(jié)合含水率測定、粘聚力測定、內(nèi)摩擦角測定等室內(nèi)土工試驗結(jié)果，得到隧道圍巖物理力學參數(shù)如表1所列，圍巖采用Mohr-Coulomb本構(gòu)，重點討論設(shè)置變形縫及柔性緩沖層對隧道抗錯斷的提升效果.初支、二襯、變形縫填充材料及柔性緩沖層材料采用線彈性本構(gòu)，計算參數(shù)如表2所列.

圖5 地質(zhì)鉆孔圖Fig.5 Geological drilling core

表1 圍巖計算參數(shù)表Tab.1 Calculation parameters of the ground layers

表2 隧道結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表Tab.2 Calculation parameters of tunnel structure

1.3 斷層蠕滑的模擬

斷層蠕滑產(chǎn)生的累計永久位移是導致隧道結(jié)構(gòu)破壞的主因，因此在計算蠕滑作用下隧道的響應(yīng)時，將其視為擬靜力問題，在計算時，首先平衡地應(yīng)力，初始應(yīng)力由隧道埋深及上覆土體確定，然后進行隧道的開挖、支護過程模擬.斷層活動是一個大范圍的運動，因此在模型底部和側(cè)面施加彈簧，模擬周圍地層和模型區(qū)域地層的相互影響關(guān)系[13]，如圖6(a)所示，基床系數(shù)按照圍巖分級參照規(guī)范[14]中要求進行取值.模擬斷層蠕滑時，固定模型左右兩側(cè)邊界，在上盤側(cè)面施加沿著斷層與上盤交接面方向的水平位錯，如圖6(b)所示，該斷層的百年蠕滑量為0.2～0.3 m，計算時取0.3 m作為施加的蠕滑量.

圖6 模型邊界及位錯施加示意圖Fig.6 Model boundary and dislocation application

1.4 工況設(shè)置

主要目的為驗證所提出的設(shè)置變形縫以及設(shè)置柔性緩沖層對隧道抗蠕滑錯斷的提升效果，因此主要設(shè)置了4個工況進行對比分析，分別為無措施工況、設(shè)置變形縫工況、設(shè)置柔性緩沖層工況以及同時設(shè)置變形縫及柔性緩沖層工況，考慮到一般的混凝土二襯臺車長度為6～12 m，因此本次計算每隔10 m設(shè)置一道寬度為15 cm的變形縫，柔性緩沖層厚度取0.3 m，各工況設(shè)置如表3所列.

表3 計算工況表Fig.3 Calculaiton cases

2 計算結(jié)果分析

2.1 隧道變形受力分析

以工況1為例，隧道沿軸向變形云圖如圖7所示，沿隧道軸向結(jié)構(gòu)三向位移如圖8所示.可以看出，隧道變形是追隨著地層變形的，處于破碎帶與上下盤交接面附近的隧道受斷層錯動影響最大，由不同方向位移統(tǒng)計可知，最大橫向位移為8.03 cm，最大豎向位移為5.93 cm，最大縱向位移為1.97 cm，橫向和豎向位移較大，縱向變形較小，在斷層破碎帶和上下盤交界面處，位移會出現(xiàn)明增加，這是因為上下盤與斷層破碎帶地層交接面在此處，在此范圍內(nèi)地層位錯很大.

圖7 隧道軸向變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of tunnel in axial direction

圖8 不同位移統(tǒng)計Fig.8 Displacement of tunnel in different cases

工況1隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力云圖如圖9～10所示.隧道最小主應(yīng)力云圖顯示，在此處會產(chǎn)生明顯的受壓區(qū)域，應(yīng)力集中顯著，最小主應(yīng)力為-7.731 MPa，處于斷層破碎帶范圍內(nèi)的隧道最小主應(yīng)力絕對值比處于上下盤范圍隧道的大，說明處于斷層破碎帶內(nèi)的隧道受到圍巖的壓力比處于上下盤范圍的隧道；而隧道最大主應(yīng)力云圖顯示處于斷層破碎帶中的隧道在拱肩-拱腰部位會出現(xiàn)受拉區(qū)，最大主應(yīng)力為1.648 MPa.

圖9 最小主應(yīng)力云圖Fig.9 Minimum principal stress nephogram

圖10 最大主應(yīng)力云圖Fig.10 Maximum principal stress nephogram

2.2 不同抗錯斷措施效果分析

從已有工程來看，隧道穿越活動斷裂帶最常用的應(yīng)對方法是設(shè)置柔性連接，讓隧道能夠更好的適應(yīng)地層的變形，本節(jié)重點討論設(shè)置變形縫及柔性緩沖墊層能否有效提高隧道的抗錯斷效果.提取隧道拱頂節(jié)點各個方向位移沿縱向變化如圖11所示，可以看到，未設(shè)置變形縫時候，隧道各個方向位移變化趨勢沿軸向基本為連續(xù)變化，而當設(shè)置變形縫時，襯砌沿軸向的變形不再是連續(xù)變化，在變形縫處可能會出現(xiàn)明顯階梯狀突變，兩段襯砌之間由變形縫連接，變形縫的設(shè)置減小了隧道的整體剛度，設(shè)置柔性緩沖層會吸納部分地層變形，將地層的部分變形抵御在襯砌之外.

圖11 沿隧道各方向位移統(tǒng)計Fig.11 Deformatio of tunnel in all cases

統(tǒng)計各工況不同方向位移極值如表4所列，各工況下同一方向的位移差距不大，這也說明無法依靠設(shè)置變形縫和柔性緩沖材料來抵御地層的變形，斷層為水平方向錯動，因此橫向位移大于另外兩個方向的位移，因斷層與X、Y、Z平面均不平行，因此在豎向和縱向均有較大的位移.各工況下襯砌位移極值大小排序為：工況2>工況4>工況1>工況3，從原理上來看，變形縫的設(shè)置讓隧道變?yōu)楠毩⒌墓?jié)段，更容易追隨地層的變形，而設(shè)置柔性緩沖層會吸收部分變形，導致反應(yīng)在襯砌上的位移稍小.

表4 位移統(tǒng)計表Tab.4 Deformation of tunnel in all cases

提取各工況下，隧道的最大、最小主應(yīng)力繪制圖表如圖12所示，當未設(shè)置變形縫和柔性緩沖材料時，隧道襯砌的最大，最小主應(yīng)力分別為1.648 MPa、-7.731 MPa，而工況2(設(shè)置變形縫)，工況3(設(shè)置柔性緩沖材料)，工況4(同時設(shè)置變形縫和柔性緩沖材料)的最大分別為1.364 MPa、1.618 MPa、1.318 MPa，最小主應(yīng)力分別為-4.033 MPa、-6.828 MPa、-3.943 MPa，與未設(shè)置抗錯斷措施相比，工況2的最大、最小主應(yīng)力分減少了17.23%、47.83%，工況3分別減少了1.82%、11.68%，工況4分別減少了20.02%、48.99%.從計算結(jié)果可以看出，變形縫及柔性緩沖材料的設(shè)置均可以有效的減少襯砌的內(nèi)力，對比工況2及工況3計算結(jié)果，可以看出，變形縫的設(shè)置對襯砌內(nèi)力減小幅度明顯大于工況3，抗錯斷效果顯著.

圖12 最大最小主應(yīng)力統(tǒng)計圖Fig.12 Maximum and minimum stress in all cases

3 結(jié)論

依托川藏鐵路通麥隧道，詳細的介紹了通麥隧道的地理地質(zhì)條件，以及其所穿越的F48嘉黎-迫龍藏布斷裂的情況，對隧道穿越活動斷層時設(shè)置變形縫及設(shè)置柔性緩沖墊層的抗錯斷效果進行了數(shù)值仿真，得到了以下結(jié)論：

1) 蠕滑是一個長期緩慢的過程，在活動斷層與上下盤交界面附近的襯砌易產(chǎn)生位移突變，且此范圍內(nèi)會產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是穿越活動斷層的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)加強該部位的設(shè)計.

2) 地層運動是一個大范圍運動，無法依靠僅設(shè)置變形縫或設(shè)施隔振層而明顯減少活動斷層蠕滑所造成的襯砌位移，從數(shù)值上來看，隧道位移極值排序為：工況2>工況4>工況1>工況3，這是因為變形縫的設(shè)置減小了隧道的整體剛度，位移增大，而設(shè)置柔性緩沖層會吸納部分地層變形.

3) 對比襯砌最大、最小主應(yīng)力，設(shè)置變形縫和設(shè)置柔性緩沖墊層均可以減小襯砌應(yīng)力，而設(shè)置變形縫的抗錯斷效果高于設(shè)置柔性緩沖墊層.