穿越活斷層鉸鏈?zhǔn)揭r砌隧道減震措施動(dòng)力響應(yīng)研究

姬云平

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

穿越地震活動(dòng)帶逆斷層的山嶺隧道易受斷層滑動(dòng)的影響，近年來逐漸受很多學(xué)者研究關(guān)注[1-8]。馬棟等[9]為解決富水鐵路隧道斷層破碎帶極易突水涌泥的難題,依托贛深高鐵龍南隧道F8斷層施工,采用地表抽水試驗(yàn)獲取F8斷層破碎帶巖土體滲透系數(shù)、抽水影響半徑等水文地質(zhì)參數(shù),提出“地質(zhì)雷達(dá)+TSP+超前鉆孔”綜合預(yù)測(cè)手段超前探測(cè)斷層影響區(qū),并采用“分水降壓+內(nèi)堵外固+安全監(jiān)測(cè)”等綜合處理措施;張少強(qiáng)等[10]以云南某穿越斷層的隧道工程為背景,利用FLAC3D軟件建立了跨斷層隧道的三維有限差分模型,分析斷層傾角、斷層傾向、襯砌厚度對(duì)隧道變形及應(yīng)力的影響;劉學(xué)增等[11]以棋盤石隧道為工程背景,采用有限元方法,設(shè)置5種不同仰拱半徑的三心圓斷面,分析了不同襯砌斷面型式鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)隧道的抗錯(cuò)斷能力;樊玲等[12]設(shè)計(jì)了一種三維正斷層滑動(dòng)裝置。還有其他學(xué)者提出了活動(dòng)斷裂帶隧道監(jiān)測(cè)的基本原則和監(jiān)測(cè)方法[13-16]。

綜上所述,鐵路隧道全洞身穿越地震高發(fā)區(qū)活動(dòng)性逆斷層可借鑒的設(shè)計(jì)成果較少。而一味地增加襯砌的剛度不一定能夠有效地抵抗地震帶的作用。

綜上目前已有文獻(xiàn)和減震措施可知,目前穿越斷層修建隧道有4種設(shè)計(jì)理念:(1)加固圍巖;(2)設(shè)置減震層;(3)設(shè)置柔性接頭;(4)超挖設(shè)計(jì)。

活動(dòng)性斷層段隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理、隧道襯砌在地震作用下的可靠性、隧道襯砌地震受損后的修復(fù)措施、施工過程中的變形控制等問題都是亟待解決的技術(shù)難題。基于敦格鐵路隧道特點(diǎn),本文通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法,研究活動(dòng)性斷層對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理、地震作用下襯砌結(jié)構(gòu)可靠性等,從而確定活動(dòng)性斷層隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工措施,從而保障隧道施工安全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)營(yíng)安全和震后可修復(fù)性,以期為今后類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

敦格鐵路闊克薩隧道位于祁連褶皺系阿爾金山斷塊的黨河南山—青海南山斷褶帶,由于受到多期地質(zhì)構(gòu)造的影響,該褶皺帶地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。工點(diǎn)范圍內(nèi)溝谷發(fā)育,地形凌亂,植被稀疏。隧道洞身全段位于F3斷層破碎帶內(nèi)。隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 闊克薩隧道縱斷面圖Fig.1 Profile view of Kuokesa tunnel

F3斷層性質(zhì)為一左旋走滑逆斷層，走向近東西向，傾角75°左右。上盤為震旦系長(zhǎng)城組石英片巖，下盤為第三系泥巖夾礫巖。斷層破碎帶寬度500～1 200 m，物質(zhì)組成主要為斷層泥、斷層角礫，局部可見有碎裂巖。該斷層為全新世活動(dòng)斷層,有明顯活動(dòng)的痕跡,斷層兩側(cè)強(qiáng)烈擠壓,在斷層南側(cè)可見有泉出露。預(yù)測(cè)未來100年的突發(fā)位錯(cuò)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(nèi)通過,對(duì)隧道工程影響很大。考慮隧址區(qū)斷層分布范圍廣,日后活動(dòng)的可能性較大,為提高襯砌結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)斷性能,采取“襯砌節(jié)段+剪切縫”的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)方案,即為節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)。顧名思義,節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)不同于整體式澆筑襯砌,而是將整體襯砌分為不同節(jié)段,節(jié)段間用剪切縫鏈接,進(jìn)而提高抗錯(cuò)動(dòng)能力。

該隧道為單線隧道復(fù)合式結(jié)構(gòu)，其中初支為C25噴射混凝土厚25 cm、H175鋼架間距0.6 m，鋼筋混凝土二次襯砌襯厚55 cm,如圖2所示。圍巖支護(hù)參數(shù)如表1所列。

圖2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖(單位:cm)Fig.2 Section view of tunnel supporting structure (Unit:cm)

表1 支護(hù)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of supporting structure

2 蠕滑錯(cuò)動(dòng)隧道位移與應(yīng)力演化

為揭示逆斷層地質(zhì)構(gòu)造在上盤錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)下盤巖層內(nèi)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響,采用三維有限差分程序FLAC3D模擬逆斷層在不同錯(cuò)動(dòng)量下巖層位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。

2.1 數(shù)值計(jì)算假設(shè)

考慮到所涉問題的復(fù)雜性,對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:模型中下盤為斷層帶,取Ⅴ級(jí)圍巖,上盤巖層取IV級(jí)圍巖;圍巖在計(jì)算模型中定義為彈塑性材料,符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;錯(cuò)動(dòng)面采用FLAC3D中Interface的“硬”接觸面模擬,在荷載作用下可以產(chǎn)生滑移和分離;逆斷層的錯(cuò)動(dòng)主要通過在右側(cè)面和上盤的底面施加與斷層傾角一致的位移來實(shí)現(xiàn)。

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)選擇

(1)計(jì)算模型

數(shù)值分析采用三維彈塑性分析,數(shù)值模型長(zhǎng)400 m(x軸方向)、寬50 m(z軸方向)、高100 m(y軸方向),如圖3所示,共剖分128 000個(gè)單元,斷層傾角為75°。在數(shù)值模型試驗(yàn)中,采用模型上盤不動(dòng),即斷層帶(左側(cè)部分)底部及左側(cè)為位移約束,頂面為自由邊界;右側(cè)滑動(dòng)塊底部和右側(cè)邊界為位移速率邊界,頂面為自由;模型的前后方向(z方向)采用位移約束。

圖3 逆斷層錯(cuò)動(dòng)數(shù)值模型及邊界條件Fig.3 Numerical model of reverse fault dislocation and its boundary conditions

(2)物理力學(xué)參數(shù)

模擬斷層帶巖體下盤為Ⅴ級(jí)圍巖、上盤為Ⅳ級(jí)圍巖，隧道圍巖及結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元來模擬。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表2。斷層面采用interface單元模擬，法向和切向剛度為20.76 GPa，內(nèi)聚力為0.125 MPa，摩擦角為23.5°，抗拉強(qiáng)度為47.9 kPa。

表2 物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究不同斷層錯(cuò)距對(duì)地層變形的影響特征,模擬了斷層錯(cuò)動(dòng)0.5 m、1.5 m、2.0 m及3.0 m工況,不同錯(cuò)距下下盤斷層產(chǎn)生的附加豎向變形云圖和豎向應(yīng)力分布特征如表3所列。

由表3計(jì)算結(jié)果得出:不同錯(cuò)距時(shí)下盤斷層發(fā)生的最大豎向附加變形不同,表現(xiàn)為錯(cuò)距越大下盤產(chǎn)生的最大附加變形量越大;不同錯(cuò)距下對(duì)下盤斷層地層豎向變形主要影響區(qū)域在距斷層面5 m范圍內(nèi),但對(duì)地層表層部分變形影響范圍大于對(duì)深部的影響,到達(dá)一定深度后影響范圍基本一定。

表3 不同錯(cuò)距下盤斷層產(chǎn)生的附加豎向變形云圖和豎向應(yīng)力分布特征Table 3 Additional vertical deformation and stress distribution characteristics caused by footwall fault with different offset

(1)斷層在不同錯(cuò)距下對(duì)下盤豎向應(yīng)力分布特征影響規(guī)律基本一致,除去模型底部邊界效應(yīng)影響外,皆呈現(xiàn)出斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)深部應(yīng)力擾動(dòng)較大,而對(duì)淺部應(yīng)力擾動(dòng)較小的規(guī)律;

(2)不同錯(cuò)距錯(cuò)動(dòng)后,地層相同深度位置處的應(yīng)力值相差不大,表明斷層錯(cuò)動(dòng)后相鄰地層的應(yīng)力值與分布特征基本定型,錯(cuò)距增大對(duì)其影響較小;

(3)斷層錯(cuò)動(dòng)后對(duì)下盤地層應(yīng)力擾動(dòng)范圍要遠(yuǎn)大于變形影響范圍。

3 黏滑錯(cuò)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

根據(jù)上節(jié)揭示的逆斷層地質(zhì)構(gòu)造在上盤錯(cuò)動(dòng)時(shí)對(duì)下盤巖層內(nèi)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的影響,本節(jié)繼續(xù)采用三維有限差分程序FLAC3D模擬不同圍巖加固方式和超挖設(shè)計(jì)工況對(duì)穿越活動(dòng)斷層鉸鏈?zhǔn)揭r砌隧道的減震影響,選取最優(yōu)工況服務(wù)于工程建設(shè),同時(shí)為今后類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供參考。

3.1 計(jì)算模型建立

(1)模型及參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中隧道結(jié)構(gòu)采用單線隧道復(fù)合式結(jié)構(gòu)型式,三維數(shù)值模型計(jì)算范圍選取沿隧道軸線縱向(z軸)取50 m,隧道橫截面方向(x軸)長(zhǎng)56 m、約取隧道跨度的6倍,垂直方向(y軸)取62 m,隧道埋深24m，處于模型中偏上部位。隧道軸線方向與斷層面傾向一致。其力學(xué)參數(shù)與2.2節(jié)一致。

計(jì)算模型如圖4所示，其底部施加沿橫向水平(x方向)地震波，土體及支護(hù)計(jì)算參數(shù)如表4所列,其中加固圈厚度為80 cm,減震層厚度為15 cm。

表4 土體及支護(hù)計(jì)算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of soil and support

圖4 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Three-dimensional numerical model

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在隧道的襯砌上,沿隧道進(jìn)深方向每隔4 m設(shè)一組監(jiān)測(cè)點(diǎn),位置如圖5所示。

圖5 襯砌上橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of monitoring points on cross section of lining

(3)地震波選取

本文采用瑞利阻尼,最小臨界阻尼比。本文選擇最小臨界阻尼比為3%;結(jié)合地震動(dòng)峰值加速度最小中心頻率確定為2.5 Hz。采用埃而森特羅波(EI Centro)，20 s加速度時(shí)程曲線如圖6所示。從模型底部施加該地震波，采用黏彈性動(dòng)力邊界條件。

圖6 地震加速度時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of seismic acceleration

(4)圍巖加固工況

加固圍巖的主要有全環(huán)間隔注漿、全環(huán)接觸注漿和局部注漿三種方式。本文計(jì)算模型分為無加固圈、全環(huán)間隔注漿法形成的加固圈、全環(huán)接觸注漿法形成的加固圈、利用局部注漿法形成的加固圈四種工況,斷面如圖7所示。

圖7 圍巖加固計(jì)算工況Fig.7 Calculation conditions of surrounding rock reinforcement

(5)超挖設(shè)計(jì)工況

在得到最優(yōu)加固圈和減震層工況的基礎(chǔ)上,分別設(shè)置2種不同的超挖對(duì)比,工況1為:預(yù)留超挖面,僅施作一層50 cm厚襯砌,工況2在工況1的基礎(chǔ)上，在預(yù)留的空間再施做一層襯砌，形成2層襯砌的復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖8所示。

圖8 不同工況橫斷面示意圖Fig.8 Diagram of cross section under different working conditions

3.2 圍巖加固工程結(jié)果對(duì)比分析

(1)位移響應(yīng)對(duì)比分析

① 襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沿隧道軸線方向位移對(duì)比由表5可知，襯砌在地震作用下整體沿隧道軸線方向移動(dòng)，當(dāng)大小位移差值越大，襯砌壓應(yīng)變就越大，襯砌就越容易被壓壞或是拉壞，全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿加固加固效果較好。

表5 襯砌結(jié)構(gòu)沿隧道軸線方向位移差值(單位:mm)Table 5 Displacement difference of lining structure along tunnel axis (Unit:mm)

② 襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿主震方向位移對(duì)比

由表6可知,在地震作用下注漿加固對(duì)隧襯砌的位移影響不大。

表6 襯砌結(jié)構(gòu)沿主震方向位移(單位:mm)Table 6 Displacement of lining structure along the direction of main shock (Unit:mm)

(2)應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比分析

① 襯砌上各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大拉應(yīng)力對(duì)比

由圖9可知,4種工況襯砌的下半部分的拉應(yīng)力明顯小于上半部分所受的拉應(yīng)力。由圖10可知，局部注漿加固、全環(huán)接觸注漿加固和全環(huán)間隔注漿加固相對(duì)無加固圈加固，從最大拉應(yīng)力降低幅度來看，局部注漿加固降低幅度最小，全環(huán)接觸注漿次之，全環(huán)間隔注漿加固降低幅度最大。

圖9 襯砌關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力峰值Fig.9 Peak value of maximum tensile stress at key parts of lining

圖10 襯砌關(guān)鍵部位最大拉應(yīng)力峰值相對(duì)無加固圈 降低幅度Fig.10 Decrease of the peak value of maximum tensile stress at key parts of lining relative to the working condition without reinforcement ring

② 襯砌上各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大壓應(yīng)力對(duì)比

由圖11及圖12可知,局部注漿加固相比于無加固圈時(shí)，襯砌的許多部位的壓應(yīng)力增大，全環(huán)接觸注漿加固和全環(huán)間隔注漿加固和明顯降低了襯砌上的壓應(yīng)力。但是全環(huán)接觸注漿加固時(shí)襯砌在拱頂、拱腰、仰拱處壓應(yīng)力的減小幅度大；全環(huán)間隔注漿加固時(shí)襯砌在拱肩和墻角部位處的應(yīng)力降低幅值較大。

圖11 襯砌關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力峰值Fig.11 Peak value of maximum compressive stress at key parts of lining

圖12 關(guān)鍵部位最大壓應(yīng)力峰值相對(duì)無加固圈 降低幅度Fig.12 Decrease of the peak value of maximum compressive stress at key parts of lining relative to the working condition without reinforcement ring

(3)加速度響應(yīng)對(duì)比分析

由圖13可知,雖然4種工況襯砌上的主震方向的加速度均呈現(xiàn)出放大效應(yīng),但加速度時(shí)程曲線相似，加速度峰值相差很小，可見注漿加固圈沒有改變襯砌在地震中的震動(dòng)頻譜特性。

圖13 襯砌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿主震方向加速度峰值Fig.13 Peak acceleration of each monitoring point of the lining along the direction of main shock

3.3 超挖設(shè)計(jì)工況結(jié)果對(duì)比分析

由圖14可知施做二層襯砌對(duì)位移在震動(dòng)響應(yīng)中影響非常小;由圖15(a)知隧道施做減震層和加固圈后,不會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生拉裂。施做兩層襯砌后,仰拱處最大拉應(yīng)力有所增大;由圖15(b)知兩種工況下襯砌上所產(chǎn)生的壓應(yīng)力分布規(guī)律一致,拱腰處的壓應(yīng)力較大;由圖16知兩種工況襯砌震動(dòng)頻譜特性一致。

圖14 兩種工況下的拱頂處位移對(duì)比曲線Fig.14 Comparison curves of displacements at vault under two working conditions

圖15 施做襯砌隧道關(guān)鍵部位的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力Fig.15 Maximum tensile stress and maximum compressive stress of key parts of lining tunnel

圖16 不同工況斷面接觸面拱頂x方向加速度時(shí)程Fig.16 Acceleration time history in the x direction of the vault of contact surface under different working conditions

4 典型斷面施工設(shè)計(jì)及監(jiān)控量測(cè)

根據(jù)最優(yōu)圍巖加固方式和超挖設(shè)計(jì)建設(shè)后的隧道需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究,以測(cè)試研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。為此,本節(jié)對(duì)典型斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)研究。

4.1 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)

設(shè)置2個(gè)壓力應(yīng)力量測(cè)斷面,分別為DK191+97、DK191+70;拱頂下沉及水平收斂量測(cè)斷面間距為5 m。測(cè)點(diǎn)布置如圖17所示。

圖17 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.17 Layout map of monitoring points

量測(cè)頻率:壓力量測(cè)1次/天,變形量測(cè)1～2次/天。現(xiàn)場(chǎng)元件埋設(shè)照片如圖18所示。

圖18 現(xiàn)場(chǎng)元件埋設(shè)Fig.18 In-site component burying

4.2 DK191+97斷面量測(cè)結(jié)果

DK191+97斷面,自2014年6月1日上臺(tái)階開挖支護(hù),2014年6月21日仰拱開挖支護(hù),2014年7月2日澆筑二次襯砌。

由圖19(a)、(b)可見,最大圍巖壓力0.564 MPa，出現(xiàn)在左拱腳，其次為0.4 MPa，出現(xiàn)在左拱腰。量測(cè)過程右墻腰及右拱腳部位中因斷線而失效;量測(cè)圍巖壓力在埋設(shè)2個(gè)月后趨于穩(wěn)定。由圖20(c)可見,最大接觸壓力發(fā)生在右墻腰,其次為右拱腳。左墻角部位量測(cè)過程中因斷線而失效;由圖19(d)可見,量測(cè)最大混凝土應(yīng)力為4.69 MPa,發(fā)生在仰拱,其次為拱頂4.10 MPa;由圖19(e)可見,量測(cè)最大二襯鋼筋應(yīng)力17.692 MPa,發(fā)生在右拱腰,其次為仰拱16.464 MPa,襯砌內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力分布較為均勻。

圖19 DK191+97斷面量測(cè)結(jié)果Fig.19 Measurement results of DK191+97 section

4.3 DK191+70斷面量測(cè)結(jié)果

DK191+70斷面,于2014年6月9日上臺(tái)階開挖支護(hù),2014年6月29日仰拱開挖支護(hù),至2014年7月10日澆筑二次襯砌。

由圖20(a)可見,量測(cè)最大圍巖壓力0.332 MPa,發(fā)生在右拱腰,其次為右墻角0.291 MPa;量測(cè)圍巖壓力在初期受臺(tái)階施工步驟影響顯著。由圖20(b)可見,量測(cè)噴混凝土均受壓,最大發(fā)生在右墻腰,其次為右墻角8.17 MPa,噴混凝土應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力。由圖20(c)可見,最大壓力0.196 MPa,發(fā)生在右拱腳,其次為拱頂0.160 MPa。仰拱部位量測(cè)過程中因斷線而失效;由圖20(d)可見,量測(cè)最大混凝土應(yīng)力為12.01 MPa,發(fā)生在左拱腰,其次為左拱腳10.92 MPa;由圖20(e)可見,量測(cè)最大二襯鋼筋應(yīng)力17.692 MPa,發(fā)生在右拱腰,其次為仰拱16.464 MPa。

圖20 DK191+70斷面量測(cè)結(jié)果Fig.20 Measurement results of DK191+70 section

5 結(jié)論

采用數(shù)值分析方法,對(duì)活動(dòng)逆斷層錯(cuò)動(dòng)下的鉸鏈?zhǔn)揭r砌隧道在地震荷載作用下圍巖加固方式、超挖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比,得出如下結(jié)論:

(1)逆斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí),對(duì)淺部地層變形的影響范圍大于深部,但最大附加變形出現(xiàn)在深部斷層面附近,且錯(cuò)距越大,最大附加變形值越大;斷層活動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響較為顯著。

(2)注漿加固對(duì)隧道襯砌在地震中的位移響應(yīng)影響不大,注漿加固能明顯地降低襯砌的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,但注漿加固并不改變襯砌在地震中的震動(dòng)頻譜特性。

(3)預(yù)留修復(fù)空間(工況1)及直接施作雙層襯砌(工況2)襯砌位移變化規(guī)律一致,襯砌的震動(dòng)頻譜特性一致,宜采用施作單層襯砌預(yù)留修復(fù)空間的設(shè)計(jì)方案。

(4)支護(hù)壓應(yīng)力在埋設(shè)2個(gè)月左右后趨于穩(wěn)定。量測(cè)初期支護(hù)圍巖壓力略大于規(guī)范松動(dòng)壓力,二次襯砌接觸壓力均未超過材料的極限強(qiáng)度。