近發震斷裂帶古城隧道設計研究

劉 志

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030000)

發震斷裂是指全新世(距今1.1萬年)以來發生過中強地震活動的斷裂帶。發震斷裂對隧道的破壞主要有兩類:高烈度地震引起的隧道震動破壞和斷裂錯動引起的隧道結構破壞[1]。隧道穿越或鄰近發震斷裂帶時,巖層褶皺、斷層發育較多,巖層傾向不定、巖體破碎、圍巖穩定性較差等因素對工程設計方法的影響較大。隨著工程質量要求不斷提高和工程技術的發展,公路隧道抗震設計越來越受到研究人員的重視。

1 工程概況

1.1 隧道概況

古城隧道為分離式兩車道公路隧道,設計等級為一級,時速為60km/h。隧道左線全長193m,右線全長170m,左右線凈距約15m,為小凈距隧道。隧道平面線型為直線,設計橫坡為2%,隧道最大埋深56m。隧道圍巖分級主要有V級和IV級。隧址區地震動峰值加速度為0.2g,地震基本烈度為Ⅷ度,地震反應譜特征周期為0.45s。

1.2 隧址區工程地質概況

圍巖主要由寒武系上統白云巖組成。巖層產狀主要為層狀、厚層狀,中風化,層間結合差,受隧道出口端羅云山山前斷裂影響,隧道圍巖節理裂隙發育,巖體破碎呈碎裂狀結構,圍巖穩定性差。

2 隧道勘察

羅云山斷裂位于臨汾盆地西側,是由一系列斷層組成的復雜斷裂帶,具有右旋走滑正斷性質,屬全新世活動斷裂,該斷裂在地質年代第四紀中更新世和晚更新世期間活動強烈。斷裂帶自北向南分為6段,各段活動性有明顯差異。

勘察期間,對區域斷裂發育情況進行了詳細核查和調繪。隧道段位于羅云山斷裂尉村段,斷裂帶總長約20km,正斷層,斷層傾向為140°,傾角約為70°。斷層上盤位于山前傾斜平原區,地層以第四系粉土、粉質黏土、卵石為主,下盤為寒武系上統白云質灰巖、白云巖,斷層斷距大于200m,斷層破碎帶影響范圍約200m。古城隧道隧址區發震斷裂位置圖見圖1。

圖1 古城隧道隧址區發震斷裂位置圖

3 隧道結構設計

房屋建筑抗震結構設計的主要方法是抗剪切以阻止結構物在水平力和豎向力作用下的變形趨向于“平行四邊形化”。此次隧道結構設計也借鑒了該設計方法。通過受力分析計算,找出隧道襯砌內力值變化明顯的薄弱點作為抗震設計的重要考慮部位,進行結構加強或采取抗震措施。此次設計中,采用鋼筋混凝土對襯砌結構進行加強,并對隧道內輪廓進行了優化,使襯砌結構輪廓尤其是拱架部位更加“圓順”從而加強抗變形能力,提高抗震性能。

3.1 隧道內輪廓設計

隧址區域鄰近發震斷裂或受發震斷裂影響時,隧道內輪廓設計除應增加考慮發震斷裂錯動、震動對襯砌結構造成的破壞外,還應考慮結構發生破壞后便于維修加固的因素。隧道內輪廓與建筑限界之間的留空距離較標準設計有所加大。內輪廓斷面設計還參照類似工程設計經驗,通過比較不同內輪廓下襯砌結構的內力分布情況進行優化設計,最終確定隧道設計的內輪廓。設計的建筑限界與內輪廓最小距離由5cm增大至35cm,內輪廓只在拱部和邊墻部位加大,斷面優化結果如圖2所示。

圖2 古城隧道內輪廓設計圖(單位:cm)

3.2 隧道襯砌結構設計

隧道區域地震烈度為8度,地震動峰值加速度為0.2g。按照《公路隧道抗震設計規范》,對應抗震設防措施等級為IV級。由于隧道埋深較淺,為增加隧道襯砌結構的延性以提高其抗震性能,初期支護利用下部采用T型連接的形式加厚拱腳處二次襯砌厚度。二次襯砌結構采用鋼筋混凝土結構[2],隧道襯砌支護參數如表1所示。

表1 隧道復合式襯砌主要參數表

3.3 小凈距段結構設計

隧道進口進洞受地形、征拆等影響,左右線凈距較小。隧道左右線凈距設計為15m,為減小小凈距對隧道開挖的影響,隧道設計時采用中隔壁法開挖以降低小凈距開挖對圍巖穩定性的影響[3]。為減小地震工況下變形對中間巖柱的影響,在左右線之間設預應力錨桿加固中間巖柱,錨桿直徑25mm,長度6m,間距80cm×80cm。隧道中間巖柱對拉錨桿加固圖見圖3。

圖3 隧道中間巖柱對拉錨桿加固圖

3.4 隧道洞口邊仰坡防護設計

隧道進口左線左側地形偏壓,且邊仰坡傾角約1∶0.75。根據地質勘察資料,巖層傾角(34°)與視傾角(32.20°)相差較小,巖層傾斜方向基本朝向洞口,洞口邊仰坡穩定性較差,有順層滑動風險。

為保證隧道洞口邊仰坡穩定性,設計方案舍棄普通錨噴支護方式,并將洞頂以上的永久邊仰坡坡率調整為1∶0.3來降低邊仰坡高度和級數,明洞回填采用漿砌片石回填密實,同時,支護措施采取長錨桿+鋼筋混凝土護面墻組合的形式。其中,錨桿長度6m,護面墻厚度40cm,錨桿尾部與護面墻鋼筋連接形成整體。最終邊仰坡支護形式見圖4。

4 隧道抗震措施設計

除加強結構設計外,抗震措施設計也是隧道設計的重要環節。設計過程中,隧道埋深較淺段、明洞段、洞門墻段、洞內圍巖變化段等均是隧道抗震設防措施設計的重點段落。

4.1 抗震設防段的劃分

國內外大量地震災害表明,地震對淺埋、偏壓隧道、明洞及洞門的影響較大,對于設防段的長度取值,往往通過經驗確定,也有利用有限元法進行的相關研究[4]。此次隧道設計通過對國內在建或已建成隧道設計情況的調查,參照《公路隧道抗震設計規范》要求,抗震設防段的劃分按照洞頂埋深50m進行設計。該隧道最大埋深56m,隧道為短隧道,并且在實際設計中抗震設防段一般向標準段適當延長,綜合考慮經濟性和施工便利性,隧道襯砌均按照抗震設防段進行設計。

4.2 明洞及洞門方案設計

為提高洞口段地震條件下的安全性,洞口明洞采用長明洞措施,洞口段洞門結構形式一般采用明洞式洞門結構,并適當加高洞門上部支擋結構。洞口段受地震動位移影響大,設計時明洞襯砌混凝土等級較正常襯砌提高一級。受地形偏壓影響,采用帶偏壓墻的端墻式洞門結構時,為防止地震作用下墻體開裂或掉落造成安全事故,偏壓墻、洞門墻與明洞襯砌之間設置連接鋼筋將結構聯結為一個整體,降低地震工況時破壞或掉落風險。

4.3 偏壓處理措施設計

受發震斷裂等地區地質活動影響,隧道洞口處存在巖層傾斜情況,洞口地形無法采用正交方式進洞。洞口位置選取時,盡早進洞減少開挖,同時,通過調整凈距盡量降低邊坡開挖高度。古城隧道洞口設計過程中,為提高洞門墻偏壓結構的抗震性能,除洞門墻采用鋼筋混凝土結構外,設置鋼筋混凝土偏壓擋墻,通過設置偏壓墻,增加坡底回填體的高度和整體抗震穩定性。洞門墻處結構具體形式見圖5。

4.4 防震縫及防排水設計

為減小地震時結構與圍巖相互作用產生的變形和斷面力,此次設計中,在抗震設防段、軟硬地層變化段以及結構形式變化處設置防震縫結構從而減小隧道結構的剛性并提高結構抗震性能。隧道防震縫設置間距取10m,縫體寬度為4cm,防震縫和變形縫相結合并進行防水設計。具體設計見圖6。

4.5 其他抗震措施設計

(1)隧道洞口位置宜避開斷裂帶中線,盡量設置在斷層帶上盤,盡量加長洞口段明洞設置,洞門形式選擇以明洞式洞門為主。

(2)進洞位置的選取應盡可能控制邊仰坡開挖高度和面積,對陡坡面盡可能減少開挖,采取半明半暗或設置棚洞等方式盡早進洞。

(3)洞口段進洞采用φ108超前大管棚加固,大管棚內插鋼筋籠,該方法既能提高結構整體性,又能避免開挖時出現坍塌。

(4)隧道施工方案設計時,嚴格控制施工程序,減少巖體擾動,減少塌方。對于超挖空洞、塌方地段,采用同等材料回填密實。

(5)當隧道埋深較淺、開挖方量較小時,考慮與路基方案比選,盡量選擇路基方案通過。

5 結語

古城隧道鄰近發震斷裂帶,且存在圍巖破碎、偏壓、小凈距、巖層傾角大等綜合不利情況。設計過程中對隧道內輪廓進行了優化調整、加強了襯砌結構和隧道洞口段防護并針對性地進行了抗震措施設計。文章分別從結構設計和抗震措施兩個方面進行分析研究,設計成果可為今后類似工程設計提供借鑒參考。