逆斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響研究

徐同啟,李守剛

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司,蘭州 730000)

引言

隨著國家交通發(fā)展需要，尤其是西部大開發(fā)的推進(jìn)，崇山峻嶺中的建設(shè)項(xiàng)目日益增多，復(fù)雜工程地質(zhì)也漸趨普遍，而斷層破碎帶風(fēng)險(xiǎn)較高。隧道穿越斷層破碎帶會(huì)因地震或活斷層長期蠕滑錯(cuò)動(dòng)而引起結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞[1-2]，影響交通工程的安全運(yùn)營，故隧道工程遇到活斷層應(yīng)以避讓為主。敦格鐵路闊克薩隧道地處祁連褶皺系阿爾金山斷塊的黨河南山—青海南山斷褶帶，穿越活動(dòng)逆斷層，由于該斷層?xùn)|西向延伸約84.5 km，線位繞行工程量過于巨大，故線路沒有避讓。為保證隧道在斷層錯(cuò)動(dòng)中免遭過大破壞，對(duì)隧道抗錯(cuò)動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)在斷層錯(cuò)動(dòng)中受到的影響展開研究。目前，主要采用的研究方法有快捷方便的數(shù)值模擬法和更具針對(duì)性的模型試驗(yàn)法。

在數(shù)值計(jì)算方面，諸多學(xué)者開展了隧道在穿越斷層方面的研究。李學(xué)鋒等[3]借助ABAQUS軟件，依托棋盤石跨斷層隧道建立模型，根據(jù)隧道圍巖接觸壓力、襯砌最大軸力和襯砌塑性應(yīng)變，尋找最優(yōu)變形縫間距；孫禮超等[4]運(yùn)用ANSYS軟件，對(duì)烏魯木齊1號(hào)線九家灣斷層帶進(jìn)行分析，為隧道抗斷設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；王道遠(yuǎn)等[5]以某跨斷層隧道為研究對(duì)象，基于其數(shù)值模型，對(duì)素混凝土與纖維混凝土結(jié)構(gòu)的受力特性與抗錯(cuò)效果進(jìn)行比較分析；陳海亮等[6]利用數(shù)值軟件對(duì)跨斷層隧道襯砌的變形規(guī)律及損傷機(jī)理進(jìn)行探索；張海龍[7]借助EERA軟件，對(duì)穿斷層地鐵設(shè)計(jì)進(jìn)行研究；陳澤龍等[8]通過數(shù)值計(jì)算，以斷層帶塑性區(qū)預(yù)測隧道突水突泥時(shí)機(jī)；周佳媚等[9]以FLAC3D對(duì)某穿斷層隧道進(jìn)行數(shù)值分析，通過調(diào)整斷層錯(cuò)動(dòng)量和地震波方向，著重研究地震作用下斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響。

在模型試驗(yàn)方面，劉學(xué)增等[10-11]對(duì)斷層角度、位移、走勢(shì)展開室內(nèi)試驗(yàn)研究，探究斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響；王道遠(yuǎn)等[12-13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究逆斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)縱環(huán)向應(yīng)變與圍巖壓力變化規(guī)律并提出合理抗錯(cuò)斷設(shè)防長度；徐前衛(wèi)等[14]采用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，以圍巖的受力變形為重點(diǎn)，對(duì)跨斷層隧道施工展開研究；李守剛[15]通過兩組模型對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)減震縫與減震層的抗錯(cuò)動(dòng)效果進(jìn)行比較；孫飛等[16]借助模型試驗(yàn)對(duì)烏魯木齊1號(hào)線受九家灣斷層帶錯(cuò)動(dòng)影響下的破壞展開研究。

盡管目前對(duì)穿越斷層隧道的研究已取得較多成果，但針對(duì)斷層兩側(cè)圍巖性質(zhì)相差較大工況下采用柔性連接設(shè)計(jì)的研究卻較少，以闊克薩隧道為工程背景，以數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合為手段，對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道結(jié)構(gòu)影響變化進(jìn)行深入探索，既能為該隧道的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，也是對(duì)跨斷層隧道研究的補(bǔ)充。

1 工程概況

闊克薩隧道地處甘肅省酒泉市阿克塞縣，起訖里程DK191+009～DK191+533，全長524 m，最大埋深約55 m，為Ⅰ級(jí)單線電氣化鐵路。隧區(qū)地層由上到下依次為第四系上更新統(tǒng)洪積粉土、細(xì)角礫土和以斷層泥、斷層角礫、碎裂巖為主的構(gòu)造巖。隧道于DK191+068處穿F3逆斷層，南盤為上升盤，Ⅳ級(jí)圍巖，出露震旦系長城組石英片巖；北盤為下降盤，Ⅴ級(jí)圍巖，出露第三系泥巖夾礫巖。該斷層為震旦系石英片巖地層逆沖到上第三系泥巖夾礫巖之上，致使兩側(cè)圍巖差異較大。斷層為全新世活動(dòng)斷層，有明顯活動(dòng)痕跡，未來100年有發(fā)生地震錯(cuò)動(dòng)的可能，預(yù)測突發(fā)豎直向錯(cuò)動(dòng)量為2.8 m，斷層兩側(cè)強(qiáng)烈擠壓，近東西向展布，傾角48°～75°，隧道穿斷層縱斷面見圖1。

圖1 隧道穿斷層縱斷面示意

借鑒以往穿斷層隧道設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，初步考慮對(duì)闊克薩隧道采用以下加強(qiáng)措施：①設(shè)置柔性接頭作為減震縫；②加固圍巖；③設(shè)置減震層(緩沖層)；④超挖設(shè)計(jì)。本次主要驗(yàn)證對(duì)該隧道結(jié)構(gòu)每12 m為一節(jié)段設(shè)置減震縫設(shè)計(jì)的抗錯(cuò)動(dòng)效果。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型

隧道穿斷層處埋深14 m，模型斷層面角度取最不利值75°。模型尺寸為：縱向(z軸)以斷層面與隧道交叉處為中心前后各取55 m，水平向(x軸)以隧道外輪廓線向外3倍洞徑為左右邊界，豎直向(y軸)范圍取斷層頂至隧道底下3倍洞徑處，即110 m×70 m×65 m。采取模型下盤為固定盤，上盤為上升活動(dòng)盤對(duì)逆斷層活動(dòng)進(jìn)行模擬。下盤除頂面為自由，其他面均施加法向位移約束；上盤底面與前端面采用位移速率邊界，頂面為自由，兩側(cè)面均施加水平向位移約束，三維模型如圖2所示。

圖2 隧道三維模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

隧道圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌結(jié)構(gòu)及減震縫均采用實(shí)體單元來模擬，圍巖選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，初期支護(hù)、二次襯砌結(jié)構(gòu)和減震縫的填縫材料均采用Elastic本構(gòu)模型，斷層面采用Interface單元模擬。根據(jù)工程勘測資料、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)范并結(jié)合等效計(jì)算，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型材料參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

考慮到篇幅有限，本文從結(jié)構(gòu)應(yīng)變?nèi)胧?，?duì)斷層錯(cuò)動(dòng)影響進(jìn)行研究。定義α為斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)，且

α=(β′-β)/β

(1)

式中，β為斷層錯(cuò)動(dòng)前的初始應(yīng)變值；β′為斷層錯(cuò)動(dòng)后的應(yīng)變值。

圖3為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置減震縫與未設(shè)置減震縫兩種工況下，隧道縱、環(huán)向斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)對(duì)比。

圖3 隧道縱、環(huán)向斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)

由圖3可知，隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)減震縫后，縱、環(huán)向斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)均大幅度降低，說明結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)動(dòng)能力得到較大提高。其中，邊墻處最大縱向影響系數(shù)由17.64降低為10.03，降幅達(dá)43.14%；最大環(huán)向影響系數(shù)由19.04下降為11.81，降幅為37.97%。鄰近斷層范圍內(nèi)，同樣距離情況下，設(shè)減震縫的斷層影響系數(shù)降低較快，消能減震作用明顯，影響范圍主要集中在距斷層18 m(約2倍隧道洞徑)范圍內(nèi)。

各處最大影響系數(shù)均出現(xiàn)在與斷層相交附近，其中又以邊墻處受影響最為嚴(yán)重，拱頂次之，仰拱最小。從斷層兩側(cè)看，下盤斷層影響系數(shù)降低較慢，大于距斷層相同距離的上盤，說明斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)下盤影響更大。因此，當(dāng)斷層兩側(cè)圍巖差異較大時(shí)，巖性較差盤的隧道邊墻要特別注意，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)，與文獻(xiàn)[17]比較可知，在逆斷層錯(cuò)動(dòng)中，隧道在圍巖弱的盤比隧道在上升盤受到的影響會(huì)更大。

3 模型試驗(yàn)

由數(shù)值模擬可知，減震縫設(shè)計(jì)抗錯(cuò)動(dòng)效果顯著，以下通過室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖4所示，由升降系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)共同構(gòu)成。模型箱底部由可以活動(dòng)的左盤和固定右盤組成，借助千斤頂對(duì)左盤升降進(jìn)行控制。為降低模型箱對(duì)隧道結(jié)構(gòu)邊界效應(yīng)影響，方便保證模型箱與隧道結(jié)構(gòu)的比例，最終確定模型箱尺寸為2.5 m(長)×1.5 m(寬)×1.5 m(高)。

圖4 試驗(yàn)裝置

3.2 相似材料

由闊克薩隧道的實(shí)際工程情況與室內(nèi)試驗(yàn)所能達(dá)到的條件確定幾何相似比為30，基于相似定律推出模型各參數(shù)的相似比，見表2。

表2 各物理量相似關(guān)系

斷層處隧道上下盤圍巖性質(zhì)差異較大，根據(jù)現(xiàn)場物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)與TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]確定斷層兩側(cè)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù)的取值，根據(jù)相似比算出模型材料參數(shù)值，見表3。

表3 圍巖與模型材料參數(shù)

在參考相關(guān)文獻(xiàn)[19-20]的基礎(chǔ)上，經(jīng)過1個(gè)多月的試驗(yàn)與篩選，得出圍巖相似材料的最佳配比，見表4。

表4 圍巖相似材料配比

斷層破碎帶通常用黃砂模擬，但由于該斷層模型上下盤圍巖差異較大，PVC板方便隔開，且用兩層PVC板中間涂黃油可以很好地模擬斷層錯(cuò)動(dòng)，滿足試驗(yàn)需求。

隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)方式為復(fù)合式襯砌，選用石膏進(jìn)行模擬，制作模型時(shí)將初支與二襯綜合考慮，膏水比為1.55∶1，彈性模量為744.4 MPa。隧道各段襯砌則通過5 mm厚天然橡膠條連接，起到模擬減震縫作用。制作后模型見圖5。

圖5 隧道模型

3.3 量測內(nèi)容

隨著抬升上盤模擬逆斷層錯(cuò)動(dòng)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形情況進(jìn)行量測，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證抗錯(cuò)動(dòng)效果并確認(rèn)最不利位置。模型試驗(yàn)共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測斷面，均位于減震縫10 cm處，每處斷面拱頂、仰拱與左邊墻處布置環(huán)向應(yīng)變片和土壓力盒，縱向應(yīng)變片則設(shè)置在右邊墻處。本次試驗(yàn)所使用的測試元件為B×120-8AA型電阻應(yīng)變片、0.5 MPa微型壓力傳感器及動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀。量測具體布設(shè)情況如圖6所示。

圖6 量測布設(shè)

將斷層百年豎向預(yù)測錯(cuò)動(dòng)量2.8 m通過相似比30換算得9.33 cm，即試驗(yàn)中上盤豎向設(shè)計(jì)移動(dòng)量為9.33 cm。待填料、埋設(shè)隧道結(jié)構(gòu)、布置測試傳感器后，利用上盤底座下的千斤頂同步抬升9.33 cm，以百分表對(duì)位移量進(jìn)行量測控制。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析

圖7為各量測處縱、環(huán)向斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)，與圖3數(shù)值計(jì)算結(jié)果反映的變化規(guī)律較為吻合。縱、環(huán)向影響系數(shù)均在與斷層交界處達(dá)到最大，隨著遠(yuǎn)離斷層，影響系數(shù)降低較快；從整體變化波動(dòng)來看，斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)下盤的影響大于對(duì)上盤影響，對(duì)環(huán)向應(yīng)變影響大于縱向應(yīng)變，對(duì)邊墻影響大于拱頂及仰拱，但邊墻、仰拱與拱部三者影響線形態(tài)基本相似，強(qiáng)烈波動(dòng)段的范圍較為接近。

圖7 縱、環(huán)向斷層錯(cuò)動(dòng)影響系數(shù)

需要說明的是，相較于理想狀態(tài)的數(shù)值模擬，模型試驗(yàn)實(shí)際在量測中會(huì)受到各種因素影響，雖然試驗(yàn)量測值略小于數(shù)值計(jì)算值，并非完全吻合，但所揭示的影響系數(shù)變化規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型與室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴?/p>

3.4.2 隧道結(jié)構(gòu)破壞情況分析

通過破壞程度與特征對(duì)模型試驗(yàn)中隧道結(jié)構(gòu)逐一進(jìn)行分析，與斷層相交的3號(hào)節(jié)段破壞最為嚴(yán)重，但與未加入減震縫模型試驗(yàn)的破碎結(jié)果相比[10]，隧道整體保持了完整性，可見減震縫的加入讓隧道結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)動(dòng)性能有了很大提升。

3號(hào)節(jié)段破壞情況如圖8(a)所示，寬1 mm的縱向裂縫沿著拱頂貫穿整個(gè)3號(hào)節(jié)段，并在與斷層相交處延伸出一條至拱腳的斜裂縫；兩側(cè)邊墻較大部分發(fā)生縱向斷裂，拱腳到墻角范圍發(fā)生錯(cuò)位，為破壞最嚴(yán)重部位；仰拱出現(xiàn)一條0.5 mm“V”形環(huán)向裂縫，環(huán)向貫穿仰拱。

2號(hào)節(jié)段破壞特征與3號(hào)節(jié)段較為相似，但破壞程度降低較大，如圖8(b)所示。寬0.5 mm的縱向裂縫沿著拱頂貫穿整個(gè)2號(hào)節(jié)段，并在拱頂中部延伸出一條長7.5 cm的斜裂縫；右邊墻墻腰為一條1 mm縱向裂縫，兩側(cè)墻腳各出現(xiàn)一條1 mm貫穿整段的縱向裂縫。仰拱也出現(xiàn)了一條0.5 mm“V”形環(huán)向裂縫。

4號(hào)節(jié)段較3號(hào)節(jié)段的破壞程度降低更大，如圖8(c)所示。拱頂中部僅產(chǎn)生一條寬0.5 mm、長8 cm縱向裂縫；右邊墻墻腰有一條1 mm的斜裂縫，兩側(cè)墻腳各出現(xiàn)一條0.5 mm貫穿整段的縱向裂縫；仰拱未有裂縫產(chǎn)生。

圖8 隧道結(jié)構(gòu)破壞情況

隨著上盤向上錯(cuò)動(dòng)，隧道整體發(fā)生向上的位移，而外覆土體對(duì)隧道向上的位移具有較強(qiáng)約束作用，使得隧道底發(fā)生上鼓變形，隧道頂發(fā)生擠入變形。由于墻腳部位是幾何突變點(diǎn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，且底板的上鼓變形使得墻腳位置形成較大彎矩，導(dǎo)致隧道邊墻底部出現(xiàn)了明顯的縱向裂縫乃至斷裂。此外，由于下盤內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生整體向上的位移，只在斷層接觸面附近的相對(duì)位移較大，產(chǎn)生了部分斜向裂縫，其他部位由于減震縫的設(shè)置，削弱了襯砌間的相對(duì)位移，因此，環(huán)向裂縫較少。整體來看，與斷層相交的3號(hào)節(jié)段邊墻為最不利處。2號(hào)、4號(hào)節(jié)段的損壞程度降低明顯，減震縫保護(hù)作用顯著，下盤的破壞程度明顯大于上盤，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符。

4 結(jié)論

通過分析逆斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果，二者互相驗(yàn)證，揭示的規(guī)律較為吻合，主要得到以下結(jié)論。

(1)隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)置減震縫后，抗錯(cuò)動(dòng)能力得到較大提高，其中最大縱向影響系數(shù)降幅達(dá)43.14%，最大環(huán)向影響系數(shù)降幅為37.97%。

(2)斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)圍巖較弱的下盤影響更大，在逆斷層中，圍巖強(qiáng)弱比隧道是否處在上升盤的影響性更大。

(3)隧道與斷層相交處結(jié)構(gòu)的邊墻破壞最為嚴(yán)重，為最不利處，拱頂次之，仰拱最小。