減震層對跨斷層隧道抗錯斷效果的模型試驗研究

李守剛

(蘭州鐵道設計院有限公司,蘭州 730000)

地震和斷層錯動對跨斷層隧道的影響很大，是引起隧道破壞的主要因素[1]。集集地震[2]、汶川地震[3-5]震后調查均顯示斷層破碎帶區隧道襯砌發生了嚴重的破壞，是跨斷層隧道的重點防護區域，已有諸多學者進行了相關的研究。信春雷等[6-7]對跨走滑斷層隧道的 抗減震措施進行振動臺模型試驗，研究跨走滑斷層隧道的地震破壞特征；何川等[8]運用現場調研、模型試驗和數值模擬相結合的手段，對隧道穿越斷層破碎帶的震害機理進行了研究；耿萍等[9-10]通過數值模擬與振動臺模型試驗相結合的方法，研究穿越斷層破碎帶隧道的合理設防長度。而對于斷層錯動，主要是由于斷層的蠕滑錯動引起隧道結構的錯斷，即隧道的抗斷問題。目前在穿越活斷層時隧道的抗斷防護措施主要有設置減震縫和減震層，其中對于設置減震縫的研究較多。劉學增等[11-13]通過一系列模型試驗研究變形縫與斷層傾角對跨斷層隧道的影響；王道遠等[14]通過模型試驗對減錯縫位置對黏滑斷層隧道的減錯效果的影響進行了研究；李學鋒等[15]運用數值模擬的方法對變形縫間距對跨斷層隧道內力的影響進行了研究；在減震層設置方面，崔光耀等[16-17]對黏滑斷層隧道減錯措施參數對減錯效果的影響進行了分析。

以上研究成果對跨斷層隧道在地震或斷層錯動作用下隧道襯砌的防護具有重要的指導意義，然而對同時設置減震縫和減震層后隧道抗錯斷效果，卻研究較少。結合敦(敦煌)格(格爾木)鐵路闊克薩單線隧道，采用模型試驗的方法，研究跨斷層隧道同時設置減震縫和減震層后隧道襯砌的變形、襯砌與圍巖間的接觸壓力以及襯砌的破壞特征，為跨斷層區的隧道設計提供參考。

1 依托工程概況與試驗方案

1.1 依托工程概況

敦煌至格爾木鐵路闊克薩隧道位于甘肅省阿克塞縣，全長524 m，最大埋深約為55 m，穿越F2、F3斷層。該斷層為全新世活動斷層，滑動速率為水平0.16 mm/a、垂直2.4 mm/a，預測未來100年的突發位錯量為水平6.2 m、垂直2.8 m，對隧道工程影響較大。闊克薩隧道為單線鐵路隧道，采用復合式襯砌，其中初支為C25的噴射混凝土，厚22 cm，設置系統錨桿，錨桿長3 m，鋼架(H175)間距為0.6 m，二襯為C40的鋼筋混凝土，厚度為35 cm。

1.2 工況設置

分別進行了僅設置減震縫和減震縫+減震層的2組試驗，每組試驗均在襯砌橫斷面上設置環向應變片來測試斷層錯動過程中隧道橫斷面的受力情況，在圍巖與襯砌之間設置微型壓力傳感器來測試斷層錯動過程中圍巖與襯砌之間的接觸壓力變化情況，探討減震層對跨斷層隧道的抗錯斷效果。

1.3 試驗裝置

斷層模型試驗箱設計如圖1所示。模型箱長2.5 m，寬1.5 m，高1.5 m，由不動盤和活動盤(上盤)兩部分組成，其中不動盤部分長1.3 m，活動盤部分長1.2 m，不動盤由24個φ26 mm膨脹螺栓固定，活動盤由活動底座和鋼管承載，如圖1(a)、圖1(b)所示。活動盤(上盤)底部安裝4個50 kN的千斤頂，通過千斤頂的升降來模擬斷層的錯動，如圖1(c)所示。

圖1 斷層錯動模型試驗箱

1.4 相似材料

根據依托工程隧道的斷面尺寸和模型箱條件，確定幾何相似比CL=30。依據相似定律，確定模型的相似比如表1所示。

表1 試驗主要物理量的相似關系

闊克薩隧道跨斷層段主要為Ⅴ級圍巖，參考TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[18]中Ⅴ級圍巖參數的取值范圍和相似比情況，得出原型與模型的物理力學參數取值范圍如表2所示。

表2 圍巖原型與模型物理力學參數

綜合前人試驗中廣泛采用的圍巖相似材料[19-20]以及十多次的正交試驗反復篩選，最終確定圍巖相似材料的配比如表3所示。

表3 圍巖相似材料配比

原型中隧道采用復合式襯砌，初支為C25噴射混凝土、二襯為C40鋼筋混凝土，在襯砌模型制作中初支和二襯一起考慮。

根據經驗，石膏的性質和混凝土比較接近，均屬脆性材料，且石膏可塑性較強，取材容易，適合制作模型。因此，襯砌采用石膏進行制作。石膏的彈性模量約為(0.6～1.0)×103MPa，根據相似比及正交試驗，最終確定膏水比為1.55∶1，彈性模量為744.4 MPa。

1.5 模型制作

模型中襯砌厚20 mm，襯砌分段制作，每段長度為48 cm，節段之間設置減震縫，減震縫使用5 mm厚的橡膠條通過504膠粘合，使各節段粘結成一個長隧道模型，減震層采用海綿橡膠板模擬，所采用海綿橡膠的厚度為10 mm，減震層與襯砌之間設置聚乙烯膜模擬防水板。制作完成后的節段模型與整體模型如圖2所示。

圖2 隧道模型

1.6 斷層破碎帶模擬

斷層破碎帶處圍巖條件較差，主要特點是破碎、松散、易變性、遇水強度低等。通常可采用細砂、粉煤灰及云母片的混合料進行模擬。由于試驗主要研究斷層錯動對隧道結構的影響，因此試驗采用兩層PVC塑料板中涂黃油來模擬斷層的黏滑錯動。如圖3所示。

圖3 涂抹黃油后的PVC板

1.7 量測系統

試驗主要觀測隧道襯砌在黏滑斷層錯動過程中的受力情況與破壞特征，因此在模型試驗中主要測量了隧道襯砌模型的環向應變和隧道襯砌與圍巖之間的接觸壓力。整個隧道襯砌共布置8個監測斷面，每個監測斷面距變形縫的距離為10 cm，傳感器布置斷面和橫斷面監測點布置位置如圖4(a)、圖4(b)所示。使用的測試元件為Bx120-8AA型電阻應變片和0.5 MPa微型壓力傳感器，如圖4(c)所示。環向應變片在襯砌拱頂、左邊墻和仰拱位置內外表面各布置1片，縱向應變片在右邊墻內外表面各布置1片，微型壓力盒布置在襯砌監測點的外表面。

圖4 測試斷面和測點布置(單位：cm)

由勘察資料知該斷層未來100年的錯動量垂直方向為2.8 m，根據相似比進行換算后可得垂直方向的錯動量為9.33 cm，因此采用千斤頂加載時抬升量控制在9.33 cm。

2 試驗結果分析

2.1 斷層錯動對襯砌受力特征的影響

為了研究斷層錯動對襯砌結構受力特性的影響，提取了斷層錯動前后各測試斷面監測點的應變峰值以及接觸壓力峰值，計算了斷層錯動前后各監測斷面監測點處的應變差值和接觸壓力差值，其變化規律如圖5和圖6所示。

圖5 斷層錯動前后環向應變差

圖6 斷層錯動前后接觸壓力差

從圖5和圖6可以看出，不論是設置減震縫還是減震縫和減震層相結合，斷層錯動均對跨斷層襯砌節段(節段Ⅱ)以及與之相連的襯砌節段的受力有較大影響。其中以②號斷面和③號斷面上的環向應變和接觸壓力最大。隨著距斷層距離的增大，襯砌上的環向應變和接觸壓力逐漸減小，到與跨斷層節段間隔的節段(節段Ⅳ)時，襯砌受力和接觸壓力基本趨于穩定，受斷層錯動的影響減弱。減震縫與減震層相結合對跨斷層隧道的抗錯具有一定的減弱作用。與只設置減震縫相比，減震縫+減震層情況下襯砌環向應變的降低幅度為1.7%～13.9%，以距斷層較近處的監測斷面降低最多。減震層對接觸壓力的降低作用較為明顯，接觸壓力的降低幅度為7.5%～31%，其中以與斷層較近處的監測斷面處降低幅度較大。

定義斷層錯動影響系數為(錯動后變量-錯動前變量)/錯動前變量，其變化如圖7和圖8所示。

圖7 斷層錯動環向應變影響系數

圖8 斷層錯動接觸壓力影響系數

從圖7和圖8可以看出，斷層錯動使隧道的受力明顯增大。其中只設置減震縫時環向應變的增大倍數在4.9～15.1，接觸壓力的增大倍數在1.9～5.8；減震縫與減震層相結合時環向應變的增大倍數在4.8～14.2，接觸壓力的增大倍數在1.4～5.6；與只設減震縫相比，環向應變最大降低了11.7%，接觸壓力最大降低了11.9%。影響最大的區域為與跨斷層節段相連的區域。

2.2 斷層錯動引起地表和襯砌的破壞特征

斷層錯動過程中，兩種工況在跨越斷層位置處地表均出現了裂縫，如圖9所示。所不同的是，只設減震縫工況時地表裂縫較多，而減震縫+減震層工況時產生的裂縫較少，只有1條主要裂縫。由此可以看出，減震層可以減小地層位移，從而降低對地表的破壞程度。

圖9 斷層錯動后地表裂縫分布

斷層錯動后，兩種工況下跨斷層襯砌(節段Ⅱ)和與之相連的襯砌(節段Ⅰ、Ⅲ)均發生了不同程度的破壞，其中以節段Ⅱ襯砌破壞最為嚴重，節段Ⅲ次之，破壞特征如圖10、圖11所示。

圖10 節段Ⅱ襯砌裂縫分布

圖11 節段Ⅲ襯砌裂縫分布

不設減震層時，節段Ⅱ襯砌在拱頂位置處出現了1條寬度為2 mm的縱向裂縫，貫穿整個襯砌模型，將模型拱頂一分為二，且在拱腳和邊墻位置處發生了錯段，破壞嚴重；當設置減震層后，節段Ⅱ襯砌在拱頂處也出現了1條貫通裂縫，但裂縫寬度較小，且在邊墻和仰拱交界位置處只產生了縱向裂縫，并沒有發生錯斷。同樣，節段Ⅲ襯砌節段在設置減震層時其裂縫條數和寬度均小于不設減震層時的情況。說明減震層的設置對跨斷層隧道襯砌防錯斷具有較好的效果。

3 結論

通過對跨斷層隧道設置減震縫、減震縫+減震層的兩種工況在斷層錯動時襯砌的受力和破壞情況的模型試驗研究，得出以下主要結論。

(1)在設置和不設置減震層情況下，跨越斷層的隧道節段以及與之相連的節段受斷層錯動的影響均較大，是跨斷層隧道抗錯斷的重點設防部位。

(2)設置減震層后，襯砌的環向應變和接觸壓力均有所減小，環向應變減小1.7%～13.9%，接觸壓力減小7.5%～31%，接觸壓力減小的幅度較應變減小的幅度大。

(3)在不設置減震層時，斷層錯動引起襯砌應變增大4.9～15.1倍，接觸壓力增大1.9～5.8倍；設置減震層后，斷層錯動引起襯砌應變增大4.8～14.2倍，接觸壓力增大1.4～5.6倍。

(4)設置減震層后，跨斷層節段以及與之相連的節段襯砌破壞情況明顯減弱，減震層的設置對跨斷層隧道襯砌防錯斷具有較好的效果。

(5)經過模型試驗與理論分析，闊克薩隧道在設計中采用了加固圍巖、設置柔性接頭和超挖的3種設計理念。其中隧道襯砌每隔18 m設置1道變形縫，并采用φ42 mm小導管進行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7 m。