黏滑斷層隧道剛柔并濟抗減錯技術研究

崔光耀, 魏杭杭, 王明年

(1. 北方工業大學 土木工程學院, 北京 100144; 2. 西南交通大學 土木工程學院, 四川 成都 610031;3. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

0 引言

我國西部山區地質條件復雜,地震活動頻繁,斷裂構造發育。隨著西部交通基礎建設的蓬勃發展,致使穿越黏滑斷層隧道大量涌現,如在建川藏高速系列隧道、大瑞鐵路系列隧道等。在汶川地震中,都映高速穿越黏滑斷層系列隧道洞身主體結構破壞嚴重,甚至出現襯砌垮塌、圍巖垮塌的嚴重震害(圖1),嚴重影響災后生命線搶通、救援及恢復重建工作[1-2](1)四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院.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,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。

圖1 龍溪隧道黏滑斷層段隧道整體垮塌Fig.1 Overall collapse of stick-slip fracture section of Longxi tunnel

斷層黏滑錯動和強震震動是造成強震區黏滑斷層隧道震害的主要影響因素,其中斷層黏滑錯動影響較大,強震震動影響次之。目前黏滑斷層隧道抗錯斷措施主要有抗錯和減錯兩種,圍巖加強、結構加強為抗錯措施;二襯施設減錯縫及初支與二襯之間設置減錯層為減錯措施。由于采用單一設防措施難以有效抵抗或消減斷層黏滑錯動的作用,本文提出采用剛柔并濟抗減錯措施(二襯加強+初支與二襯之間施設減錯層)予以設防。

國內外有關專家、學者對黏滑斷層隧道抗減錯技術做了部分研究,主要有:對穿越活動斷層隧道震害機理進行了研究[3-4];依托實際工程,通過模型試驗對斷層錯動下隧道抗錯斷力學機制及破壞機理進行了研究[5-6];通過模型試驗對斷層錯動下圍巖與隧道結構的位移和應力變化進行了研究[7-9];對不同傾角斷層黏滑錯動作用下隧道支護結構的受力特性進行了研究[10-13];利用模型試驗與數值模擬對黏滑斷層隧道設置減錯縫和減錯層的減錯技術進行了研究[14-17]。以上研究在黏滑斷層隧道斷層致災機理、減錯技術方面做了部分研究,而在黏滑斷層隧道采用結構加強與施設減錯措施綜合設防方面研究很少。本文以都汶高速友誼隧道F1黏滑斷層段為研究背景,對黏滑斷層隧道采用剛柔并濟抗減錯措施(二襯加強+初支與二襯之間施設減錯層)進行研究,這對黏滑斷層隧道抗減錯技術的發展有著重要的意義。

1 友誼隧道F1黏滑斷層段工程概況

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NE,傾向NW,傾角60°,破碎帶寬度0.5～2.0 m,延伸長度約1 km,斷層破碎帶主要由糜棱巖、碎塊巖組成,Ⅴ級圍巖,在里程K1028+259.8處與路線斜交。斷層破碎帶上盤巖體主要由砂巖組成,巖體較為完整,強度較高,屬于Ⅳ級圍巖,下盤主要由第四系崩坡堆積層的塊碎石土和強、中風化巖石組成,巖體完整性較差,屬于Ⅴ級圍巖。

1.2 支護結構設計

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

2 研究情況

2.1 計算模型

依托友誼隧道F1黏滑斷層段建立計算模型,隧道埋深為40 m,隧底圍巖厚40 m,左右兩側寬度取5倍隧道跨度約60 m,縱向開挖長度100 m,斷層錯動距離為10 cm。本文主要研究上下盤巖體中隧道結構受黏滑斷層錯動作用的影響及對策,對破碎帶段圍巖及結構不做研究,加之破碎帶較窄,故簡化為平面。計算模型如圖2所示。錯動模擬采用的邊界條件是以下盤為固定盤,以上盤為活動盤,通過在上盤施加位移荷載來模擬斷層錯動。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

2.2 計算工況

為研究黏滑斷層隧道采用剛柔并濟抗減錯措施的抗減錯效果,隧道二襯分別采用C25(E為28 GPa)和C35(E為31.5 GPa)混凝土,在初支與二襯間施設減錯層。計算工況列于表1。

表1 計算工況

2.3 計算參數

施工中減錯層一般采用橡膠板,厚度取10 cm[13];圍巖根據勘測資料選取Ⅴ級圍巖。計算模型物理學參數列于表2。

表2 計算模型參數

2.4 監測布置

監測布置如圖3所示。

3 計算結果及分析

3.1 結構位移

提取各X1、S1黏滑錯動完成時監測斷面計算數據,進行結構位移分析。

3.1.1 拱頂沉降

各監測斷面的拱頂沉降列于表3。

表3 監測斷面拱頂沉降(單位:m)

由表3可知:

(1) 各工況靠近斷層監測斷面上盤拱頂沉降均大于下盤拱頂沉降,其中工況1靠近斷層監測斷面拱頂沉降最大,分別為0.282 m、0.353 m。

(2) 工況2相對于工況1,拱頂沉降略微減小,說明結構加強對拱頂沉降的控制效果一般。

(3) 工況3相對于工況1、工況4相對于工況2,拱頂沉降明顯減小,抗減錯效果分別達到33%以上。

(4) 工況4靠近斷層監測斷面拱頂沉降最小,分別為0.181 m、0.229 m,相對于工況1抗減錯效果達到36%以上,因此可知,采用剛柔并濟抗減錯措施能有效控制隧道拱頂沉降。

3.1.2 邊墻收斂

各監測斷面的邊墻收斂值列于表4。

表4 監測斷面邊墻收斂值(單位:m)

由表4可知:

(1) 各工況靠近斷層監測斷面上盤邊墻收斂均大于下盤邊墻收斂。

(2) 工況2相對于工況1,邊墻收斂略微減小,說明結構加強對邊墻收斂的控制效果一般。

(3) 工況3相對于工況1、工況4相對于工況2,邊墻收斂明顯減小,抗減錯效果分別達到20%以上。

(4) 工況4靠近斷層監測斷面邊墻收斂最小,分別為0.011 m、0.016 m,相對于工況1的抗減錯效果達到30%以上,因此可知,采用剛柔并濟抗減錯措施能有效控制隧道邊墻收斂。

3.2 結構內力

提取各工況黏滑錯動完成時各監測斷面計算數據,進行內力分析。

(1) 軸力

各監測斷面最大軸力值列于表5。

表5 監測斷面最大軸力(單位:kN)

由表5可知,工況1、2各監測斷面最大軸力均呈現出壓應力狀態,且沿隧道縱向分布趨勢相似,最大軸力值均出現在下盤靠近斷層斷面,其中工況1值為-14 884 kN,工況2值為-16 400 kN。工況3、4靠近斷層斷面(X1、S1)最大軸力呈現出拉應力狀態,其余各監測斷面最大軸力均呈現出壓應力狀態;兩工況最大軸力值均出現在上盤靠近斷層斷面,其中工況3值為11 878 kN,工況4值為12 487 kN。隨著上下盤斷面與斷層的距離增大,斷面最大軸力呈下降趨勢。

從數值上整體來看,工況2監測斷面最大軸力值大于工況1,工況4的則大于工況3,說明通過結構加強不能降低隧道結構所受最大軸力;工況3監測斷面最大軸力值小于工況1,工況4的則小于工況2,說明通過施設減錯層能有效降低隧道結構所受最大軸力;工況4監測斷面最大軸力值遠小于工況1,說明采用剛柔并濟抗減錯措施能有效降低隧道結構所受最大軸力。

(2) 彎矩

各監測斷面最大彎矩值列于表6。

由表6可知,各工況監測斷面最大彎矩值均出現在下盤靠近斷層斷面,其中工況2最大,值為-240.5 kN.m,工況3次之,值為236.0 kN.m,工況1最小,值為-217.6 kN.m。隨著監測斷面與斷層的距離增大,工況1、2隧道下盤最大彎矩呈下降趨勢,上盤最大彎矩先下降然后上升;工況3、4隧道上下盤最大彎矩均呈下降趨勢。工況1、2監測斷面最大彎矩均表現為外側受拉;工況3、4下盤靠近斷層斷面處表現為內側受拉,其余均表現為外側受拉。

表6 監測斷面最大彎矩(單位:kN·m)

從數值上整體來看,工況2監測斷面最大彎矩值大于工況1,工況4監測斷面最大彎矩值大于工況3,說明通過結構加強不能降低隧道結構所受最大彎矩;工況3監測斷面最大彎矩值大于工況1,說明通過施設減錯層不能降低隧道結構所受最大彎矩;工況4監測斷面最大彎矩值遠大于工況1,說明采用剛柔并濟抗減錯措施不能降低隧道結構所受最大彎矩。

(3) 結構安全系數

提取各工況錯動完成時各監測斷面計算數據進行安全系數分析,襯砌結構安全系數按照式(1)～(2)計算[14],各工況監測斷面最小安全系數列于表7。 根據安全系數計算平均抗減錯效果,如表8所列。

安全系數:

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中:b為截面寬度,取1 m;h為截面厚度;E為彈性模量;N為結構軸力;Ra為混凝土抗壓極限強度;Rl為混凝土抗拉極限強度;K為安全系數;φ為構件縱向彎曲系數;α為軸向力偏心影響系數。

表7 監測斷面最小安全系數

表8 平均抗減錯效果

由表7可知,各工況監測斷面最小安全系數沿隧道縱向分布趨勢相似,最小值均出現在靠近斷層斷面(X1、S1),其中工況1最小,值為0.84,工況2、3次之,均為1.06,工況4最大,值為1.40。隨著上下盤斷面與斷層的距離增大,斷面最小安全系數整體呈增大趨勢,且距離斷層同間距下,上盤安全系數整體較下盤小,斷層黏滑錯動對隧道上盤的影響遠大于下盤。

從數值上整體來看,工況2、3監測斷面最小安全系數值大于工況1,其中工況3遠大于工況2,說明通過施設減錯層消減斷層黏滑錯動對隧道結構的影響優于結構加強措施抵抗其影響;工況4監測斷面最小安全系數值遠大于工況1,說明采用剛柔并濟抗減錯措施抵抗及消減斷層黏滑錯動的作用方面效果顯著。

由表8可知,從平均抗減錯效果來看,工況2相對工況1平均抗減錯效果為23.46%,工況4相對工況3平均抗減錯效果為32.01%,即采用結構加強措施抵抗斷層黏滑錯動的平均抗減錯效果在23%～33%間;工況3相對工況1平均抗減錯效果為37.15%,工況4相對工況2平均抗減錯效果為46.25%,即施設減錯層有利于消減斷層黏滑錯動對隧道結構的影響,平均抗減錯效果在37%～47%間,優于結構加強措施;同時采用剛柔并濟抗減錯措施在抵抗及消減斷層黏滑錯動影響方面效果顯著,平均抗減錯效果為81.27%。

4 結論

(1) 采用結構加強抵抗斷層黏滑錯動對隧道結構位移影響較小,對結構內力的影響較大,其平均抗減錯效果在23%～33%間。

(2) 采用施設減錯層消減斷層黏滑錯動對隧道拱頂沉降、邊墻收斂的抗減錯效果分別達到20%以上,對其結構內力的影響平均抗減錯效果在37%～47%間。

(3) 剛柔并濟抗減錯措施在抵抗及消減斷層黏滑錯動影響方面效果顯著,拱頂沉降、邊墻收斂抗減錯效果分別達到30%以上,結構內力平均抗減錯效果達到80%以上。