黏滑斷層隧道剛?cè)岵箿p錯技術(shù)研究

崔光耀, 魏杭杭, 王明年

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 北京 100144; 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031;3. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

0 引言

我國西部山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,地震活動頻繁,斷裂構(gòu)造發(fā)育。隨著西部交通基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,致使穿越黏滑斷層隧道大量涌現(xiàn),如在建川藏高速系列隧道、大瑞鐵路系列隧道等。在汶川地震中,都映高速穿越黏滑斷層系列隧道洞身主體結(jié)構(gòu)破壞嚴重,甚至出現(xiàn)襯砌垮塌、圍巖垮塌的嚴重震害(圖1),嚴重影響災(zāi)后生命線搶通、救援及恢復(fù)重建工作[1-2](1)四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院.5.12 汶川地震災(zāi)區(qū)高速公路和國省干線公路恢復(fù)重建工程調(diào)查、檢測、評估.成都:四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院,2008.。如何提高斷層黏滑錯動時隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性是亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

圖1 龍溪隧道黏滑斷層段隧道整體垮塌Fig.1 Overall collapse of stick-slip fracture section of Longxi tunnel

斷層黏滑錯動和強震震動是造成強震區(qū)黏滑斷層隧道震害的主要影響因素,其中斷層黏滑錯動影響較大,強震震動影響次之。目前黏滑斷層隧道抗錯斷措施主要有抗錯和減錯兩種,圍巖加強、結(jié)構(gòu)加強為抗錯措施;二襯施設(shè)減錯縫及初支與二襯之間設(shè)置減錯層為減錯措施。由于采用單一設(shè)防措施難以有效抵抗或消減斷層黏滑錯動的作用,本文提出采用剛?cè)岵箿p錯措施(二襯加強+初支與二襯之間施設(shè)減錯層)予以設(shè)防。

國內(nèi)外有關(guān)專家、學(xué)者對黏滑斷層隧道抗減錯技術(shù)做了部分研究,主要有:對穿越活動斷層隧道震害機理進行了研究[3-4];依托實際工程,通過模型試驗對斷層錯動下隧道抗錯斷力學(xué)機制及破壞機理進行了研究[5-6];通過模型試驗對斷層錯動下圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化進行了研究[7-9];對不同傾角斷層黏滑錯動作用下隧道支護結(jié)構(gòu)的受力特性進行了研究[10-13];利用模型試驗與數(shù)值模擬對黏滑斷層隧道設(shè)置減錯縫和減錯層的減錯技術(shù)進行了研究[14-17]。以上研究在黏滑斷層隧道斷層致災(zāi)機理、減錯技術(shù)方面做了部分研究,而在黏滑斷層隧道采用結(jié)構(gòu)加強與施設(shè)減錯措施綜合設(shè)防方面研究很少。本文以都汶高速友誼隧道F1黏滑斷層段為研究背景,對黏滑斷層隧道采用剛?cè)岵箿p錯措施(二襯加強+初支與二襯之間施設(shè)減錯層)進行研究,這對黏滑斷層隧道抗減錯技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。

1 友誼隧道F1黏滑斷層段工程概況

1.1 工程地質(zhì)

隧址區(qū)位于紙廠溝與小桃溝之間的山體內(nèi),受斷層和巖性影響,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。

F1黏滑斷層為擠壓性逆斷層,隧道洞身穿F1黏滑斷層而過,走向NE,傾向NW,傾角60°,破碎帶寬度0.5～2.0 m,延伸長度約1 km,斷層破碎帶主要由糜棱巖、碎塊巖組成,Ⅴ級圍巖,在里程K1028+259.8處與路線斜交。斷層破碎帶上盤巖體主要由砂巖組成,巖體較為完整,強度較高,屬于Ⅳ級圍巖,下盤主要由第四系崩坡堆積層的塊碎石土和強、中風(fēng)化巖石組成,巖體完整性較差,屬于Ⅴ級圍巖。

1.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道支護結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌,跨度9.4 m,高度8.0 m;隧道初支采用厚度為25 cm的C25噴射混凝土,二襯采用厚度為40 cm的C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計算模型

依托友誼隧道F1黏滑斷層段建立計算模型,隧道埋深為40 m,隧底圍巖厚40 m,左右兩側(cè)寬度取5倍隧道跨度約60 m,縱向開挖長度100 m,斷層錯動距離為10 cm。本文主要研究上下盤巖體中隧道結(jié)構(gòu)受黏滑斷層錯動作用的影響及對策,對破碎帶段圍巖及結(jié)構(gòu)不做研究,加之破碎帶較窄,故簡化為平面。計算模型如圖2所示。錯動模擬采用的邊界條件是以下盤為固定盤,以上盤為活動盤,通過在上盤施加位移荷載來模擬斷層錯動。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

2.2 計算工況

為研究黏滑斷層隧道采用剛?cè)岵箿p錯措施的抗減錯效果,隧道二襯分別采用C25(E為28 GPa)和C35(E為31.5 GPa)混凝土,在初支與二襯間施設(shè)減錯層。計算工況列于表1。

表1 計算工況

2.3 計算參數(shù)

施工中減錯層一般采用橡膠板,厚度取10 cm[13];圍巖根據(jù)勘測資料選?、跫墖鷰r。計算模型物理學(xué)參數(shù)列于表2。

表2 計算模型參數(shù)

2.4 監(jiān)測布置

監(jiān)測布置如圖3所示。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)位移

提取各X1、S1黏滑錯動完成時監(jiān)測斷面計算數(shù)據(jù),進行結(jié)構(gòu)位移分析。

3.1.1 拱頂沉降

各監(jiān)測斷面的拱頂沉降列于表3。

表3 監(jiān)測斷面拱頂沉降(單位:m)

由表3可知:

(1) 各工況靠近斷層監(jiān)測斷面上盤拱頂沉降均大于下盤拱頂沉降,其中工況1靠近斷層監(jiān)測斷面拱頂沉降最大,分別為0.282 m、0.353 m。

(2) 工況2相對于工況1,拱頂沉降略微減小,說明結(jié)構(gòu)加強對拱頂沉降的控制效果一般。

(3) 工況3相對于工況1、工況4相對于工況2,拱頂沉降明顯減小,抗減錯效果分別達到33%以上。

(4) 工況4靠近斷層監(jiān)測斷面拱頂沉降最小,分別為0.181 m、0.229 m,相對于工況1抗減錯效果達到36%以上,因此可知,采用剛?cè)岵箿p錯措施能有效控制隧道拱頂沉降。

3.1.2 邊墻收斂

各監(jiān)測斷面的邊墻收斂值列于表4。

表4 監(jiān)測斷面邊墻收斂值(單位:m)

由表4可知:

(1) 各工況靠近斷層監(jiān)測斷面上盤邊墻收斂均大于下盤邊墻收斂。

(2) 工況2相對于工況1,邊墻收斂略微減小,說明結(jié)構(gòu)加強對邊墻收斂的控制效果一般。

(3) 工況3相對于工況1、工況4相對于工況2,邊墻收斂明顯減小,抗減錯效果分別達到20%以上。

(4) 工況4靠近斷層監(jiān)測斷面邊墻收斂最小,分別為0.011 m、0.016 m,相對于工況1的抗減錯效果達到30%以上,因此可知,采用剛?cè)岵箿p錯措施能有效控制隧道邊墻收斂。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況黏滑錯動完成時各監(jiān)測斷面計算數(shù)據(jù),進行內(nèi)力分析。

(1) 軸力

各監(jiān)測斷面最大軸力值列于表5。

表5 監(jiān)測斷面最大軸力(單位:kN)

由表5可知,工況1、2各監(jiān)測斷面最大軸力均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài),且沿隧道縱向分布趨勢相似,最大軸力值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層斷面,其中工況1值為-14 884 kN,工況2值為-16 400 kN。工況3、4靠近斷層斷面(X1、S1)最大軸力呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài),其余各監(jiān)測斷面最大軸力均呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài);兩工況最大軸力值均出現(xiàn)在上盤靠近斷層斷面,其中工況3值為11 878 kN,工況4值為12 487 kN。隨著上下盤斷面與斷層的距離增大,斷面最大軸力呈下降趨勢。

從數(shù)值上整體來看,工況2監(jiān)測斷面最大軸力值大于工況1,工況4的則大于工況3,說明通過結(jié)構(gòu)加強不能降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大軸力;工況3監(jiān)測斷面最大軸力值小于工況1,工況4的則小于工況2,說明通過施設(shè)減錯層能有效降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大軸力;工況4監(jiān)測斷面最大軸力值遠小于工況1,說明采用剛?cè)岵箿p錯措施能有效降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大軸力。

(2) 彎矩

各監(jiān)測斷面最大彎矩值列于表6。

由表6可知,各工況監(jiān)測斷面最大彎矩值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層斷面,其中工況2最大,值為-240.5 kN.m,工況3次之,值為236.0 kN.m,工況1最小,值為-217.6 kN.m。隨著監(jiān)測斷面與斷層的距離增大,工況1、2隧道下盤最大彎矩呈下降趨勢,上盤最大彎矩先下降然后上升;工況3、4隧道上下盤最大彎矩均呈下降趨勢。工況1、2監(jiān)測斷面最大彎矩均表現(xiàn)為外側(cè)受拉;工況3、4下盤靠近斷層斷面處表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)受拉,其余均表現(xiàn)為外側(cè)受拉。

表6 監(jiān)測斷面最大彎矩(單位:kN·m)

從數(shù)值上整體來看,工況2監(jiān)測斷面最大彎矩值大于工況1,工況4監(jiān)測斷面最大彎矩值大于工況3,說明通過結(jié)構(gòu)加強不能降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大彎矩;工況3監(jiān)測斷面最大彎矩值大于工況1,說明通過施設(shè)減錯層不能降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大彎矩;工況4監(jiān)測斷面最大彎矩值遠大于工況1,說明采用剛?cè)岵箿p錯措施不能降低隧道結(jié)構(gòu)所受最大彎矩。

(3) 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

提取各工況錯動完成時各監(jiān)測斷面計算數(shù)據(jù)進行安全系數(shù)分析,襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)按照式(1)～(2)計算[14],各工況監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)列于表7。 根據(jù)安全系數(shù)計算平均抗減錯效果,如表8所列。

安全系數(shù):

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中:b為截面寬度,取1 m;h為截面厚度;E為彈性模量;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)。

表7 監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)

表8 平均抗減錯效果

由表7可知,各工況監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)沿隧道縱向分布趨勢相似,最小值均出現(xiàn)在靠近斷層斷面(X1、S1),其中工況1最小,值為0.84,工況2、3次之,均為1.06,工況4最大,值為1.40。隨著上下盤斷面與斷層的距離增大,斷面最小安全系數(shù)整體呈增大趨勢,且距離斷層同間距下,上盤安全系數(shù)整體較下盤小,斷層黏滑錯動對隧道上盤的影響遠大于下盤。

從數(shù)值上整體來看,工況2、3監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)值大于工況1,其中工況3遠大于工況2,說明通過施設(shè)減錯層消減斷層黏滑錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響優(yōu)于結(jié)構(gòu)加強措施抵抗其影響;工況4監(jiān)測斷面最小安全系數(shù)值遠大于工況1,說明采用剛?cè)岵箿p錯措施抵抗及消減斷層黏滑錯動的作用方面效果顯著。

由表8可知,從平均抗減錯效果來看,工況2相對工況1平均抗減錯效果為23.46%,工況4相對工況3平均抗減錯效果為32.01%,即采用結(jié)構(gòu)加強措施抵抗斷層黏滑錯動的平均抗減錯效果在23%～33%間;工況3相對工況1平均抗減錯效果為37.15%,工況4相對工況2平均抗減錯效果為46.25%,即施設(shè)減錯層有利于消減斷層黏滑錯動對隧道結(jié)構(gòu)的影響,平均抗減錯效果在37%～47%間,優(yōu)于結(jié)構(gòu)加強措施;同時采用剛?cè)岵箿p錯措施在抵抗及消減斷層黏滑錯動影響方面效果顯著,平均抗減錯效果為81.27%。

4 結(jié)論

(1) 采用結(jié)構(gòu)加強抵抗斷層黏滑錯動對隧道結(jié)構(gòu)位移影響較小,對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較大,其平均抗減錯效果在23%～33%間。

(2) 采用施設(shè)減錯層消減斷層黏滑錯動對隧道拱頂沉降、邊墻收斂的抗減錯效果分別達到20%以上,對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響平均抗減錯效果在37%～47%間。

(3) 剛?cè)岵箿p錯措施在抵抗及消減斷層黏滑錯動影響方面效果顯著,拱頂沉降、邊墻收斂抗減錯效果分別達到30%以上,結(jié)構(gòu)內(nèi)力平均抗減錯效果達到80%以上。