黏滑錯動下地鐵隧道結構破壞特征及設防措施

姜久純

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院)，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(鐵一院)，陜西 西安 710043)

0 引 言

新疆維吾爾族自治區處于印度洋板塊和亞歐板塊碰撞的前沿地帶，主要有五大地震帶。新疆烏魯木齊市處于西北天山構造帶與博格達構造帶交匯部位，地質運動強烈且活動斷層發育。目前已探明的活動斷層有9條，多條斷層帶上均發生過強震并存在古地震活動，其活動斷層數量和規模在全國大中城市是少見的。在修建跨越斷層帶的隧道工程時，尤其需要關注黏滑錯動問題。黏滑錯動突發性強，會在較短時間內引起隧道結構彎曲變形，產生塑性區，對活斷層附近的襯砌結構造成嚴重的破壞。因此，隧道穿越斷層時采取的設防措施顯得尤為重要，相關方面的研究已經成為當前的難點和熱點。

國內外學者采用數值模擬、室內試驗和現場測試等手段開展了相關研究。GREGOR采用數值模擬研究了隧道結構在穿越斷層帶時受力情況[1]。LIN等采用現場試驗與有限元相結合的方法研究了逆斷層中盾構隧道的破壞特征[2]。劉愷等運用數值方法分析了不同傾角和斷裂破碎帶寬度下隧道位移、結構變形和襯砌內力變化規律[3]。盛越建立三維有限元整體式隧道模型，研究了不同構造的變形縫對隧道受力力學差異和凈空擴大量的影響[4]。李林等通過振動臺模型試驗，提出了優化結構受力變形的抗震組合措施[5]。祁彬溪等運用有限元分析了斷層豎向錯動速率與斷層破碎帶交界面動摩擦系數對穿越斷層隧道的豎向位移和第一主應力的影響[6]。安韶等基于有限元模型，分析了烏魯木齊軌道交通2號線的抗斷設計流程[7]。崔光耀等基于能量守恒原理結合數值仿真，對錯動作用下隧道的抗錯斷設計方法進行研究[8]。汪振等運用黏性界面模型結合有限元模擬正斷層破裂過程，探討了不同斷層錯動量和傾角對隧道力學影響規律，建立了隧道安全評價的分類標準[9]。閻錫東等采用屬性測度分析理論對隧道塌方、結構失穩風險事件進行了分析，建立了隧道穿越活動斷裂帶風險評價模型[10]。

綜上，在黏滑錯動對地鐵隧道結構影響方面國內外學者取得了諸多成果，但主要集中在黏滑錯動下隧道結構動力響應及破壞機理、結構安全評價方法等[11-14]；在抗錯動設防措施方面成果較少，特別是結構分段長度、擴大斷面尺寸等方面有待深入研究。

基于現場勘探獲得的西山活斷層的幾何和運動特性等關鍵參數，文中采用數值分析結合室內試驗手段，從黏滑錯動下地鐵隧道結構受力響應及破壞影響入手，研究襯砌分段、擴大斷面等措施對提高隧道抗錯斷性能的影響，并確定其合理設防參數。可為相關地鐵隧道的設防設計提供依據。

1 區域地質特征

烏魯木齊市地處東天山隆起區與北天山強烈隆起區的交匯部位，沉積有巨厚的中、新生代地層。新構造運動和斷層活動強烈，受海西運動以來歷次構造運動的影響，形成了一系列軸向北東—南西的褶皺和斷裂。

地鐵2號線在建設過程中，多次穿越活動斷層。其中西山斷裂北支東段始于苜蓿溝口，向東延伸至耐火材料廠。該斷裂走向N45°—70°E，傾向N，傾角44°～83°，具逆沖性質。地鐵2號線線路大角度通過西山斷裂北支(如圖1所示)。

2 西山斷裂帶地質勘測

烏魯木齊主城區地表覆蓋有深厚的第四系沉積層，給地質勘測工作帶來極大的技術挑戰。為準確探明斷裂帶位置與特征，在詳細勘察階段綜合采用了地質調查、工程地質鉆探、原位測試等方法進行探測[15-18]。地鐵站之間聯合鉆孔柱狀圖如圖2所示。

根據地球物理探測及綜合判識的結果，確定西山逆斷傾角為58°，與隧道交角28°，斷層上下盤相對垂直滑移設防量取0.65 m。

3 黏滑錯動下隧道結構力學響應分析

3.1 建模分析

為完整呈現黏滑錯動下隧道結構的變形及破壞形態，并消除邊界效應的影響，確定模型尺寸為長度250 m，寬度40 m。隧道埋深依據工程實際取為15 m。土體本構關系為理想彈塑性材料，遵循D-P準則，襯砌結構本構關系采用混凝土本構彈塑性模型。

考慮到模擬黏滑錯動效果及支護結構與圍巖在錯動條件下的接觸效果，分別在上下盤斷層面、初期支護與圍巖相觸處設置接觸單元。建模如圖3所示。

圖3 數值模型及接觸面單元

在計算參數選取上，穿越西山斷層處地層為Ⅴ級圍巖，采用注漿措施對圍巖加固后，加固區彈性模量、黏聚力大約提高20%～30%。取圍巖-初支摩擦系數為0.45，斷層面摩擦系數為0.1。具體參數見表1。

表1 工程圍巖物理力學指標

3.2 圍巖及襯砌結構變形分布規律

西山斷層錯動作用下地鐵2號線隧道圍巖與襯砌的豎向變形云圖如圖4所示。

圖4 隧道縱向變形

由圖4可知，在黏滑錯動后，隧道襯砌結構沿著縱向發生“S”狀彎曲變形；下盤仰拱近斷層面處出現了明顯脫空，由于有限單元法采用連續介質假設，上盤近斷層面的拱頂與圍巖也出現了脫空。

由于城市淺埋地鐵往往圍巖條件差，且受到斷層破裂面摩擦作用的影響，襯砌結構與周圍土體間不一定會出現明顯的脫空區，但作用在下盤隧道仰拱及上盤隧道拱頂的圍巖壓力會有所減小。

3.3 隧道結構塑性區分布規律

在黏滑錯動下，隧道結構根據其不同的受力條件會產生相應的彈塑性變形，當其應力超出襯砌材料彈性極限時就會產生塑性區。因而，結構塑性區的范圍和大小是判斷其受破壞嚴重程度的重要指標。隧道二次襯砌塑性區分布如圖5所示。

圖5 隧道二次襯砌塑性區分布

從圖5可知，上下盤頂底部受壓區及斷層面周圍拱腳至拱腰區域均出現塑性區。塑性應變峰值出現在下盤拱頂處，峰值達到1.058%。

根據塑性區分布特征，選取隧道襯砌結構拱頂和仰拱2個關鍵部位的計算結果進行分析。其塑性區沿隧道方向的變化規律如圖6所示。

圖6 塑性區分布(以拱頂為例)

拱頂在-115～-35 m的范圍內(上盤80 m)、仰拱在-60～60 m范圍內(上盤60 m、下盤60 m)存在較大的塑性變形。表明黏滑錯動作用對隧道襯砌結構安全性存在較大的影響，需要在此斷層面上盤80 m、下盤60 m范圍內采取一定的設防措施。

4 黏滑錯動室內模型試驗

4.1 模型試驗設計

基于工程實際，研發了大比例(1∶25)、多傾角、寬控速、高精度穿越斷層的隧道結構破壞模擬加載試驗裝置，采用剪切試驗裝置(如圖7所示)來模擬縱向125 m范圍內襯砌結構的破壞演化過程。模型尺寸2 m×2 m×5 m，可在保證對斷層錯動下地層及隧道結構破壞過程有效監測的前提下，提供更符合實際情況的邊界條件。

圖7 地鐵隧道穿越活動斷層錯動試驗加載裝置

該隧道剪切模型主要由箱體、水平反力架梁、水平推力源、垂直推力源、推力傳動裝置5大部分組成。裝置采用先進的同步加載系統，既可以精確地進行均衡位移加載，避免了油缸加載的位移不均勻性，又可以進行上下加載用來模擬正、逆斷層，實現了以不同速度進行同步加載的試驗。可以根據不同需求，按相似比預制隧道模型進行多個不同角度的垂直、水平單獨剪切試驗和垂直、水平組合互動聯合剪切試驗。

隧道結構破壞模擬加載試驗裝置的工作原理如圖8所示。

圖8 裝置工作原理

試驗材料選擇：土體采用河沙、重晶石、粉煤灰、機油等配制而成，用于模擬斷層帶處的破碎圍巖；隧道襯砌則采用石膏澆筑成型。

試驗幾何相似比為1∶25，其余各物理量的相似比分別為：彈性模量相似比CE=25，泊松比相似比Cμ=1，應力相似比Cσ=25，應變相似比Cε=1。原型與模型材料的物理力學參數見表2。

表2 試驗材料物理力學指標

4.2 黏滑錯動試驗結果分析

在洞內位移方面，隧道豎向收斂值縱向分布曲線如圖9所示。可以看出在-0.76～0.5 m(-2.6D～1.7D)范圍內隧道豎向收斂值明顯增大，表明下盤拱頂及上盤仰拱受錯動引起的豎向擠壓作用顯著；7 cm錯距下在下盤距斷層跡線處隧道豎向收斂值達到最大值3.2 mm，豎向收斂值向兩側逐漸減小趨于平穩，直至兩端接近為零，如圖9所示。

圖9 隧道豎向收斂值縱向分布曲線

在隧道破壞形態方面，選取了加載后隧道襯砌穿越斷層面受損嚴重的節段進行分析，如圖10所示。

圖10 隧道破壞形態

該節段直接穿越斷層面，受剪切作用最為明顯，在斷層跡線處隧道墻腳附近出現條斜裂縫，且斜裂縫開裂方向與斷層方向一致，屬于沿斷層傾角方向的剪切破壞；該節段同時出現環向裂縫，結合隧道結構縱向彎曲變形特征可知，此處的環向裂縫是由于結構縱向拉應力超過抗拉強度引起的，屬于縱向拉彎破壞。

5 隧道設防措施研究

國內外針對于應對黏滑錯動的設防措施主要有2大原則：一是擴大隧道斷面，預留斷層錯動空間，也為后期預留一定的維修補強空間。二是對隧道結構采用分段的方式，以減小黏滑錯動后隧道的破壞范圍及程度。黃強兵、劉學增等人也在此方面有過研究，對分段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，指出分段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[19-25]。

主要從斷面尺寸擴大和結構分段設計兩方面展開分析，以確定合理的設防措施。

5.1 擴大斷面

正常情況下地鐵隧道內凈空為5.38 m×5.45 m(寬×高)。為保證隧道在黏滑錯動之后仍有足夠的凈空，考慮在斷層結構設防范圍內分別預留錯動空間0.65 m(垂直)及四周補強加固空間0.35 m，最終將斷面凈空尺寸調整至6.45 m×7.0 m(寬×高)。如圖11所示。

圖11 隧道斷面(單位：mm)

5.2 分段設防

為減小黏滑錯動后隧道結構的影響范圍及破壞程度，采用分段的原則對隧道二襯進行設計。綜合考慮對隧道維修的經濟成本及施工的難易程度，確定二襯節段長度為10 m。

有限元計算分析得到分段式隧道在黏滑錯動下的位移及應力響應如圖12、圖13所示。

圖12 分段隧道縱向變形位移(單位：m)

圖13 分段隧道第一主應力(單位：Pa)

對分段式隧道的位移響應進行分析，可以看出隧道二襯在穿越斷層面時變形最大，破壞最為明顯，但相鄰節段間的位移不連續，表明襯砌分段可將黏滑錯動下襯砌結構的破壞控制在一定范圍內，避免襯砌結構在整體上受到嚴重破壞。

對分段隧道主應力進行分析，可以看出在斷層面附近拱腰出現拉應力，為截面控制部位，應在設計過程中予以針對設防。

綜合來看，襯砌節段間變形縫的存在使得相鄰節段間的位移和應力均不連續，保持了一定的獨立性。表明襯砌分段可以有效控制破壞范圍，減弱地層位移對隧道結構的作用，提升隧道的抗錯動性能。

6 結 論

1)發生黏滑錯動后，隧道襯砌結構沿著縱向發生了“S”狀彎曲變形。作用在下盤隧道仰拱及上盤隧道拱頂的圍巖壓力會有所減小。

2)黏滑錯動量為0.65 m時，襯砌結構在上盤80 m、下盤60 m范圍區間存在較大塑性變形，結構安全性受到影響，此時斷層段隧道結構的設防范圍為140 m。

3)位于斷層面處襯砌結構發生縱向拉彎破壞和剪切破壞，結構損壞最為嚴重。

4)采用縱向結構分段及擴大斷面的結構設計方式，可有效控制隧道破壞范圍，并為后期維修加固預留空間。