黏滑斷層隧道減錯措施參數對減錯效果的影響分析1

崔光耀 伍修剛 王明年 荊鴻飛

?

黏滑斷層隧道減錯措施參數對減錯效果的影響分析1

崔光耀1）伍修剛1）王明年2）荊鴻飛3）

1）北方工業大學，土木工程學院，北京 100144 2）西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031 3）中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600

為提高黏滑斷層隧道的結構安全性和穩定性，對黏滑斷層隧道設置不同縫寬減錯縫、不同剛度減錯層的減錯效果進行研究。研究結果表明：斷層黏滑錯動對上盤隧道的影響遠大于下盤；減錯縫對上盤部分隧道結構的減錯效果優于下盤，其中上盤減錯效果最大為24.50%，下盤減錯效果最大為9.26%；減錯層對下盤部分隧道結構的減錯效果略優于上盤，其中下盤減錯效果最大為105.32%，上盤減錯效果最大為78.07%；隨著減錯縫寬度的增加，隧道上盤減錯效果變好，下盤縫寬10—15cm減錯效果最好；隨著減錯層彈性模量的增加，隧道上下盤減錯效果降低，當減錯層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯效果趨于穩定。研究成果可為黏滑斷層隧道的減錯結構設計及施工提供參考。

隧道工程 黏滑斷層 減錯縫 減錯層 參數分析

引言

隨著我國交通基礎建設的持續深入發展，穿越黏滑斷層的隧道不斷涌現，如在建的雅康高速二郎山隧道穿越保凰活動斷裂，成蘭鐵路諸隧道穿越龍門山活動斷裂等。在2008年汶川地震中，都映高速部分隧道，其所穿越的黏滑斷層在強震誘發下發生黏滑錯動，造成錯動段隧道結構和圍巖嚴重破壞，甚至出現了隧道整體垮塌的嚴重震害（圖1），這對災后救援和災后重建工作造成了嚴重影響（四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院，2008；于海英等，2008）。如何提高斷層黏滑錯動時隧道結構的安全性和穩定性是亟待研究和解決的關鍵技術問題之一。

目前，黏滑斷層隧道的減錯措施主要有二襯設置減錯縫和初支與二襯之間設置減錯層2種。設置減錯縫可減小隧道結構的縱向剛度，提高了隧道結構適應斷層黏滑錯動所產生相對變位的性能；設置減錯層可減小隧道結構的橫向剛度，消減了傳遞至二襯結構的強制位移。

國內外專家、學者對穿越黏滑斷層隧道的減錯技術做了部分研究，主要有：穿越活動斷層隧道震害特征及震害機理（高孟潭等，2008；崔光耀等，2013a；何川等，2014）；斷層錯動下圍巖與隧道結構的位移和應力變化（趙伯明等，2009；李玉江等，2013）；不同傾角、錯距下斷層黏滑錯動對山嶺隧道洞身結構的受力特性（熊煒等，2010；蔣建平等，2011；劉學增等，2014；張理平等，2017）；設置不同減錯縫的減錯效果（崔光耀等，2013b；李學峰等，2014；信春雷等，2015）；設置不同減錯層的減錯效果（崔光耀等，2013c）等。以上研究在穿越黏滑斷層隧道斷層錯動機制，設置減錯縫不同間距、減錯層不同厚度減錯效果方面做了部分工作，但均未對穿越黏滑斷層隧道設置減錯縫不同縫寬、減錯層不同剛度的減錯效果進行研究。本文依托都汶高速友誼隧道F1黏滑斷層段，對黏滑斷層隧道設置不同縫寬減錯縫、不同剛度減錯層的減錯效果進行研究，以期能夠促進穿越黏滑斷層隧道減錯技術的發展。

圖1 龍溪隧道黏滑斷層段隧道整體垮塌

1 研究情況

1.1 友誼隧道F1黏滑斷層段工程概況

1.1.1 工程地質

隧址區位于紙廠溝與小桃溝之間的山體內，受斷層和巖性影響，節理裂隙較發育，巖體較破碎。

F1黏滑斷層為擠壓性逆斷層，隧道洞身穿F1黏滑斷層而過，走向北東，傾向北西，傾角60°，破碎帶寬度0.5—2.0m，斷層破碎帶主要由糜棱巖、碎塊巖組成，Ⅴ級圍巖。上下盤巖體均為Ⅴ級圍巖。

1.1.2 支護結構設計

隧道支護結構為復合式襯砌，跨度×高度＝9.4m×8.0m；隧道初支采用C25噴射混凝土，厚度25cm，二襯采用C25模筑混凝土，厚度40cm。

1.2 計算情況

1.2.1 計算模型

以友誼隧道F1黏滑斷層段為研究背景，利用FLAC3D有限差分數值模擬軟件建立計算模型，隧道埋深為40m，隧底圍巖厚40m，左右兩側寬度取5倍隧道跨度，約60m，縱向開挖長度100m。本次計算采用brick單元，其中圍巖單元47550個，襯砌單元6820個。計算時圍巖按彈塑性材料考慮，襯砌則按彈性材料考慮。減錯縫采用12m設縫間距（崔光耀等，2013b），減錯層厚度采用10cm（崔光耀等，2013c）。通過在上盤圍巖施加位移荷載來模擬斷層錯動，位移荷載通過施加速度來實現，錯距10cm。

1.2.2 計算參數

施工中減錯縫主要采用止水帶進行連接，減錯層一般采用橡膠板（王帥帥等，2016），圍巖根據勘測資料選取Ⅴ級圍巖。計算模型物理力學參數如表1所示。

表1 計算模型參數

1.2.3 計算工況

本文主要研究減錯縫不同縫寬、減錯層不同剛度對減錯效果的影響規律，計算工況如表2所示。

表2 計算工況

1.2.4 監測布置

計算模型上盤設4個監測斷面、下盤設3個監測斷面，每個監測斷面設置8個監測點，監測布置如圖2所示。

2 減錯縫寬度對減錯效果的影響分析

2.1 結構內力

提取各工況錯動完成時的各監測斷面計算數據，以縫寬10cm為例進行內力分析。軸力、彎矩的計算按照公式（1）、（2）計算（中華人民共和國交通部，2004）。監測斷面最大軸力值見表3，監測斷面最大彎矩值見表4。

軸力、彎矩計算公式為：

圖2 監測布置

表3 監測斷面最大軸力（單位：kN）

注：距斷層距離正值為上盤，負值為下盤，其它同理。

表4 監測斷面最大彎矩（單位：kN·m）

由表3可知，施設減錯縫與無減錯措施工況監測斷面最大軸力值均呈現壓應力狀態，且沿隧道縱向分布趨勢相似，最大值均出現在下盤靠近斷層的斷面，其中無減錯措施工況值為-14884kN，施設減錯縫工況值為-14857kN；隨著監測斷面與斷層的距離增大，監測斷面最大軸力呈下降趨勢。由各監測斷面最大軸力整體分析可知，施設減錯縫工況監測斷面最大軸力略小于無減錯措施工況。

由表4可知，無減錯措施工況監測斷面最大彎矩均表現為外側受拉，施設減錯縫改變了隧道結構受力，出現內側受拉部位；監測斷面最大彎矩值均出現在下盤靠近斷層的斷面，其中不設減錯縫工況值為-217.6kN·m，施設減錯縫工況值為276.1kN·m。由各監測斷面最大彎矩整體分析可知，施設減錯縫工況監測斷面最大彎矩略大于無減錯措施工況。

軸力、彎矩指標主要用于結構設計，單一分析軸力、彎矩不能綜合體現結構的力學性能。隧道支護的結構安全性可由安全系數（綜合考慮了軸力、彎矩等指標）體現。

2.2 結構安全系數

提取各工況錯動完成時的內力計算數據進行安全系數分析，安全系數按照公式（3）、（4）計算（中華人民共和國交通部，2004）。以縫寬10cm進行安全系數分析，監測斷面最小安全系數見表5。

≤Ra（3）

式中，a為混凝土抗壓極限強度（MPa）；l為混凝土抗拉極限強度（MPa）；為構件縱向彎曲系數；為軸向力偏心影響系數；0為軸向力對截面的偏心距（m）。

表5 監測斷面最小安全系數

由表5可知，施設減錯縫與無減錯措施工況監測斷面最小安全系數沿隧道縱向分布趨勢相似，最小值均出現在下盤靠近斷層監測斷面，其中無減錯措施工況安全系數最小值為0.840，施設減錯縫工況安全系數最小值為0.841；隨著監測斷面與斷層距離的增大，監測斷面最小安全系數呈增大趨勢，上盤安全系數整體較下盤小。由各監測斷面最小安全系數整體分析可知，施設減錯縫工況監測斷面最小安全系數略大于無減錯措施工況。

圖3 減錯效果

2.3 減錯效果

根據安全系數分析各工況減錯效果，減錯效果可按式（5）進行計算，各工況減錯效果如圖3所示。

式中：為減錯效果；0為無減錯措施工況監測斷面最小安全系數；1為施設減錯縫工況監測斷面最小安全系數。

由圖3可知，各工況減錯效果沿隧道縱向分布趨勢相似，隨著監測斷面與斷層的距離增大，上下盤減錯效果整體呈上升趨勢，且上盤減錯效果較下盤整體更好，其中上盤減錯效果最大為24.50%，下盤減錯效果最大為9.26%。隨著減錯縫寬度的增加，隧道上盤減錯效果變好，下盤縫寬10—15cm時減錯效果最好，主要由于斷層黏滑錯動對上盤的影響遠大于下盤。減錯縫寬度的增加適應了斷層黏滑錯動造成的上盤強制位移，斷層黏滑錯動的能量得到一定程度的釋放，從而提高了上盤隧道的結構安全性，可以設想，對于隧道上盤部分存在最優減錯縫寬度；減錯縫寬度的增加雖然適應了斷層黏滑錯動造成的下盤強制位移，但由于抵御斷層黏滑錯動對下盤影響所需減錯縫縫寬為10—15cm，當縫寬增加到20cm時，下盤隧道整體剛度的下降對下盤隧道的結構安全性造成了不利影響，致使減錯效果下降。

3 減錯層彈性模量對減錯效果的影響分析

3.1 結構內力

提取各工況錯動完成時各監測斷面的計算數據，以減錯層彈性模量為2.5MPa為例進行內力分析。監測斷面最大軸力值見表6，監測斷面最大彎矩值見表7。

表6 監測斷面最大軸力（單位：kN）

表7 監測斷面最大彎矩（單位：kN·m）

續表

工況距斷層距離/m -21-11-22112132 減錯層彈模（2.5MPa）-173.4-269-254.1-217.1-108.0-59.3-42.7

由表6可知，施設減錯層與無減錯措施工況監測斷面最大軸力值均呈現壓應力狀態，且沿隧道縱向分布趨勢相似，最大值均出現在上下盤靠近斷層的斷面，其中無減錯措施工況值為-17049kN，施設減錯層工況值為-8981kN；隨著監測斷面與斷層距離的增大，監測斷面最大軸力呈下降趨勢。由各監測斷面最大軸力整體分析可知，施設減錯層工況監測斷面最大軸力小于無減錯措施工況。

由表7可知，施設減錯層與無減錯措施工況監測斷面最大彎矩值均表現為外側受拉；無減錯措施工況監測斷面最大彎矩值出現在下盤靠近斷層的斷面，其值為-218kN·m，施設減錯層監測斷面最大彎矩值出現在下盤距離斷層11m處，其值為-269kN·m。由各監測斷面最大彎矩整體分析可知，施設減錯層工況監測斷面最大彎矩大于無減錯措施工況。

3.2 結構安全系數

提取各工況錯動完成時各監測斷面的計算數據，以減錯層彈性模量為2.5MPa為例進行安全系數分析，監測斷面最小安全系數見表8。

表8 監測斷面最小安全系數

由表8可知，施設減錯層與無減錯措施工況監測斷面最小安全系數沿隧道縱向分布趨勢相似，最小值均出現在下盤靠近斷層監測的斷面，其中無減錯措施工況最小安全系數最小值為0.733，施設減錯層工況最小安全系數最小值為1.505；隨著監測斷面與斷層距離的增大，監測斷面最小安全系數呈增大趨勢，上盤安全系數整體較下盤小。由各監測斷面最小安全系數整體分析可知，施設減錯層工況監測斷面最小安全系數大于無減錯措施工況。

圖4 減錯效果

3.3 減錯效果

根據安全系數分析各工況減錯效果，減錯效果計算方法同式（5），各工況減錯效果如圖4所示。

由圖4可知，各工況減錯效果沿隧道縱向分布趨勢相似，隨著監測斷面與斷層距離的增大，上下盤減錯效果整體呈下降趨勢，且下盤減錯效果較上盤整體略好，其中下盤減錯效果最大為105.32%，上盤減錯效果最大為78.07%；當減錯層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯效果趨于穩定。

4 結論

（1）斷層黏滑錯動對隧道上盤的影響遠大于下盤，上盤部分是黏滑斷層隧道減錯設防設計的重點段落。

（2）減錯縫對上盤部分隧道結構的減錯效果優于下盤，其中上盤減錯效果最大為24.50%，下盤減錯效果最大為9.26%；減錯層對下盤部分隧道結構的減錯效果略優于上盤，其中下盤減錯效果最大為105.32%，上盤減錯效果最大為78.07%。

（3）隨著減錯縫寬度的增加，隧道上盤減錯效果變好，下盤縫寬10—15cm減錯效果最好，主要是由于斷層黏滑錯動對上盤的影響遠大于下盤。減錯縫寬度的增加適應了斷層黏滑錯動造成的上盤強制位移，斷層黏滑錯動的能量得到一定程度的釋放，從而提高了上盤隧道的結構安全性，可以設想，對于隧道上盤部分存在最優減錯縫寬度；減錯縫寬度的增加雖然適應了斷層黏滑錯動造成的下盤強制位移，由于抵御斷層黏滑錯動對下盤影響所需減錯縫縫寬為10—15cm，當縫寬增加到20cm時，下盤隧道整體剛度的下降對下盤隧道的結構安全性造成了不利影響，致使減錯效果下降。

（4）隨著減錯層彈性模量的增加，隧道上下盤減錯效果降低；當減錯層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯效果趨于穩定。

崔光耀，王明年，于麗等，2013a．汶川地震斷層破碎帶段隧道結構震害分析及震害機理研究．土木工程學報，46（11）：122—127．

崔光耀，王明年，于麗等，2013b．斷裂黏滑隧道減震縫減震技術模型試驗研究．巖石力學與工程學報，32（8）：1603—1609．

崔光耀，王明年，于麗等，2013c．穿越黏滑錯動斷層隧道減震層減震技術模型試驗研究．巖土工程學報，35（9）：1753—1758．

高孟潭，周本剛，潘華，2008．“5·12”汶川特大地震災害特點及其防災啟示．震災防御技術，3（3）：209—215．

何川，李林，張景等，2014．隧道穿越斷層破碎帶震害機理研究．巖土工程學報，36（3）：427—434．

蔣建平，章楊松，2011．正斷層傾角變化對其下盤隧道圍巖影響的研究．采礦與安全工程學報，28（4）：596—601．

李學峰，代志萍，谷雪影等，2014．活斷層錯動位移下變形縫間距對隧道內力的影響．隧道建設，34（3）：237—242．

劉學增，王熙霖，林亮倫，2014．60°傾角正斷層黏滑錯動對山嶺隧道影響的試驗研究．土木工程學報，47（2）：121—128．

李玉江，陳連旺，楊樹新，2013．基于應變能變化的蘆山強震同震效應的數值模擬．震災防御技術，8（4）：361—369．

四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院，2008．5·12汶川地震災區高速公路和國省干線公路恢復重建工程調查、檢測、評估．成都：四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院．

王帥帥，高波，2016．隧道設置減震層減震機制研究．巖石力學與工程學報，35（3）：592—603．

信春雷，高波，王英學等，2015．跨斷層隧道可變形抗減震措施振動臺試驗研究．巖土力學，36（4）：1041—1049．

熊煒，范文，彭建兵等，2010．正斷層活動對公路山嶺隧道工程影響的數值分析．巖石力學與工程學報，29（S1）：2845—2852．

于海英，王棟，楊永強等，2008．汶川8.0級地震強震動特征初步分析．震災防御技術，3（4）：321—336．

張理平，楊小明，朱海琴等，2017．斷層傾角與相對位置對隧道襯砌地震動力響應的影響分析．南昌工程學院學報，36（1）：46—50，89．

趙伯明，劉洋，2009．斷層錯動對隧道的影響分析．華南地震，29（1）：33—41．

中華人民共和國交通部，2004．JTG D70-2004 公路隧道設計規范．北京：人民交通出版社．

Analysis of Influence of Parameters of Reducing Measures on the Effect of Reducing Dislocation on Tunnels Crossing Stick-slip Faults

Cui Guangyao1), Wu Xiugang1), Wang Mingnian2)and Jing Hongfei3)

1) School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China 2) Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of the Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China 3) China Railway Fifth Survey and Design Institute Group, Beijing 102600, China

In order to improve the safety and stability of tunnels structure with crossing stick-slip fault, we study the technology on the effect of reducing dislocation by setting different width of reducing dislocation gap and different stiffness of reducing dislocation layer on tunnels with crossing stick-slip fault. The results shows that, the effect of stick-slip fracture movement on hanging wall is larger than that on footwall; the reducing dislocation effect of reducing dislocation joints on the hanging wall of tunnel structure is better than that on footwall, which the maximum effect of the hanging wall is 24.50% and the maximum of the footwall is 9.26%. The reducing dislocation effect of reducing dislocation layer on the footwall of tunnel structure is slightly better than that on hanging wall, which the maximum effect of the footwall is 105.32% and the maximum effect of the hanging wall is 78.07%. With the increase of the width of the reducing dislocation gap, the reducing dislocation effect of the hanging wall is better improved, and the footwall width of 10~15cm is mostly improved. With the increase of the elastic modulus of the reducing dislocation layer, the reducing dislocation effect of the tunnel is reduced, and when the elastic modulus of the reducing dislocation layer is increased to a certain extent (about 100MPa), the reduction dislocation effect tends to be stable. The research results can provide a reference for the structural design and construction of reducing dislocation on the tunnel with crossing stick-slip faults.

Tunnel engineering; Stick-slip fault; Reducing dislocation gap; Reducing dislocation layer; Parameter analysis

崔光耀，伍修剛，王明年，荊鴻飛，2018．黏滑斷層隧道減錯措施參數對減錯效果的影響分析．震災防御技術，13（3）：502—511．

10.11899/zzfy20180302

國家自然科學基金（51408008、51478277），北京市青年拔尖人才培育計劃（1759-004），四川省應用基礎研究計劃項目（2015JY0166）

2018-01-26

崔光耀，男，生于1983年。副教授。主要從事隧道與地下工程研究。E-mail：cyao456@163.com