活動斷層錯動下鉸接式隧道襯砌的力學試驗研究

諶亞威

(中國土木工程集團有限公司，北京 100038)

由于我國廣泛的活動斷裂分布，鄧起東[1]將我國活動斷裂分為7 個斷塊區、31 個二級斷塊。 相對于地面結構，地震作用下地下結構的受損率較低，但幾次大地震(1995年日本大阪7.2 級地震；1999 年中國臺灣集集7.6 級地震、土耳其伊茲米特7.8 級地震；2008 年中國汶川8.0 級地震)對地下結構造成了大規模的損傷，使得人們逐漸提高了對地下結構抗震的意識。

目前國內外對劇烈的地震作用下隧道力學響應和抗震措施研究得較多且比較深入， 而活動性斷層緩慢錯動下隧道穩定性的研究主要集中在隧道襯砌結構的設計方面，仍未形成系統的設計與施工對策。例如多地隧道穿越活動斷層時，采用了“鉸接設計”的理念[2-4]；劉學增等[5-7]采用模型試驗對不同傾角的正斷層在黏滑錯動下整體式隧道結構的受力變形特點進行了研究；崔光耀[8]采用模型試驗對斷層黏滑錯動下整體式隧道結構設置減震層的效果及參數進行了研究，提出適宜的減震層厚度；劉學增等[9-10]對鉸接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， 指出鉸接式襯砌結構在縱向應變、破壞范圍等方面要小于整體式襯砌。

由于斷裂活動的復雜性， 活動斷層錯動下鉸鏈式隧道襯砌結構與圍巖相互作用機理仍需進深入研究。 本文依托敦格單線鐵路中的闊克薩隧道，建立與F3 活動性逆斷層正交的鉸接式隧道襯砌結構物理模型， 分析了斷層在黏滑錯動下襯砌結構不同位置處圍巖壓力、 結構變形分布特征，并對隧道設置減震層效果進行比較，為穿越活動斷裂的隧道結構設計提供技術參考。

1 工程簡介

敦煌-格爾木單線鐵路的闊克薩隧道地處當金山中山區，長度752 m，圍巖級別為Ⅴ級。 該隧道穿越祁連褶皺系阿爾金山斷塊，由于受到多期地質構造的影響，該褶帶地質構造較為復雜。 工點范圍內溝谷發育，地形凌亂，植被稀疏。 隧道洞身全段位于F3 斷層破碎帶內，隧道縱斷面如圖1 所示。

根據地質勘察工作， 在充分利用初測地質資料的基礎上， 對隧道通過區進行了精度為1∶2000 的地質調查。地質調查的寬度覆蓋隧道中線兩側各1 km，對地質界線及斷層的調查采用穿越路線為主、 追蹤路線為輔的調查方法；地質點的標定采用地形圖、GPS 相結合的原則。 工作中充分利用了綜合勘探的各種手段， 根據地質調查的結果，布置物探、鉆探加以驗證，并對調查結果進行修正；利用鉆探查明淺埋段覆蓋層及風化層厚度、洞身巖性、巖石完整程度、斷層走向等，并進行綜合物探測試，在隧道通過范圍內取樣試驗以取得各類巖石的物理力學指標；在有條件作業處布置物探工作， 以查明覆蓋層及巖石風化層厚度、斷層走向傾向、巖石破碎程度、巖石富水情況等。 由此得到，隧址區地質構造發育，隧道主要穿越F2、F3 斷層，為全新世活動斷層。 隧道洞身主要位于F3 斷層破碎帶內。 F3 為左旋走滑逆斷層，南盤為上升盤，出露震旦系長城組石英片巖，北盤為下降盤，出露第三系泥巖夾礫巖， 震旦系石英片巖地層逆沖到上第三系泥巖夾礫巖之上。 破碎帶以斷層泥、斷層角礫為主，局部可見有碎裂巖，寬度500～1200 m。 近東西向展布，延伸約84.5 km，傾角25°～48°。 該斷層為全新世活動斷層，有明顯活動的痕跡，斷層兩側強烈擠壓，在斷層南側可見有泉出露。 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：水平6.2 m、垂直2.8 m。 闊克薩隧道全部在斷層破碎帶內通過，對隧道工程影響很大。

2 模型試驗設計

2.1 模型箱制作

如圖2(a)所示，箱體長×寬×高=2.5 m×1.5 m×1.5 m，兩側設觀測窗， 上盤置于加載裝置之上、 下盤固定于地面。 將試驗箱分為上盤(上升盤)和下盤(固定盤)2 部分，固定下盤，通過千斤頂升降以實現上盤上升，本次試驗斷層傾角設置為40°。 考慮模型箱的尺寸和邊界效應，確定模型試驗的相似比如表1 所示。

表1 模型試驗相似比

圖2 模型試驗裝置

2.2 圍巖注漿加固設計

隧道原型圍巖為Ⅴ級， 原型圍巖及按照相似關系確定的物理模型圍巖的物理力學參數范圍見表2。 圍巖相似材料為重晶石、石英砂、石膏和水按6.463∶6.463∶1∶1 混合， 材料配合比及力學參數見表3。 隧道二襯由石膏制成，測得彈模為744.4 MPa。

表2 圍巖的物理力學參數表

表3 配好的圍巖材料測試結果

2.3 隧道襯砌模型制作

原型隧道襯砌節段長度為14 m，按照幾何相似比換算成模型襯砌節段長度取46 cm，共5 個節段；采用5 mm 厚橡膠條粘結到節段兩側襯砌端面進行柔性鉸接模擬，連接后的襯砌模型如圖2(b)所示，模型隧道埋深58 cm， 模型箱底板與隧道模型底部之間土層厚度為57 cm，如圖3 所示。

圖3 測點布置圖(單位：mm)

試驗監測內容包括隧道襯砌的環形應變、縱向應變，隧道與地層的接觸壓力。 沿隧道模型縱向設置8 個監測斷面，測點布置考慮結構對稱性，在隧道拱頂、單側墻腰及仰拱外側布設微型壓力傳感器，共24 個；在隧道拱頂、單側墻腰及仰拱外側布設Bx120-8AA 型電阻式環向應變片， 共48 個； 在隧道另一單側墻腰外側布設Bx120-8AA 型電阻式縱向應變片，共16 個，具體見圖3。

斷層錯動的加載裝置為分離式液壓千斤頂， 通過控制沿斷層面方向的位移加載速率來模擬斷層的黏滑錯動，考慮到數據采集的可操作性，采用較快加載方式，位移加載速率為2 mm/min。 加載過程中動態采集、儲存應變、接觸壓力數據，測試不同錯距下隧道變形受力、接觸壓力的變化情況

3 設置特殊變形縫的鉸接式襯砌結果

3.1 隧道縱向應變

沿隧道縱向在右側墻腰處設置了8 個縱向應變片，斷層錯動引起的各測點應變量隨斷層錯動量變化規律見圖4。 由圖4 可見，較大縱向應變出現在與斷層面相交的襯砌節段，其他節段應變量相對較小，最大應變位于2#節段7# 監測面，其值為-30.3 με，表明斷層錯動下，與之相交的節段應變值最大，極易損壞；同時由于變形縫的設置，相鄰節段縱向應變值在-5.0～-11.2 με，相比與最大應變，降低了70%～83%，距離斷層面越遠，錯動影響越小，變形縫的隔斷效果明顯。

圖4 不同錯動量下各測點縱向應變變化曲線

3.2 隧道環向應變

圖5 不同錯動量下隧道各測點環向應變變化曲線

為觀察斷層錯動下鉸接式襯砌變形特征， 在模型隧道的拱頂、 左側墻腰及仰拱外側各置了8 個縱環向應變片， 錯動引起的各測點應變量隨斷層錯動量變化規律見圖5。 由圖5 可見：①隧道拱頂、邊墻及仰拱處環向應變變化規律基本相同， 較大環向應變出現在與斷層面相交的節段，其他節段應變量相對較小，最大環向應變位于7# 監測面，其中拱頂最大應變為-81.2 με、墻腰最大應變為-57.2 με、仰拱最大應變為-41.3 με，拱頂壓應變值最大；②與2# 節段相比，其他節段拱頂環向應變值在-30～57 με，降低了29%～63%；墻腰環向應變值在-25～-43 με， 降低了23%～57%； 仰拱環向應變值在-20～-28 με，降低了33%～53%，變形縫對隧道各部環向應變減弱程度影響基本一致。

3.3 隧道接觸壓力

圖6 不同錯動量下隧道各測點接觸壓力變化曲線

斷層錯動過程中各段襯砌與圍巖之間的接觸壓力通過黏貼在襯砌外表面的微型土壓力計來測試， 在隧道模型的拱頂、左側墻腰及仰拱外側各置了8 個土壓力計，試驗測得斷層錯動過程中接觸壓力增量與錯動量之間的規律如圖6 所示，測試數據已通過相似比換算到原型狀態。由圖6 可知： ①不同位置的接觸壓力隨錯動量的增加而增大，變化規律一致；②最大接觸壓力位置出現在與斷層面相交的2# 節段6# 測點處， 拱頂處最大接觸壓力為0.27 MPa，墻腰處最大接觸壓力為0.13 MPa，仰拱處最大接觸壓力為0.33 MPa， 三者比較仰拱處接觸壓力最大；③與2# 節段相比，其他節段拱頂接觸壓力在0.1～0.19 MPa， 降低了30%～63%； 墻腰接觸壓力在0.06～0.10 MPa， 降低了23%～54%； 仰拱接觸壓力在0.11～0.22 MPa，降低了33%～67%。

4 設置減震層前后試驗結構結果比較

4.1 結構受力、變形比較

為了研究減震層對斷層錯動下隧道結構受力、 變形的影響，在鉸接式襯砌模型外側敷設了10 mm 厚的海綿橡膠板， 襯砌應變及接觸壓力測點布置位置和數量與不設減震層試驗相同。 由于隧道設置減震層與不設減震層時隧道縱向、 環向應變及接觸壓力與斷層錯動量之間的規律基本一致，在此僅討論錯動量為90 mm 時設置減震層對襯砌應變和接觸壓力的影響，如圖7～8 所示。在相同錯動量下， 敷設減震層時各測點襯砌應變普遍小于不設減震層的工況，變化最大的為7# 測點拱頂環向應變，由-81.2 με 減小到-74.5 με，降低了8.3%；接觸壓力也呈現出相同規律， 變化最大的為7# 測點仰拱接觸壓力，換算到原型后由-0.33 MPa 減小到-0.31 MPa， 降低了6.1%。 這表明減震層對結構受力有一定改善作用，但效果不明顯。

圖7 設置減震層與不設減震層下襯砌應變對比曲線

圖8 設置減震層與不設減震層下接觸壓力對比曲線

4.2 襯砌結構破壞特征

5 個襯砌節段中，與斷層面正交的2# 襯砌節段(圖9所示深色位置)破損最嚴重，襯砌模型塊拱頂位置出現一條寬度為2 mm 的縱向裂縫，貫穿整個襯砌模型塊，把模型塊拱頂一分為二；襯砌模型塊邊墻位置出現一條1 mm斜向裂縫和一條1 mm 環向裂縫結合的裂縫延伸情況，把模型塊邊墻完全錯開； 襯砌模型塊兩個拱腳位置均發生縱向斷裂；襯砌模型塊仰拱位置出現一條1 mm“V”字形環向裂縫，環向貫穿仰拱。 2 號襯砌模型塊的破壞情況如圖10 所示。

圖9 襯砌塊2 號位置(單位：mm)

圖10 襯砌塊2 號裂縫

位于錯動盤的3#、4#、5# 襯砌節段裂縫分布及破壞特征與2# 節段相似， 但裂縫規模逐漸減?。?# 襯砌節段裂縫分布特征與前面四個不同， 拱頂出現一條寬度為1 mm 的主貫通裂縫和隨機分布的一些微裂縫， 邊墻沒發現裂縫，仰拱出現一條寬約0.5 mm 的非貫通性斜向裂縫。

與不設減震層工況相比，與斷層正交的2# 襯砌節段破損最嚴重，裂縫分布與不設減震層情況下基本一致，只是裂縫寬度減小，拱頂裂縫寬為1.5 mm，其他部位裂縫寬度也變小，為0.7 mm 左右；其他襯砌節段的裂縫分布與不設減震層相同，只是裂縫規模減小。

綜上，斷層錯動后與斷層正交的2# 節段襯砌破損最嚴重，其他襯砌節段破損較輕，襯砌破壞主要為壓剪性破壞，環向與縱向裂縫發育。設減震層對減弱襯砌破損有一定作用。

5 結論

通過模型試驗， 采用強制位移法對設置特殊變形縫的鉸接式襯砌在逆斷層錯動下各節段的受力、 變形特征進行分析，并對設置減震層效果進行對比，得出主要結論如下：

(1)鉸接式襯砌在斷層錯動過程中，結構最大應變與接觸壓力皆出現在與斷層面相交的2# 襯砌節段；其中拱頂位置應變值最大，墻腰和仰拱處相對較??；最大接觸壓力出現在仰拱處，其次為拱頂與墻腰。

(2)受特殊變形縫的隔斷效應影響，與2# 襯砌節段相鄰其他節段縱向應變值降低了70%～83%，環向應變值降低了23%～63%，結構變形明顯減小。斷層錯動過程中，與2# 襯砌節段相鄰其他節段接觸壓力降低了23%～37%，結構受力明顯改善。

(3)設置減震層后，各襯砌節段的應變和接觸壓力出現了不同程度的降低，與斷層面相交的節段減小量最大，其中拱頂環向應變降低了8.3%， 仰拱接觸壓力降低了6.1%，表明減震層對結構受力有一定改善作用，但效果不明顯。

(4)斷層錯動后與斷層正交的2# 節段襯砌破損最嚴重， 其他襯砌節段破損較輕， 襯砌破壞主要為壓剪性破壞，環向與縱向裂縫發育。減震層對減弱襯砌破損有一定作用。