隧道纖維混凝土襯砌抗錯斷性能模型試驗研究

崔光耀， 王李斌， 王明年， 王道遠

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031；3.石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043；4.河北交通職業(yè)技術(shù)學院 土木工程系，石家莊 050091)

我國西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)深入發(fā)展，高烈度活動斷裂區(qū)交通隧道工程不斷涌現(xiàn)，如雅康高速二郎山隧道(穿越瀘定、二郎山及?；说葦嗔?、綿茂公路籃家?guī)r隧道(穿越龍門山支斷裂)、拉日鐵路系列隧道(穿越雅江深大斷裂、雅江北岸斷裂)、川藏鐵路系列隧道(穿越龍門山、鮮水河、金沙江、怒江、雅魯藏布江等活動斷裂)，如圖1所示。

強震誘發(fā)活動斷裂活化而發(fā)生黏滑錯動，造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重破壞[1-3]。如何提高高烈度活動斷裂區(qū)交通隧道的震時安全性和穩(wěn)定性是亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

提高隧道抗錯斷性能的措施主要有：圍巖加強、結(jié)構(gòu)加強、設(shè)置減錯層、設(shè)置減錯縫以及采用大阻尼支護結(jié)構(gòu)等。隧道襯砌結(jié)構(gòu)抵抗斷裂黏滑錯動的影響，需要襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的抗剪、抗沖、抗折及抗拉性能。纖維混凝土因其具有增強、增韌、阻裂等優(yōu)異性能，成為襯砌結(jié)構(gòu)抵抗斷裂黏滑錯動的有利材料。

圖1 川藏鐵路活動斷裂分布

Fig.1 Distribution of active faults in Sichuan-Tibet Railway

目前，鋼纖維應用最為廣泛，但鋼纖維密度較大，在混凝土中分布極其不均，一定程度影響了纖維性能的發(fā)揮，為此可同時摻入密度較低的其他纖維共同作用。兩種或多種纖維共同摻入混凝土，可在不同階段、不同層次發(fā)揮正混雜效應?；祀s纖維混凝土既可發(fā)揮高彈模、高密度纖維(鋼纖維)的多向約束作用，也可發(fā)揮低彈模、低密度纖維(聚丙烯、玄武巖等)的阻裂作用。

國內(nèi)外相關(guān)專家、學者對高烈度活動斷裂區(qū)隧道的抗錯斷技術(shù)進行了部分研究，主要有：采用數(shù)值仿真及模型試驗，對斷層黏滑錯動作用下的力學響應及損傷機理進行了研究[4-5]；依托Bolu隧道和Koohrangs隧道，采用數(shù)值仿真對二襯施設(shè)不同節(jié)跨比減錯縫進行了作用效果對比研究[6-7]；采用模型試驗對二襯施設(shè)減錯縫、減錯層及二襯加厚等措施的抗錯斷效果進行了研究[8-10]；采用理論分析和模型試驗，對減震層減震模型、減震機理、斷層及減震層參數(shù)敏感性進行了研究[11-13]；采用試件試驗及模型試驗，對鋼纖維/玄武巖纖維混凝土的基本力學特性及襯砌的靜力承載特性進行了研究[14-15]等。綜上所述，目前隧道抗錯斷技術(shù)研究主要集中在減錯縫方面，減錯層研究較少，結(jié)構(gòu)加強方面鮮有報道。本文依托某地鐵九家灣斷裂F2-3區(qū)間隧道工程，對高烈度活動斷裂區(qū)隧道纖維混凝土襯砌的抗錯斷性能進行模型試驗研究，這對高烈度艱險山區(qū)交通隧道結(jié)構(gòu)安全性及穩(wěn)定性的提高具有重要的意義。

1 纖維混凝土基本力學性能

1.1 試驗目的及分組

為研究纖維混凝土增強、增韌的力學性能，以素混凝土、鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)、鋼-玄武巖混雜纖維混凝土(steel-basalt fiber reinforced concrete,SBFRC)、鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土(steel-polypropylene fiber reinforced concrete,SPFRC)為研究對象進行試件試驗。

通過立方體抗壓強度、抗折強度試驗研究其增強性能，立方體抗壓強度試件尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度試件尺寸為：100 mm×100 mm×400 mm；通過大板能量韌性試驗研究其增韌性能，試件尺寸為：500 mm×500 mm×100 mm。

由于在大板能量韌性試驗過程中，素混凝土試件破壞荷載較小，試件破壞后荷載迅速減小。因此，本次大板能量韌性試驗僅對SFRC、SBFRC 和SPFRC試件進行試驗。試件纖維摻量按同體積比進行設(shè)計，試驗分組見表1所示。

表1 試驗分組

1.2 試驗結(jié)果及分析

1.2.1 立方體抗壓強度及抗折強度試驗

立方體抗壓強度試驗采用YES-2000型數(shù)顯壓力實驗機進行，抗折強度試驗采用JES-300抗折實驗機進行，試驗結(jié)果見表2和表3所示。

表2 立方體抗壓強度試驗結(jié)果

表3 抗折強度試驗結(jié)果

由表2和表3可知，相對素混凝土，SFRC立方體抗壓強度提高了20.19%，抗折強度提高了23.54%；SBFRC立方體抗壓強度提高了17.11%，抗折強度提高了21.30%；SPFRC立方體抗壓強度提高了16.62%，抗折強度提高了20.29%。這說明在纖維摻量同體積條件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增強效果稍好，SBFRC增強效果略好于SPFRC。

1.2.2 大板能量韌性試驗

大板能量韌性試驗采用250 kN普通液壓試驗機進行。支承鋼框平放于試驗臺，調(diào)整其水平度并將試件放置于支座上，啟動液壓千斤頂，采用等速位移控制(1.5 mm/min)，至方板試件中心點撓度達到25 mm，試驗結(jié)束。試驗如圖2所示。試驗結(jié)果見表4所示。

表4 大板能量韌性試驗結(jié)果

由表4可知，SFRC、SBFRC和SPFRC的最大荷載平均值相差無幾；裂縫數(shù)量及裂縫處纖維數(shù)量，SBFRC比SFRC增加6.01%和6.57%，SPFRC比SFRC增加7.85%和8.44%；吸收能量平均值，SBFRC比SFRC增加13.84%，SPFRC比SFRC增加18.42%。這說明在纖維摻量同體積條件下，SBFRC、SPFRC增韌效果好于SFRC，SPFRC增韌效果稍好于SBFRC。

2 抗錯斷模型試驗方案設(shè)計

2.1 依托工程概況

某地鐵線路全長26.5 km，共設(shè)車站21座，線路由南向北依次穿越四組活動斷裂，如圖3所示。依托九家灣斷裂F2-3區(qū)間隧道工程開展模型試驗研究，該斷裂為全新世活動正斷裂，傾角70°。隧道斷面為馬蹄形，跨度×高度=8.573 m×9.120 m。初支采用C25噴射混凝土(厚30 cm), 二襯采用C35模注混凝土(厚60 cm)。

圖3 線路區(qū)域大地構(gòu)造

2.2 試驗分組及設(shè)備

2.2.1 試驗分組

為研究纖維混凝土隧道襯砌的抗錯斷性能，開展了四組室內(nèi)模型試驗進行研究。試驗分組見表5所示。

表5 試驗分組

2.2.2 試驗設(shè)備

試驗采用傾斜正斷裂黏滑錯動試驗箱(自行設(shè)計，長×寬×高=2.5 m×2.5 m×2.0 m)進行，試驗箱由可活動的上盤部分和固定的下盤部分組成，斷裂傾角為70°，如圖4所示。

傳感器主要采用微型壓力盒、直角應變花和應變片，數(shù)據(jù)采集采用東華靜態(tài)應變采集儀。

圖4 傾斜正斷裂黏滑錯動試驗箱

2.3 試驗相似比及相似材料

2.3.1 試驗相似比

根據(jù)隧道及試驗箱尺寸，并考慮盡可能消除試驗箱邊界效應，試驗箱寬度應大于7倍隧道跨度，即隧道模型跨度應小于2.5/7≈0.357 m，幾何相似比應大于8.573/0.357≈24.01，取為30?？紤]到重度相似配套，彈模相似比取為45。其他相關(guān)物理量根據(jù)相似理論可推導得出，如表6所示。

表6 其他相關(guān)物理量相似比

2.3.2 試驗相似材料

圍巖相似材料由河砂、粉煤灰及機油的熱融混合料模擬，各組分重量配比根據(jù)正交試驗確定，機油∶河砂∶粉煤灰=1∶3∶6。圍巖相似材料基本力學參數(shù)見表7所示。

表7 圍巖相似材料基本力學參數(shù)

采用石膏摻和料(水膏比為0.676)模擬二襯，彈性模量和抗壓強度為相似控制指標；在石膏摻和料中按比例摻入試驗用鋼纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維，模擬SFRC、SBFRC 和SPFRC二襯；防水板采用聚乙烯膜模擬；采用兩層PVC塑料板(中間均勻涂以黃油)模擬斷裂黏滑錯動的作用效果， 如圖5所示。

(a) 鋼纖維

(b) 玄武巖纖維

(c) 聚丙烯纖維

(d) 模型澆注

(e) 拆模

(f) 防水板與初支

(g) 黏滑斷裂模擬

2.4 試驗量測布置

試驗量測布置如圖6所示。在各量測斷面拱頂布設(shè)微型壓力盒(Y，圍巖與初支間)、橫向應變片(H，二襯內(nèi)外側(cè)成對布設(shè))、縱向應變片(L，二襯外側(cè))和直角應變花(Z，二襯外側(cè))，在邊墻中部和仰拱中部布設(shè)微型壓力盒。

(a) 量測斷面(mm)

(b) 測點布置

布設(shè)微型壓力盒主要測試圍巖與支護結(jié)構(gòu)間的接觸應力；二襯內(nèi)外側(cè)成對布設(shè)橫向應變片主要測試結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；二襯外側(cè)布設(shè)縱向應變片主要測試結(jié)構(gòu)的縱向應變；二襯外側(cè)布設(shè)直角應變花主要測試結(jié)構(gòu)的主應力。

2.5 試驗實施

(1) 通過試驗箱上盤底部四角設(shè)置的5 t千斤頂將上盤箱體抬升5 cm(該工程百年保守預測地表錯動量為1.5 m)。

(2) 逐層(0.2 m/層)填夯圍巖相似材料至隧道仰拱外皮標高處，布設(shè)二襯模型、防水板及初支，并安設(shè)置微型壓力盒等測試傳感器。

(3) 同時放下上盤底部的4個千斤頂，上盤巖體及隧道沿錯動面發(fā)生黏滑錯動，采集試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)束。

3 抗錯斷模型試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 主應力

提取各工況試驗后各量測斷面直角應變花量測數(shù)據(jù)，計算斷裂黏滑錯動造成的結(jié)構(gòu)主應力，如圖7所示(橫坐標正數(shù)部分為上盤，橫坐標負數(shù)部分為下盤)。

(a) 第一主應力

(b) 第三主應力

提取各工況第一主應力和第三主應力的最大值，計算纖維混凝土襯砌的抗錯斷效果(相對素混凝土襯砌)，見表8所示。

由圖7及表8可知：

(1) 試驗后，各工況斷裂黏滑錯動造成的結(jié)構(gòu)第一主應力、第三主應力峰值均位于上盤部分，上盤隧道結(jié)構(gòu)主應力受黏滑錯動影響大于下盤。

表8 主應力抗錯斷效果

(2) 纖維混凝土襯砌(工況2～工況4)主應力抗錯斷效果較好，達30%～40%。第一主應力抗錯斷效果優(yōu)于第三主應力。

(3) 混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)主應力抗錯斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。工況4(SPFRC)主應力抗錯斷效果最優(yōu)，略優(yōu)工況3(SBFRC)。

3.2 縱向應變

提取各工況試驗后各量測斷面縱向應變片量測數(shù)據(jù)，計算斷裂黏滑錯動造成的結(jié)構(gòu)縱向應變增加倍數(shù)，如圖8所示。

(a) 工況1～工況4

提取各工況縱向應變增加倍數(shù)的最大值，計算纖維混凝土襯砌的抗錯斷效果(相對素混凝土襯砌)，見表9所示。

由圖8及表9可知：

(1) 試驗后，各工況斷裂黏滑錯動造成的結(jié)構(gòu)縱向應變增加倍數(shù)峰值均位于上盤部分，上盤隧道結(jié)構(gòu)縱向應變受黏滑錯動影響大于下盤。

表9 縱向應變抗錯斷效果

(2) 纖維混凝土襯砌(工況2～工況4)縱向應變抗錯斷效果達80%～90%。混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)縱向應變抗錯斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。工況4(SPFRC)縱向應變抗錯斷效果最優(yōu)，略優(yōu)工況3(SBFRC)。

3.3 接觸應力

提取各工況試驗后各量測斷面拱頂測點微型壓力盒量測數(shù)據(jù)，計算斷裂黏滑錯動造成的接觸應力增加倍數(shù)，如圖9所示。

圖9 接觸應力增加倍數(shù)

提取各工況接觸應力增加倍數(shù)的最大值，計算纖維混凝土襯砌接觸應力增加倍數(shù)最大值的增大百分比(相對素混凝土襯砌)，見表10所示。

表10 接觸應力增加倍數(shù)最大值的增大百分比

由圖9及表10可知：

(1) 試驗后各工況斷裂黏滑錯動造成的接觸應力增加倍數(shù)，上盤部分大于下盤部分，這說明斷裂黏滑錯動對上盤隧道接觸應力的影響大于下盤。

(2) 由于纖維混凝土具有增強、增韌的力學特點，纖維混凝土襯砌限制圍巖應力釋放的作用較素混凝土襯砌強，工況2～工況4接觸應力增加倍數(shù)的最大值均比工況1有所增加，增大百分比達到20%～30%。

(3) 在三種纖維混凝土中，SPFRC增強效果最弱、增韌效果最佳，工況4接觸應力增加倍數(shù)最大值最小，為38.53倍；SFRC增強效果最佳、增韌效果最弱，工況2接觸應力增加倍數(shù)最大值最大，為39.94倍。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況試驗后各監(jiān)測斷面拱頂測點內(nèi)外側(cè)橫向應變片量測數(shù)據(jù)，計算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)[16-17]，如圖10所示。

圖10 安全系數(shù)

矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強度：

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強度：

(2)

式中:b為截面寬度，取1 m；h為截面厚度；N為結(jié)構(gòu)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(shù)；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力偏心影響系數(shù)。

提取各工況安全系數(shù)的最小值，計算最小值增加倍數(shù)(相對素混凝土襯砌)，如表11所示。

表11 安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)

由圖10及表11可知：

(1) 試驗后各工況結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值均位于上盤隧道部分，這說明斷裂黏滑錯動對上盤隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響大于下盤。

(2) SFRC、SBFRC、SPFRC襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值分別為1.39、1.55、1.62，比素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值(0.33)分別增加了4.22倍、4.68倍和4.89倍?；祀s纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。

(3) 混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)抗壓強度弱于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)，韌性強于鋼纖維混凝土襯砌，結(jié)構(gòu)安全性優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌。故在提高隧道抗錯斷性能方面，纖維混凝土的增韌作用強于增強作用。

4 結(jié) 論

(1) 在纖維摻量同體積條件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增強效果稍好， SBFRC、SPFRC增韌效果好于SFRC；SBFRC增強效果略好于SPFRC，SPFRC增韌效果稍好于SBFRC。

(2) 隧道纖維混凝土襯砌主應力抗錯斷效果達30%～40%，第一主應力抗錯斷效果優(yōu)于第三主應力；縱向應變抗錯斷效果達80%～90%；接觸應力增加倍數(shù)最大值增大百分比達20%～30%；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)達4倍～5倍。

(3) 隧道混雜纖維(SBFRC、SPFRC)混凝土襯砌主應力、縱向應變、結(jié)構(gòu)內(nèi)力抗錯斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌，SPFRC襯砌結(jié)構(gòu)抗錯斷安全性最高。

(4) 混雜纖維混凝土襯砌抗壓強度弱于鋼纖維混凝土襯砌，韌性強于鋼纖維混凝土襯砌，結(jié)構(gòu)安全性強于鋼纖維混凝土襯砌。故在提高隧道抗錯斷性能方面，纖維混凝土的增韌作用強于增強作用。