黏滑錯動下地鐵隧道結(jié)構(gòu)破壞特征及設(shè)防措施

姜久純

摘 要：在活斷層發(fā)育城市的地鐵建設(shè)過程中，由于線路走向原因，有時不得不穿越活動斷層。但目前對于地鐵隧道穿越活動斷層的設(shè)防措施研究較少，尚無成熟的工程經(jīng)驗。文中以新疆烏魯木齊地鐵穿越西山斷層工程建設(shè)為依托，采用三維數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗相結(jié)合的方法，研究了黏滑錯動下地鐵隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)及破壞過程，揭示了隧道圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)與塑性區(qū)分布規(guī)律。結(jié)合工程設(shè)計，提出采用隧道襯砌分段和擴大斷面尺寸等工程應(yīng)對措施，可極大減小黏滑錯動下的地鐵破壞范圍和程度，降低工程損失，也能為破壞后的地鐵隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)提供便利條件。研究結(jié)論可為穿越活斷層的城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)防設(shè)計提供有益參考。

關(guān)鍵詞：斷層;黏滑錯動;地鐵隧道;剪切破壞;模型試驗;分段設(shè)防

中圖分類號：U 231

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2021）03-0474-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2021.0312

Abstract：Due to the line strike，urban subway has to be constructed across active faults.However，little research has been done on the fortification measures of subway tunnel crossing active faults，without any mature engineering experience.Based on the construction of the Xishan fault project of Urumqi Metro，this paper studies the structural mechanical response and failure process of subway tunnel under the stick-slip dislocation of active faults by using the comprehensive method of three-dimensional numerical simulation and laboratory tests，and reveals the failure patterns and plastic zone distribution of tunnel surrounding rock and lining structure.Combined with the engineering design，some engineering countermeasures，such as using tunnel lining section and expanding section size，are put forward，which greatly reduce the scope and degree of subway damage under dislocation，cut down the engineering loss，and provide convenient conditions for the repair of subway tunnel structure after damage.The research results may provide significant reference for the designing of urban subway tunnel structure fortification through active faults.

Key words：fault;stick-slip dislocation;subway tunnel;shear failure;model test;sectional fortification

0 引 言

新疆維吾爾族自治區(qū)處于印度洋板塊和亞歐板塊碰撞的前沿地帶，主要有五大地震帶。新疆烏魯木齊市處于西北天山構(gòu)造帶與博格達構(gòu)造帶交匯部位，地質(zhì)運動強烈且活動斷層發(fā)育。目前已探明的活動斷層有9條，多條斷層帶上均發(fā)生過強震并存在古地震活動，其活動斷層數(shù)量和規(guī)模在全國大中城市是少見的。在修建跨越斷層帶的隧道工程時，尤其需要關(guān)注黏滑錯動問題。黏滑錯動突發(fā)性強，會在較短時間內(nèi)引起隧道結(jié)構(gòu)彎曲變形，產(chǎn)生塑性區(qū)，對活斷層附近的襯砌結(jié)構(gòu)造成嚴重的破壞。因此，隧道穿越斷層時采取的設(shè)防措施顯得尤為重要，相關(guān)方面的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的難點和熱點。

國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試等手段開展了相關(guān)研究。GREGOR采用數(shù)值模擬研究了隧道結(jié)構(gòu)在穿越斷層帶時受力情況[1]。LIN等采用現(xiàn)場試驗與有限元相結(jié)合的方法研究了逆斷層中盾構(gòu)隧道的破壞特征[2]。劉愷等運用數(shù)值方法分析了不同傾角和斷裂破碎帶寬度下隧道位移、結(jié)構(gòu)變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律[3]。盛越建立三維有限元整體式隧道模型，研究了不同構(gòu)造的變形縫對隧道受力力學(xué)差異和凈空擴大量的影響[4]。李林等通過振動臺模型試驗，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力變形的抗震組合措施[5]。祁彬溪等運用有限元分析了斷層豎向錯動速率與斷層破碎帶交界面動摩擦系數(shù)對穿越斷層隧道的豎向位移和第一主應(yīng)力的影響[6]。安韶等基于有限元模型，分析了烏魯木齊軌道交通2號線的抗斷設(shè)計流程[7]。崔光耀等基于能量守恒原理結(jié)合數(shù)值仿真，對錯動作用下隧道的抗錯斷設(shè)計方法進行研究[8]。汪振等運用黏性界面模型結(jié)合有限元模擬正斷層破裂過程，探討了不同斷層錯動量和傾角對隧道力學(xué)影響規(guī)律，建立了隧道安全評價的分類標(biāo)準[9]。閻錫東等采用屬性測度分析理論對隧道塌方、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險事件進行了分析，建立了隧道穿越活動斷裂帶風(fēng)險評價模型[10]。

綜上，在黏滑錯動對地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響方面國內(nèi)外學(xué)者取得了諸多成果，但主要集中在黏滑錯動下隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及破壞機理、結(jié)構(gòu)安全評價方法等[11-14];在抗錯動設(shè)防措施方面成果較少，特別是結(jié)構(gòu)分段長度、擴大斷面尺寸等方面有待深入研究。

基于現(xiàn)場勘探獲得的西山活斷層的幾何和運動特性等關(guān)鍵參數(shù)，文中采用數(shù)值分析結(jié)合室內(nèi)試驗手段，從黏滑錯動下地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)及破壞影響入手，研究襯砌分段、擴大斷面等措施對提高隧道抗錯斷性能的影響，并確定其合理設(shè)防參數(shù)?？蔀橄嚓P(guān)地鐵隧道的設(shè)防設(shè)計提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

烏魯木齊市地處東天山隆起區(qū)與北天山強烈隆起區(qū)的交匯部位，沉積有巨厚的中、新生代地層。新構(gòu)造運動和斷層活動強烈，受海西運動以來歷次構(gòu)造運動的影響，形成了一系列軸向北東—南西的褶皺和斷裂。

地鐵2號線在建設(shè)過程中，多次穿越活動斷層。其中西山斷裂北支東段始于苜蓿溝口，向東延伸至耐火材料廠。該斷裂走向N45°—70°E，傾向N，傾角44°～83°，具逆沖性質(zhì)。地鐵2號線線路大角度通過西山斷裂北支（如圖1所示）。

2 西山斷裂帶地質(zhì)勘測

烏魯木齊主城區(qū)地表覆蓋有深厚的第四系沉積層，給地質(zhì)勘測工作帶來極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為準確探明斷裂帶位置與特征，在詳細勘察階段綜合采用了地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、原位測試等方法進行探測[15-18]。地鐵站之間聯(lián)合鉆孔柱狀圖如圖2所示。

根據(jù)地球物理探測及綜合判識的結(jié)果，確定西山逆斷傾角為58°，與隧道交角28°，斷層上下盤相對垂直滑移設(shè)防量取0.65 m。

3 黏滑錯動下隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 建模分析

為完整呈現(xiàn)黏滑錯動下隧道結(jié)構(gòu)的變形及破壞形態(tài)，并消除邊界效應(yīng)的影響，確定模型尺寸為長度250 m，寬度40 m。隧道埋深依據(jù)工程實際取為15 m。土體本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性材料，遵循D-P準則，襯砌結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系采用混凝土本構(gòu)彈塑性模型。

考慮到模擬黏滑錯動效果及支護結(jié)構(gòu)與圍巖在錯動條件下的接觸效果，分別在上下盤斷層面、初期支護與圍巖相觸處設(shè)置接觸單元。建模如圖3所示。

在計算參數(shù)選取上，穿越西山斷層處地層為Ⅴ級圍巖，采用注漿措施對圍巖加固后，加固區(qū)彈性模量、黏聚力大約提高20%～30%。取圍巖-初支摩擦系數(shù)為0.45，斷層面摩擦系數(shù)為0.1。具體參數(shù)見表1。

3.2 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)變形分布規(guī)律

西山斷層錯動作用下地鐵2號線隧道圍巖與襯砌的豎向變形云圖如圖4所示。

由圖4可知，在黏滑錯動后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生“S”狀彎曲變形;下盤仰拱近斷層面處出現(xiàn)了明顯脫空，由于有限單元法采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，上盤近斷層面的拱頂與圍巖也出現(xiàn)了脫空。

由于城市淺埋地鐵往往圍巖條件差，且受到斷層破裂面摩擦作用的影響，襯砌結(jié)構(gòu)與周圍土體間不一定會出現(xiàn)明顯的脫空區(qū)，但作用在下盤隧道仰拱及上盤隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力會有所減小。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布規(guī)律

在黏滑錯動下，隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其不同的受力條件會產(chǎn)生相應(yīng)的彈塑性變形，當(dāng)其應(yīng)力超出襯砌材料彈性極限時就會產(chǎn)生塑性區(qū)。因而，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)的范圍和大小是判斷其受破壞嚴重程度的重要指標(biāo)。隧道二次襯砌塑性區(qū)分布如圖5所示。

從圖5可知，上下盤頂?shù)撞渴軌簠^(qū)及斷層面周圍拱腳至拱腰區(qū)域均出現(xiàn)塑性區(qū)。塑性應(yīng)變峰值出現(xiàn)在下盤拱頂處，峰值達到1.058%。

根據(jù)塑性區(qū)分布特征，選取隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂和仰拱2個關(guān)鍵部位的計算結(jié)果進行分析。其塑性區(qū)沿隧道方向的變化規(guī)律如圖6所示。

拱頂在-115～-35 m的范圍內(nèi)（上盤80 m）、仰拱在-60～60 m范圍內(nèi)（上盤60 m、下盤60 m）存在較大的塑性變形。表明黏滑錯動作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性存在較大的影響，需要在此斷層面上盤80 m、下盤60 m范圍內(nèi)采取一定的設(shè)防措施。

4 黏滑錯動室內(nèi)模型試驗

4.1 模型試驗設(shè)計

基于工程實際，研發(fā)了大比例（1∶25）、多傾角、寬控速、高精度穿越斷層的隧道結(jié)構(gòu)破壞模擬加載試驗裝置，采用剪切試驗裝置（如圖7所示）來模擬縱向125 m范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞演化過程。模型尺寸2 m×2 m×5 m，可在保證對斷層錯動下地層及隧道結(jié)構(gòu)破壞過程有效監(jiān)測的前提下，提供更符合實際情況的邊界條件。

該隧道剪切模型主要由箱體、水平反力架梁、水平推力源、垂直推力源、推力傳動裝置5大部分組成。裝置采用先進的同步加載系統(tǒng)，既可以精確地進行均衡位移加載，避免了油缸加載的位移不均勻性，又可以進行上下加載用來模擬正、逆斷層，實現(xiàn)了以不同速度進行同步加載的試驗?？梢愿鶕?jù)不同需求，按相似比預(yù)制隧道模型進行多個不同角度的垂直、水平單獨剪切試驗和垂直、水平組合互動聯(lián)合剪切試驗。

隧道結(jié)構(gòu)破壞模擬加載試驗裝置的工作原理如圖8所示。

試驗材料選擇：土體采用河沙、重晶石、粉煤灰、機油等配制而成，用于模擬斷層帶處的破碎圍巖;隧道襯砌則采用石膏澆筑成型。

試驗幾何相似比為1∶25，其余各物理量的相似比分別為：彈性模量相似比CE=25，泊松比相似比Cμ=1，應(yīng)力相似比Cσ=25，應(yīng)變相似比Cε=1。原型與模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

4.2 黏滑錯動試驗結(jié)果分析

在洞內(nèi)位移方面，隧道豎向收斂值縱向分布曲線如圖9所示?？梢钥闯鲈?0.76～0.5 m（-2.6D～1.7D）范圍內(nèi)隧道豎向收斂值明顯增大，表明下盤拱頂及上盤仰拱受錯動引起的豎向擠壓作用顯著;7 cm錯距下在下盤距斷層跡線處隧道豎向收斂值達到最大值3.2 mm，豎向收斂值向兩側(cè)逐漸減小趨于平穩(wěn)，直至兩端接近為零，如圖9所示。

在隧道破壞形態(tài)方面，選取了加載后隧道襯砌穿越斷層面受損嚴重的節(jié)段進行分析，如圖10所示。

該節(jié)段直接穿越斷層面，受剪切作用最為明顯，在斷層跡線處隧道墻腳附近出現(xiàn)條斜裂縫，且斜裂縫開裂方向與斷層方向一致，屬于沿斷層傾角方向的剪切破壞;該節(jié)段同時出現(xiàn)環(huán)向裂縫，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)縱向彎曲變形特征可知，此處的環(huán)向裂縫是由于結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)力超過抗拉強度引起的，屬于縱向拉彎破壞。

5 隧道設(shè)防措施研究

國內(nèi)外針對于應(yīng)對黏滑錯動的設(shè)防措施主要有2大原則：一是擴大隧道斷面，預(yù)留斷層錯動空間，也為后期預(yù)留一定的維修補強空間。二是對隧道結(jié)構(gòu)采用分段的方式，以減小黏滑錯動后隧道的破壞范圍及程度。黃強兵、劉學(xué)增等人也在此方面有過研究，對分段式隧道襯砌在斷層黏滑錯動下受力變形特征進行了模型試驗研究，指出分段式襯砌結(jié)構(gòu)在縱向應(yīng)變、破壞范圍等方面要小于整體式襯砌[19-25]。

主要從斷面尺寸擴大和結(jié)構(gòu)分段設(shè)計兩方面展開分析，以確定合理的設(shè)防措施。

5.1 擴大斷面

正常情況下地鐵隧道內(nèi)凈空為5.38 m×5.45 m（寬×高）。為保證隧道在黏滑錯動之后仍有足夠的凈空，考慮在斷層結(jié)構(gòu)設(shè)防范圍內(nèi)分別預(yù)留錯動空間0.65 m（垂直）及四周補強加固空間0.35 m，最終將斷面凈空尺寸調(diào)整至6.45 m×7.0 m（寬×高）。如圖11所示。

5.2 分段設(shè)防

為減小黏滑錯動后隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍及破壞程度，采用分段的原則對隧道二襯進行設(shè)計。綜合考慮對隧道維修的經(jīng)濟成本及施工的難易程度，確定二襯節(jié)段長度為10 m。

有限元計算分析得到分段式隧道在黏滑錯動下的位移及應(yīng)力響應(yīng)如圖12、圖13所示。

對分段式隧道的位移響應(yīng)進行分析，可以看出隧道二襯在穿越斷層面時變形最大，破壞最為明顯，但相鄰節(jié)段間的位移不連續(xù)，表明襯砌分段可將黏滑錯動下襯砌結(jié)構(gòu)的破壞控制在一定范圍內(nèi)，避免襯砌結(jié)構(gòu)在整體上受到嚴重破壞。

對分段隧道主應(yīng)力進行分析，可以看出在斷層面附近拱腰出現(xiàn)拉應(yīng)力，為截面控制部位，應(yīng)在設(shè)計過程中予以針對設(shè)防。

綜合來看，襯砌節(jié)段間變形縫的存在使得相鄰節(jié)段間的位移和應(yīng)力均不連續(xù)，保持了一定的獨立性。表明襯砌分段可以有效控制破壞范圍，減弱地層位移對隧道結(jié)構(gòu)的作用，提升隧道的抗錯動性能。

6 結(jié) 論

1）發(fā)生黏滑錯動后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲變形。作用在下盤隧道仰拱及上盤隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力會有所減小。

2）黏滑錯動量為0.65 m時，襯砌結(jié)構(gòu)在上盤80 m、下盤60 m范圍區(qū)間存在較大塑性變形，結(jié)構(gòu)安全性受到影響，此時斷層段隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)防范圍為140 m。

3）位于斷層面處襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向拉彎破壞和剪切破壞，結(jié)構(gòu)損壞最為嚴重。

4）采用縱向結(jié)構(gòu)分段及擴大斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，可有效控制隧道破壞范圍，并為后期維修加固預(yù)留空間。

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