穿越活動斷層隧道鉸接設(shè)防寬度估算方法研究

收稿日期：2023-05-19；接受日期：2023-08-29

基金項目：云南省重大科技專項計劃項目（202102AF080001）

作者簡介：張翔宇，男，碩士研究生，主要從事隧道與地下工程方面的研究。E-mail：2021200533@austeducn

通信作者：

崔臻，男，研究員，博士，主要從事強震區(qū)地下工程穩(wěn)定性評價研究。E-mail：zcui@whrsmaccn

EditorialOfficeofYangtzeRiverThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND40license

文章編號：1001-4179（2024）03-0160-09

引用本文：張翔宇，崔臻，張延杰，等穿越活動斷層隧道鉸接設(shè)防寬度估算方法研究［J］人民長江，2024，55（3）：160-168

摘要：

考慮穿越活動斷層隧道錯斷后可能發(fā)生的“S”型、上凸型、下凹型3種位移模式，推導(dǎo)出了隧道節(jié)段轉(zhuǎn)角模式，進(jìn)而求得隧道鉸接設(shè)防寬度的估算方法。對比分析了節(jié)段伸長和節(jié)段相對轉(zhuǎn)角兩種變形對鉸接設(shè)防寬度的影響，認(rèn)為鉸接設(shè)防寬度主要取決于節(jié)段相對轉(zhuǎn)角。進(jìn)一步分析了錯動量、斷層寬度、節(jié)段長度、位移模式曲線、鉸接材料等相關(guān)參數(shù)對鉸接設(shè)防寬度的影響。分析結(jié)果表明：鉸接設(shè)防寬度與斷層錯動量、節(jié)段長度呈正相關(guān)關(guān)系，與斷層寬度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；同時計算了3種位移模式在斷層寬度170m、隧道直徑13m、錯動量02m、設(shè)防節(jié)段長度8m時的鉸接設(shè)防寬度，并對比了相同條件下其他鉸接設(shè)防寬度計算方法的結(jié)果，其結(jié)果均相近。研究成果可為穿越活動斷層隧道鉸接抗錯設(shè)計提供一定參考。

關(guān)鍵詞：鉸接設(shè)防寬度；鉸接隧道；位移模式；斷層錯動；鉸接設(shè)計

中圖法分類號：TU91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " DOI：1016232jcnki1001-4179202403022

0引言

中國西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動頻繁。伴隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，地下工程修建的數(shù)量和規(guī)模逐漸增多，并且受到地質(zhì)條件、線路選址、施工條件等諸多因素的影響，長大隧道工程建設(shè)將不可避免地面對隧道鄰近或者穿越活動斷層的問題。斷層錯動帶來的地層永久性變形將對穿越活動斷層的長大隧道造成多種形式的破壞，威脅隧道安全。例如在青海門源Ms69級地震中，穿越冷龍嶺斷裂的大梁隧道因左旋走滑逆斷層錯動導(dǎo)致隧道多處襯砌扭曲傾斜，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性破壞［1］，如圖1所示。因此，關(guān)于穿越活動斷層的長大隧道的抗錯斷設(shè)計與研究成為一個重大課題。

根據(jù)國內(nèi)外針對穿越活動斷層隧道的抗錯斷設(shè)計及相關(guān)研究經(jīng)驗，隧道抗錯斷設(shè)計的主要方法有鉸接設(shè)計、超挖設(shè)計、隔離消能設(shè)計3個方面。關(guān)于采取鉸接方法進(jìn)行隧道抗錯設(shè)計，國內(nèi)外諸多學(xué)者對其抗錯效果和有關(guān)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。

崔光耀等［2］通過對汶川地震隧道震害統(tǒng)計調(diào)查研究，提出了過活動斷層隧道需在隧道縱向上進(jìn)行抗錯設(shè)防；馬亞麗娜等［3］基于彈性地基梁理論，建立穿越活動斷層隧道的二維數(shù)值模型，研究了斷層錯動下襯砌的內(nèi)力及變形響應(yīng)特征；劉學(xué)增等［4-6］通過小比例尺隧道模型試驗，研究了在設(shè)置變形縫情況下的隧道結(jié)構(gòu)變形特征及受力破壞過程；蔣樹屏等［7］針對穿越活動斷層隧道，提出了超挖設(shè)計和鉸接設(shè)計兩種抗錯斷對策，并對鉸接設(shè)計中節(jié)段長度及“鉸”的抗剪剛度提出了計算方法；閆高明等［8］通過振動臺試驗?zāi)M了鉸接隧道在地震和錯動耦合下的襯砌內(nèi)力及變形規(guī)律，提出鉸接設(shè)計可以減少隧道穿越活動斷層時產(chǎn)生的破壞；周光新等［9］建立了考慮多種斷層錯動位移模式下的隧洞數(shù)值模型，研究了位移模式對襯砌變形和內(nèi)力的影響，并得出“S”型為隧洞結(jié)構(gòu)錯斷后變形的最可能模式；耿萍等［10］通過動力分析和振動臺模型試驗研究了穿越破碎帶隧道在地震作用下縱向的動力響應(yīng)問題，得出了穿越斷層破碎帶隧道合理設(shè)防長度為隧道跨度的35倍；何川等［11］通過小比例尺振動臺模型試驗及數(shù)值模擬計算，得出了過活動斷層隧道的抗震設(shè)防寬度；谷伯森等［12］基于鏈?zhǔn)揭r砌的隧道抗錯斷設(shè)計分析了斷層錯動時不同襯砌節(jié)段長度下隧道圍巖壓力的變化規(guī)律和分布特征，研究了合理的襯砌節(jié)段設(shè)計長度；李鵬［13］通過研究斷層錯動時對隧道結(jié)構(gòu)的剪切破壞效應(yīng)，并采用荷載-結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法計算了隧道采取鉸接設(shè)計時襯砌節(jié)段長度及“鉸”的剪切剛度；趙坤等［14］通過有限元計算方法，研究了隧道襯砌彎矩的分布規(guī)律，并利用正交試驗和極差分析得出采用鉸接時節(jié)段長度和鉸接寬度的最優(yōu)組合。

上述研究成果為隧道穿越斷層的鉸接抗錯設(shè)計奠定了重要的基礎(chǔ)，但對鉸接相關(guān)參數(shù)的研究還不充分，尤其是鉸接設(shè)防寬度的計算還沒有形成完整的方法。為此，本文將隧道錯斷后的變形考慮為不同的位移模式，根據(jù)位移模式推導(dǎo)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角模式，建立了節(jié)段相對轉(zhuǎn)角和節(jié)段伸長量的計算方法，用節(jié)段伸長量和相對轉(zhuǎn)角來等效“鉸”的變形，并比較不同節(jié)段長度、錯動量及斷層寬度對鉸接設(shè)防寬度的影響，從而得出了一套系統(tǒng)的鉸接設(shè)防寬度計算方法，為今后穿越活動斷層鉸接隧道的設(shè)計提供一定的參考。

1鉸接設(shè)防寬度估算方法

11鉸接設(shè)計方法

鉸接設(shè)計的概念是將穿越活動斷層的隧道分為若干節(jié)段，節(jié)段與節(jié)段之間通過柔性材料連接，使得襯砌節(jié)段相互獨立。當(dāng)活動斷層發(fā)生黏滑或蠕滑錯動時，利用鉸接材料剛度較小的特性使得隧道產(chǎn)生的變形由節(jié)段間設(shè)置的“鉸”吸收，適應(yīng)襯砌節(jié)段在錯斷下產(chǎn)生的變形，以保護(hù)襯砌節(jié)段的安全，從而保證整個隧道相對完整，如圖2所示。

12估算基本原理

將穿越活動斷層的隧道經(jīng)錯斷后產(chǎn)生的整體變形看成可能發(fā)生的位移模式，即位移撓曲線。并將位移撓曲線分為若干節(jié)段，節(jié)段發(fā)生的變形存在兩種形式，如圖3所示：①節(jié)段自身發(fā)生伸長；②節(jié)段與節(jié)段之間的相對轉(zhuǎn)角。相對轉(zhuǎn)角會引起節(jié)段間的拉伸或壓縮，其大小等于相對轉(zhuǎn)角與隧道直徑的乘積；鉸接設(shè)防寬度的大小可等效于這兩種變形的組合，組合后的結(jié)果即為所需鉸接設(shè)防寬度的大小。但經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，節(jié)段自身伸長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)段間相對轉(zhuǎn)角引起的拉伸或壓縮，最終認(rèn)為鉸接所需寬度主要由相對轉(zhuǎn)角所決定。

活動斷層的位移模式將在很大程度上影響隧道結(jié)構(gòu)在錯斷條件下的變形與內(nèi)力響應(yīng)。因此，在開展鉸接設(shè)防寬度設(shè)計參數(shù)之前，需明確所基于的活動斷層位移模式函數(shù)。考慮穿越活動斷層的隧道可能存在的位移模式，假設(shè)穿越活動斷層帶的隧道可能發(fā)生“S”型、上凸型、下凹型3種位移模式［9］，上凸型和下凹型兩種位移模式是隧道發(fā)生變形的兩種邊界情況，而“S”型位移模式是這兩種邊界情況中間的一種位移模式。根據(jù)相應(yīng)的位移模式推導(dǎo)出轉(zhuǎn)角模式，并將位移模式曲線分為若干節(jié)段，計算各個節(jié)段的伸長量和相對轉(zhuǎn)角。

13估算基本假定

根據(jù)研究巖土變形以及隧道穿越活動斷層時襯砌節(jié)段的變形幾何特點，對鉸接設(shè)防寬度的估算方法作了如下假定：

（1）在活動斷層寬度范圍內(nèi)，采用分段設(shè)計，各個襯砌節(jié)段通過相鄰兩節(jié)段間發(fā)生的相對變形來吸收錯動產(chǎn)生的不利位移。

（2）在隧道發(fā)生變形的過程中，節(jié)段長度的伸長量全部集中在“鉸”上。

（3）對于本文的3種位移模式函數(shù)，隧道中性軸受到斷層錯動引起某點的位移大小等效于該梁上某點的撓度大小。

2計算過程

21“S”型位移模式

以“S”型位移模式為例，“S”型位移模式是將隧道錯斷后的變形等效為兩端固定支座且兩端存在初始位移的梁，每端的初始位移量為錯動量的一半，并把曲線分為若干節(jié)段，分析節(jié)段伸長量及節(jié)段間相對轉(zhuǎn)角。

依據(jù)材料力學(xué)，對于兩端固支且存在初始位移梁的撓曲線方程w，即隧道某位置處的位移大小為

其轉(zhuǎn)角方程為

式中：a為兩端初始位移差即斷層的總錯動位移，m；l為梁的長度即斷層寬度，m；x為距左端任意距離處，即隧道上任意位置，m。

211節(jié)段伸長量計算

節(jié)段伸長量是研究穿越活動斷層鉸接隧道“鉸”變形的重要部分，它對于“鉸”的變形效應(yīng)是使整個“鉸”均發(fā)生伸長。下面給出節(jié)段伸長量的計算方法。

將撓曲線分為若干節(jié)段，取出某一節(jié)段進(jìn)行研究計算，隧道節(jié)段在未錯斷前長度為，錯斷后節(jié)段為撓曲線的一部分曲線段，由于隧道錯斷量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷層寬度，那么可將曲線段近似看成三角形斜邊長，三角形斜邊長b與之差則為節(jié)段的伸長量b。

在x處，轉(zhuǎn)角大小為

斜邊長為

則節(jié)段伸長量

212節(jié)段相對轉(zhuǎn)角計算方法

除節(jié)段伸長使“鉸”產(chǎn)生拉伸變形外，相鄰兩節(jié)段之間的相對轉(zhuǎn)角也會給“鉸”產(chǎn)生變形效果，使“鉸”發(fā)生拉伸或者壓縮變形。拉伸或壓縮變形是關(guān)于“鉸”中心對稱的，若“鉸”的一側(cè)是受拉變形，另一側(cè)等距離處則為受壓變形，且受拉與受壓的變形量相等，變形量與到“鉸”中心點的距離成正比關(guān)系，大小等于節(jié)段相對轉(zhuǎn)角與隧道直徑乘積。以下將論述“S”型曲線相對轉(zhuǎn)角的計算方法。

在x處轉(zhuǎn)角大小：

在x+SymbolDA@

x處，轉(zhuǎn)角大小為：

那么節(jié)段間的相對轉(zhuǎn)角：

則鉸接設(shè)防寬度D：

22上凸型位移模式

“S”型位移模式的估算方法也適用于本估算流程。

位移模式曲線：

對位移模式中的y進(jìn)行求導(dǎo)可得到相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角模式。

相對轉(zhuǎn)角：

鉸接設(shè)防寬度：

式中：y為斷層帶位置即隧道任意位移，m；d為斷層帶寬度，m；wmax為錯斷量的最大值，m；w為隧道某位置處的位移大小，m；R為隧道半徑，m。

23下凹型位移模式

位移模式曲線：

轉(zhuǎn)角模式：

相對轉(zhuǎn)角：

鉸接設(shè)防寬度：

24位移模式函數(shù)圖像

前文針對3種位移模式給出了計算簡圖和計算流程。根據(jù)前文的推導(dǎo)，給出在錯動量02m、斷層寬度170m時，3種位移模式和轉(zhuǎn)角模式的函數(shù)圖像。

圖5為位移模式和轉(zhuǎn)角模式的變化曲線，當(dāng)穿越活動斷層的隧道位移模式為上凸型時，求導(dǎo)后的轉(zhuǎn)角模式為下凹型，位移模式為下凹型時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)角模式為上凸型。上凸型與下凹型的轉(zhuǎn)角模式呈相反的變化趨勢，“S”型位移模式的轉(zhuǎn)角模式呈二次拋物線分布。

25估算結(jié)果

根據(jù)“S”型位移模式的推導(dǎo)公式，計算斷層寬度170m、隧道直徑13m、錯動量02m、設(shè)防節(jié)段長度8m時，節(jié)段間的相對轉(zhuǎn)角、節(jié)段伸長量，并給出穿越活動斷層隧道鉸接寬度設(shè)防值。

圖6是節(jié)段伸長引起鉸接設(shè)防寬度的變化曲線。由圖可知，其變化呈二次拋物線分布，影響寬度變化最大的位置是在斷層帶的中心處，為0012mm。圖7是相對轉(zhuǎn)角引起的鉸接設(shè)防寬度變化曲線。由圖可知，在斷層帶的交界處其相對轉(zhuǎn)角達(dá)到了最大值，其鉸接設(shè)防寬度最小為497mm。

根據(jù)趙坤等［14］基于穿越活動斷層隧道襯砌彎矩沿隧道縱向分布規(guī)律可知，在地層的限制約束下，其彎矩最大值在斷層帶上下盤交界附近，且出現(xiàn)反彎，這與本方法估算出的相對轉(zhuǎn)角最大值出現(xiàn)的位置相吻合。對比節(jié)段伸長與相對轉(zhuǎn)角對鉸接設(shè)防寬度的影響，節(jié)段伸長量對鉸接設(shè)防寬度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相對轉(zhuǎn)角對鉸接設(shè)防寬度的影響。由此可以認(rèn)為，可忽略節(jié)段伸長對鉸接設(shè)防寬度的影響，鉸接設(shè)防寬度主要取決于襯砌節(jié)段之間的相對轉(zhuǎn)角。

3與已有估算方法的比較

31已有估算方法

Shahidi等［15］在針對Koohrang-Ⅲ隧道的抗錯斷研究中，提出了一種鉸接設(shè)計的估算方法，思路如下：斷層錯動后隧道襯砌結(jié)構(gòu)在豎向平面內(nèi)發(fā)生“Z”形彎曲，軸線變形如圖8所示。設(shè)節(jié)段長度為Lp，鉸接設(shè)防寬度為Lj，斷層錯動時襯砌在圍巖作用下發(fā)生彎曲的極限彎曲曲率為φu，

則斷層錯動量與襯砌節(jié)段長度以及柔性連接寬度的關(guān)系可以表示為：

Jalali［16］在針對Karaj隧道的抗錯斷問題中，提出了另一種考慮位移模式鉸接設(shè)計的估算方法，如圖9～10所示。其基本思路如下：將隧道過活動斷層段考慮為發(fā)生支座不均勻沉降的兩端固支梁，梁的剛度無限大，無彎曲能力且全部轉(zhuǎn)角發(fā)生在梁上的一定間距布置的“鉸”處，如圖9所示，然后運用有限元的手段計算出最大轉(zhuǎn)角，并計算了在指定轉(zhuǎn)角下的鉸接設(shè)防寬度。

孫風(fēng)伯等［17］以穿越北川-映秀活動斷裂的柿子園隧道為例，提出變形縫處所產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)角是線性變化的、且在斷層帶中心位置處變形縫兩側(cè)襯砌節(jié)段不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動假定，給出了抗錯斷問題中所需最少節(jié)段個數(shù)和節(jié)段最大容許寬度的計算公式，圖11為襯砌變形示意圖。

式中：b為鉸接設(shè)防寬度；L為斷層寬度；D為隧道直徑；β為斷層傾角；α為斷層帶與上下盤巖土剛度變化邊界處鉸接最大張開量；θ為相鄰兩節(jié)段相對轉(zhuǎn)角；2s為上下盤錯動量；a為節(jié)段最大長度；n為沿隧道縱向中軸左、右兩側(cè)最少需要設(shè)置的襯砌環(huán)數(shù)。

據(jù)以上鉸接設(shè)計中的估算方法，當(dāng)斷層寬度為170m、隧道直徑13m、錯動量02m、節(jié)段長度8m時，分別計算3種方法所估算的鉸接設(shè)防寬度。根據(jù)Shahidi等［15］的鉸接寬度的計算方法和Jalali［16］的彎曲曲率計算方法，在此工況下鉸接設(shè)防寬度為128mm；根據(jù)孫風(fēng)伯給出的方法計算出相鄰襯砌節(jié)段的最大張開角弧度為000064，鉸接設(shè)防寬度為843mm；根據(jù)本文鉸接設(shè)防寬度的計算結(jié)果，上凸型為1612mm，“S”型為497mm，下凹型為411mm。

32討論與比較

Shahidi等［15］的方法中僅提供了兩個鉸接工況的估算，并沒有考慮在較寬的斷層帶設(shè)置多個鉸接段的情況，并且在公式中出現(xiàn)的φu參數(shù)，也沒有給出具體的計算方法。針對上述不足，本文方法是將隧道錯斷后的整體變形作為研究對象，根據(jù)實際幾何變形特點將隧道整體劃分為若干節(jié)段，利用幾何變形特點估算了每個節(jié)段之間的相對轉(zhuǎn)角，用各個節(jié)段間的轉(zhuǎn)角消納了斷層錯動帶來的不利位移，同時考慮多個鉸接段的情況推導(dǎo)了相對轉(zhuǎn)角的計算方法。

Jalali［16］的方法假定了梁的剛度為無限大或具有較大的有限剛度，即在運用有限元的方法時并沒有考慮到節(jié)段長度的變化。但是在實際工程中，隧道錯斷后其總長度必定會發(fā)生改變，本文的估算方法將隧道錯斷后長度的變化分擔(dān)到了每個“鉸”伸長量的變化上，更加符合工程實際。

文獻(xiàn)［17］在鉸接參數(shù)的計算中相對轉(zhuǎn)角所依據(jù)的假定僅是本文提出的位移模式的一種特例，即介于上凸和下凹型位移模式邊界中的某個特殊的位移模式下相對轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。根據(jù)位移模式對鉸接寬度的影響可以看到，上凸型計算出的結(jié)果比已有的計算結(jié)果偏大，下凹型計算出的結(jié)果比已有的計算結(jié)果偏小，其設(shè)防寬度范圍在411～1612mm之間。由于該假定是介于上凸型和下凹型之間的一種位移模式，故其計算結(jié)果843mm滿足其兩種位移模式的邊界范圍。對于其它位移模式，文獻(xiàn)［17］假定并不符合，其計算方法只限定于隧道錯斷后的特定位移模式，并且計算公式中出現(xiàn)的地質(zhì)條件參數(shù)較多，使用較為繁瑣，若缺少某一條件，該計算方法無法算出結(jié)果。

本文提出的方法主要根據(jù)隧道變形形態(tài)和其節(jié)段長度，同樣適用于其它的位移模式，只要在位移模式函數(shù)和節(jié)段長度確定的情況下，通過本文的計算方法就可以直接得出各個節(jié)段之間的相對轉(zhuǎn)角，從而計算出鉸接設(shè)防寬度。

4參數(shù)分析

根據(jù)上述不同位移模式的計算流程，進(jìn)一步分析錯動量、斷層寬度、節(jié)段寬度、位移模式、材料極限應(yīng)變等不同鉸接參數(shù)對鉸接設(shè)防寬度的影響。

41錯動量的影響

選取不同的錯動量，計算斷層寬度170m、隧道直徑13m、節(jié)段設(shè)防寬度8m時，忽略節(jié)段伸長情況下的節(jié)段相對轉(zhuǎn)角，給出最小鉸接設(shè)防寬度。如圖12所示，在錯動量不同的情況下，鉸接設(shè)防寬度的變化呈線性趨勢，且關(guān)于斷層帶中心處呈反對稱分布。隨著錯動量的增大，每個節(jié)段間的“鉸”彎曲變形增大，在斷層帶交界處其值達(dá)到最大，即在最小鉸接設(shè)防寬度取值位置處。錯動量為02m時，最小設(shè)防寬度為497mm，錯動量為04m時，最小設(shè)防寬度為823mm。

42斷層寬度的影響

在穿越活動斷層鉸接隧道的抗斷設(shè)計中，斷層寬度是重要的設(shè)計依據(jù)。設(shè)置不同的斷層寬度，在錯動量02m、節(jié)段長度8m、隧道直徑13m時，計算節(jié)段間的相對轉(zhuǎn)角大小，并給出鉸接設(shè)防寬度值，如圖13所示。

從圖13可知，斷層寬度越短，其鉸接設(shè)防寬度變化越劇烈，這是由于斷層寬度越小，相應(yīng)的節(jié)段個數(shù)越少，導(dǎo)致“鉸”的個數(shù)越少，則分擔(dān)到每個鉸接位置的變形就越大，其最小設(shè)防寬度就越大。在斷層寬度為70，220m時，最小鉸接設(shè)防寬度為2255mm和248mm。當(dāng)考慮斷層寬度變化約100%、200%時，其相應(yīng)的最小鉸接設(shè)防寬度變化范圍減小至248～808mm。

43節(jié)段長度的影響

為了比較不同的節(jié)段長度對鉸接設(shè)防寬度的影響，計算了在錯動量為02m、斷層寬度170m、隧道直徑13m時的鉸接設(shè)防寬度。圖14為不同節(jié)段長度鉸接設(shè)防寬度變化曲線

從圖14可知，隨著節(jié)段長度增長，鉸接設(shè)防寬度曲線變化越劇烈，其設(shè)防寬度越大；節(jié)段長度越短，設(shè)防值越小。在錯斷量相同時，所有“鉸”共同承擔(dān)斷層錯動產(chǎn)生的變形，“鉸”的個數(shù)直接影響分擔(dān)到每個“鉸”上的變形量，這是由于在斷層寬度不變的條件下，節(jié)段長度越長，節(jié)段個數(shù)就越少，“鉸”的個數(shù)就越少，則每個“鉸”分擔(dān)的變形就越大。這與斷層寬度對鉸接設(shè)防寬度影響的作用機理相類似，都是影響了“鉸”的個數(shù)。但是，并不意味著通過減小襯砌節(jié)段長度來增加“鉸”的個數(shù)對隧道就越安全，其節(jié)段長度的設(shè)置要在合理的范圍內(nèi)，它隨著斷層寬度、錯動量的變化而變化。節(jié)段長度設(shè)置在4～12m范圍內(nèi)，鉸接設(shè)防寬度的變化范圍在210～602mm。

44位移模式的影響

除了“S”型曲線可以滿足隧道錯斷后的變形，上凸型和下凹型曲線也是隧道可能發(fā)生的位移模式。根據(jù)3種不同的位移模式曲線推導(dǎo)公式，計算斷層寬度170m、隧道直徑13m、錯動量02m、設(shè)防節(jié)段長度8m時，穿越活動斷層隧道鉸接設(shè)防寬度值的大小。圖15為不同位移模式下鉸接設(shè)防寬度變化曲線

由圖15可知：不同的位移模式其鉸接設(shè)防曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，“S”型位移模式為線性變化；上凸型位移模式整體呈先急劇下降后平緩趨勢；下凹型位移模式呈遞增趨勢變化；三種位移模式的最小鉸接設(shè)防值均在斷層帶交界處取得，“S”型為497mm，上凸型為1612mm，下凹型為411mm。選取不同的位移模式，其最小鉸接設(shè)防寬度差異較大，上凸型設(shè)防寬度最大。在實際工程中，由于隧道穿越斷層的性質(zhì)存在巨大差異，例如圍巖等級、斷層傾角、斷層寬度、隧道埋深等各種因素導(dǎo)致隧道錯斷后發(fā)生的位移模式各不相同，可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件建立相關(guān)隧道的數(shù)值模型，依據(jù)數(shù)值模型計算出的隧道變形模式選擇相應(yīng)的位移模式作為計算依據(jù)，或根據(jù)實際工程中隧道的破壞形式，例如蘭新高鐵線大梁隧道的破壞變形就類似于“S”形變化，則可以采用“S”型位移模式作為計算依據(jù)。

45材料極限應(yīng)變的影響

在上述估算及假定中，忽略了鉸接段材料的變形特性，僅考慮了幾何變形中鉸接段可能發(fā)生的最大相對轉(zhuǎn)角，這是一種偏于樂觀的假定。這種假定鉸接段受壓側(cè)可以完全受壓變形至鉸接段閉合，過大地考慮了鉸接段的極限轉(zhuǎn)角。而事實上，鉸接段一般采用塑性混凝土作為鉸接填充材料，并且鉸接段變形時，鉸接材料并不會受壓至完全消失，受拉側(cè)的材料在產(chǎn)生較大拉應(yīng)變后也將出現(xiàn)裂縫，影響隧道的服役性能，因此需要考慮鉸接段軟質(zhì)材料的受拉、受壓極限應(yīng)變。幾種典型的塑性混凝土材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖16所示。可見，多數(shù)隧洞用輕質(zhì)塑性混凝土在應(yīng)變達(dá)到10%時就基本喪失力學(xué)性能，在計算鉸接設(shè)防寬度時應(yīng)考慮這一因素的影響。因此，當(dāng)考慮塑性混凝土達(dá)到10%極限應(yīng)變時混凝土變形承擔(dān)了鉸接段的變形，得到的實際設(shè)防寬度約是前文僅考慮幾何學(xué)方法計算的理論值的10倍。

根據(jù)上述不同斷層寬度計算出的結(jié)果，選取塑性混凝土為鉸接材料并考慮極限應(yīng)變在10%時的鉸接設(shè)防寬度，各個參數(shù)的設(shè)防值如表1所列。由表1可知，當(dāng)考慮充填材料的極限應(yīng)變時，所需鉸接設(shè)防寬度大約是幾何理論值的10倍。

5結(jié)論

本文根據(jù)隧道穿越活動斷層時可能發(fā)生的位移模式，推導(dǎo)了當(dāng)隧道采取鉸接設(shè)防時鉸接設(shè)防寬度的估算方法，并討論了多個關(guān)鍵參數(shù)對鉸接設(shè)防寬度的影響，得出了如下結(jié)論：

（1）本文的估算方法不僅適用于本文提及的3種位移模式，同樣滿足其它位移模式。在隧道錯斷后的位移模式函數(shù)和節(jié)段長度確定的情況下，即可計算出每個相鄰節(jié)段間的相對轉(zhuǎn)角和節(jié)段伸長。

（2）對比節(jié)段伸長量和節(jié)段相對轉(zhuǎn)角對鉸接設(shè)防寬度的影響，節(jié)段伸長對鉸接設(shè)防寬度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相對轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的影響，由此，鉸接設(shè)防寬度最終主要取決于相鄰兩節(jié)段的相對轉(zhuǎn)角。

（3）鉸接設(shè)防寬度隨著斷層錯動量的增大、節(jié)段長度的增大、斷層寬度的減少而增大。其中節(jié)段長度和斷層寬度都是通過影響“鉸”的個數(shù)影響鉸接設(shè)防寬度，其作用機理相類似。

（4）以本方法估算出的相對轉(zhuǎn)角及對應(yīng)的鉸接設(shè)防寬度為基礎(chǔ)，考慮塑性混凝土作為鉸接填充材料，并考慮塑性混凝土10%極限拉壓應(yīng)變時，實際所需要的設(shè)防寬度約是理論值的10倍以上。

本文根據(jù)隧道錯斷后的變形特點，對鉸接設(shè)防寬度提出了基于幾何理論的估算方法，為穿越活動斷層隧道鉸接抗錯設(shè)計提供了理論參考。但是在具體的鉸接設(shè)計中，不應(yīng)只考慮變形特點，其受力特點等亦是影響設(shè)計的重要因素，后續(xù)將根據(jù)隧道錯斷后的受力特點，研究更多關(guān)于抗錯斷鉸接參數(shù)的設(shè)計方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］張威，李明，姬云平，等青海門源M69地震典型隧道破壞特征分析與啟示［J］地震工程學(xué)報，2022，44（3）：661-669

［2］崔光耀，王明年，于麗，等汶川地震斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害分析及震害機理研究［J］土木工程學(xué)報，2013，46（11）：122-127

［3］馬亞麗娜，盛謙，崔臻，等基于彈性地基梁理論的跨活斷裂隧道縱向變形及內(nèi)力響應(yīng)特性研究［J］防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2018，38（4）：715-722

［4］劉學(xué)增，王煦霖，林亮倫45°傾角正斷層粘滑錯動對隧道影響試驗分析［J］同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，42（1）：44-50

［5］劉學(xué)增，王煦霖，林亮倫60°傾角正斷層黏滑錯動對山嶺隧道影響的試驗研究［J］土木工程學(xué)報，2014（2）：121-128

［6］劉學(xué)增，王煦霖，林亮倫75°傾角正斷層黏滑錯動對公路隧道影響的模型試驗研究［J］巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（8）：1714-1720

［7］蔣樹屏，李鵬，林志穿越活動斷層區(qū)隧道的抗斷設(shè)計對策［J］重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，27（6）：1034-1036，1041

［8］閆高明，申玉生，高波，等穿越黏滑斷層分段接頭隧道模型試驗研究［J］巖土力學(xué)，2019，40（11）：4450-4458

［9］周光新，崔臻，盛謙，等活動斷裂錯動位移模式對隧道變形與內(nèi)力的影響研究［J］防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2021，41（6）：1323-1330，1349

［10］耿萍，何悅，何川，等穿越斷層破碎帶隧道合理抗震設(shè)防長度研究［J］巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33（2）：358-365

［11］何川，李林，張景，等隧道穿越斷層破碎帶震害機理研究［J］巖土工程學(xué)報，2014，36（3）：427-434

［12］谷柏森，吳建勛，宋磊，等鏈?zhǔn)揭r砌節(jié)段長度對隧道抗錯斷效果的影響研究［J］筑路機械與施工機械化，2015，32（3）：66-70

［13］李鵬活動斷層區(qū)公路隧道抗錯斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究［D］重慶：重慶交通大學(xué)，2009

［14］趙坤，陳衛(wèi)忠，趙武勝，等逆斷層錯動作用下隧道襯砌鉸接設(shè)計參數(shù)研究［J］巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2018，37（增1）：3411-3421

［15］SHAHIDIAR，VAFAEIANMAnalysisoflongitudinalprofileofthetunnelsintheactivefaultedzoneanddesigningtheflexiblelining（forKoohrang-Ⅲtunnel）［J］TunnellingandUndergroundSpaceTechnology，2005，20（3）：213-221

［16］JALALIMTunnelrehabilitationinfaultzoneusingsequentialjointsmethod-casestudy：Karajwaterconveyancetunnel［J］InternationalJournalofMiningandGeo-Engineering，2018，52（1）：87-94

［17］孫風(fēng)伯，趙伯明，楊清源，等穿越活動斷層隧道組合抗震縫定量設(shè)置的計算公式及試驗驗證［J］中國鐵道科學(xué)，2018，39（2）：61-70

［18］趙武勝，陳衛(wèi)忠，譚賢君，等高性能泡沫混凝土隧道隔震材料研究［J］巖土工程學(xué)報，2013，35（8）：1544-1552

（編輯：鄭毅）