斷層錯動下節(jié)段式隧道設(shè)計參數(shù)及安全性分析

鄧忠富

摘要：鑒于山嶺隧道穿越地震活動帶的逆斷層時易受斷層滑動的影響，文章采用數(shù)值分析方法，對斷層錯動下的減震型節(jié)段襯砌隧道設(shè)計參數(shù)進(jìn)行安全性分析。結(jié)果表明：隧道施工過程中應(yīng)進(jìn)行徑向注漿加固，采取Φ42mm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7m;逆斷層錯動下，位于上盤的襯砌節(jié)段易發(fā)生拉破壞，位于下盤的襯砌節(jié)段易發(fā)生壓剪破壞;最易發(fā)生破壞的節(jié)段為與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段;隨著錯距增大，逆斷層型式下節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)的抗壓、抗裂及抗剪安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，最易發(fā)生破壞的位置為與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段，破壞型式為壓剪破壞，破壞的部位常出現(xiàn)在仰拱與拱頂位置;逆斷層錯動下，處于下盤（固定盤）的襯砌節(jié)段抗裂安全性大于上盤襯砌節(jié)段，處于上盤（移動盤）的襯砌節(jié)段抗壓、抗剪安全性大于下盤襯砌節(jié)段;去除端部效應(yīng)，距離斷層面越近，襯砌節(jié)段安全性越小，需采取加強措施。所得結(jié)論對今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

關(guān)鍵詞：隧道工程;斷層錯動;節(jié)段式襯砌;襯砌厚度;加固注漿;安全性分析

中圖分類號：U452.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.035

文章編號：1673-4874（2021）01-0126-05

0引言

山嶺隧道穿越地震活動帶的逆斷層，易受逆斷層滑動的影響，近年來逐漸受到研究人員的關(guān)注。國內(nèi)外諸多學(xué)者采用理論分析[1-4]、物理實驗[5-8]、數(shù)值模擬[9-10]、工程類比[11]等方法對相關(guān)問題進(jìn)行了研究。其中較為典型的有宋成輝等[1]對內(nèi)馬鐵路隧道穿越東非大裂谷活動斷裂帶的隧道進(jìn)行了抗震分析和斷層位錯處理，為我國即將開展川藏鐵路隧道的勘察和設(shè)計提供借鑒和設(shè)計依據(jù);閆高明等[5]以跨斷層龍溪隧道為依托，采用振動臺模型試驗研究了單一錯動方式與斷層錯動-震動綜合加載方式下帶有接頭的襯砌結(jié)構(gòu)響應(yīng);李學(xué)鋒等[9]運用ABAQUS有限元分析軟件，建立穿越活動斷裂帶的隧道模型，分析斷層錯動下不同節(jié)段長度隧道圍巖壓力分布情況、二次襯砌最大軸向應(yīng)力變化情況以及隧道塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律;丁秀麗等[11]采用工程實例搜集與綜合對比分析方法，系統(tǒng)整理了國內(nèi)外10個隧洞穿越活動斷層的工程案例，認(rèn)為設(shè)置柔性連接段、擴大斷面尺寸、洞內(nèi)明管、復(fù)合襯砌是當(dāng)前隧洞抗斷的主要措施。

綜上所述，鐵路隧道穿越多條活動性斷層，可供借鑒的經(jīng)驗較少，對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計提出挑戰(zhàn)?；顒有詳鄬佣嗡淼绹鷰r及支護結(jié)構(gòu)變形機理、隧道襯砌結(jié)構(gòu)型式及支護參數(shù)都是亟待解決的技術(shù)難題。為保證活動斷層段隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運營安全，本文基于敦格鐵路隧道特點，通過數(shù)值模擬，對斷層錯動下的減震型節(jié)段襯砌隧道設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究及安全性分析，從而確定活動性斷層隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工提供科學(xué)依據(jù)。

1工程簡介

敦煌至格爾木甘肅段闊克薩鐵路隧道穿越祁連褶皺系阿爾金山斷塊，由于受到多期地質(zhì)構(gòu)造的影響，該褶帶地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。工點范圍內(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。

2活動性斷層隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究

2.1斷層錯動下隧道襯砌厚度參數(shù)設(shè)計

為了研究斷層錯動下隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸對結(jié)構(gòu)受力、變形的影響，對節(jié)段式襯砌厚度分別為30cm、55cm、85cm時斷層錯動20cm后結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析。其中襯砌材料為C45混凝土、節(jié)段長18m、特殊變形縫寬10cm。

斷層性質(zhì)為逆斷層，斷層錯動時下盤底部、側(cè)面進(jìn)行法向位移約束，上盤底部和端部施加位移荷載，實現(xiàn)對上盤施加強制位移，側(cè)面進(jìn)行位移約束。

（1）襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

逆斷層錯動20cm后，三種截面厚度襯砌變形特征用仰拱中心豎向變形來說明，如圖2所示。從圖2 中可見不同截面厚度的襯砌變形特征基本一致，受底部強制位移影響，處于錯動盤（上盤）中襯砌變形較大;

處于不動盤（下盤）中襯砌受斷層錯動影響很小，故變形也極小;與斷層面相交的襯砌節(jié)段變形復(fù)雜，出現(xiàn)較大偏轉(zhuǎn)。

（2）結(jié)構(gòu)受力特征

由于斷層錯動對斷層面附近的三個襯砌節(jié)段受力影響較大，故取三種工況下三個典型襯砌節(jié)段的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力進(jìn)行分析。三種工況下三個典型襯砌節(jié)段內(nèi)力統(tǒng)計見圖3。

由圖3可知：（1）不同截面厚度下，最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）、最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）、最大剪應(yīng)力皆出現(xiàn)在與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段上，其次為處于上盤（移動盤）斷層面附近的4^#襯砌節(jié)段上，再次為處于下盤（固定盤）斷層面附近的2^#襯砌節(jié)段上;（2）不同襯砌截面中，基本上呈現(xiàn)截面厚度越大、最小主應(yīng)力與最大剪應(yīng)力越大的規(guī)律，但最大主應(yīng)力截面尺寸變化的規(guī)律不明顯;（3）從單純增大襯砌截面尺寸的措施來抵抗斷層錯動影響是不可取的。

2.2圍巖注漿加固設(shè)計

圍巖注漿加固有助于改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了圍巖加固的設(shè)計理念，即在隧道開挖后，采取Φ42mm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7m，如圖4所示。注漿材料為水泥單漿液或水泥-水玻璃雙漿液，水泥標(biāo)號為525普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為35Be;水泥單液漿水灰比為1.25：1～0.8：1，速凝劑摻量為5%，或通過試驗確定;雙液漿中水泥漿與水玻璃的體積比為1：1～1：0.6，緩凝劑摻量為2%，或通過試驗確定。注漿終壓通過試驗確定在1.5～4.0MPa范圍，注漿擴散半徑為0.5m，鉆孔深度為4.5m，鉆孔傾角為45°;注漿管長度為4.5m，直徑為42mm;孔底環(huán)向間距為0.8m，縱向間距為0.67m。

3隧道節(jié)段式襯砌安全性分析

為了研究活動性斷層錯動下節(jié)段型襯砌中各節(jié)段的可靠性，分別對逆斷層在不同錯距（10cm、20cm、50cm、80cm、100cm）下處于不同位置的襯砌節(jié)段受力特征進(jìn)行比較，并與結(jié)構(gòu)材料的抗力指標(biāo)相比較，進(jìn)行安全性評價分析。

3.1計算模型及計算參數(shù)

（1）隧道結(jié)構(gòu)

采用巖土數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過下盤固定、上盤向上錯動方式來模擬逆斷層錯動時圍巖變形特征及支護結(jié)構(gòu)（二次襯砌）的受力、變形特征。數(shù)值計算中隧道結(jié)構(gòu)采用單線隧道復(fù)合式結(jié)構(gòu)型式，其中初支為25cm厚的C25噴射混凝土，鋼架（H175）間距為0.6m，二襯厚為55cm，為鋼筋混凝土，詳見圖5。

（2）模型尺寸及物理力學(xué)參數(shù)

三維數(shù)值模型計算范圍選?。貉厮淼垒S線縱向（z軸）取50m，隧道橫截面方向（x軸）長為56m，約取隧道跨度的6倍，垂直方向（y軸）取62m，隧道處于模型中偏上部位，隧道埋深為24m。斷層面傾向與隧道軸線方向一致，傾角為75°。

斷層上盤巖體為IV級圍巖、下盤為V級圍巖（模擬斷層帶巖體），隧道圍巖、初期支護及二次襯砌結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點六面體單元來模擬。模型共剖分303852 個單元，共有53985個節(jié)點。三維數(shù)值計算模型如圖6所示。數(shù)值計算中采用的等效物理力學(xué)參數(shù)見表1。斷層面采用Interface單元模擬，斷層面力學(xué)參數(shù)的法向剛度為20.76GPa，切向剛度為20.76GPa，摩擦角為23.5°，內(nèi)聚力為0.125MPa，抗拉強度為47.9kPa。

（3）邊界條件

在數(shù)值模型試驗中，模型斷層下盤固定，即下盤左右側(cè)為水平（X軸方向）約束，后端面為法向（Z軸方向）和豎向（Y方向）約束，底部為豎向（Y方向）約束，其他為自由邊界。上盤左右側(cè)為水平（X軸方向）約束，頂面為自由邊界（即無約束），底部及端部（Z軸方向）為位移邊界，施加位移方向為斷層傾斜方向，通過下盤固定、上盤向上發(fā)生相對位錯實現(xiàn)逆斷層錯動，如圖7所示。

3.2不同工況下襯砌節(jié)段受力對比

逆斷層錯動時，5種工況下（即錯距分別為10cm、20cm、50cm、80cm、100cm）不同位置的襯砌節(jié)段所受的最大拉應(yīng)力（最大主應(yīng)力）、最大壓應(yīng)力（最小主應(yīng)力）與最大剪應(yīng)力值統(tǒng)計如圖8所示。不同錯距下3^#襯砌節(jié)段最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力擬合曲線見圖9。

由圖8和圖9可知，逆斷層在不同錯距下最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力出現(xiàn)在與斷層面相交的3井襯砌節(jié)段上，其值隨著錯距增大而呈線性增大，且下盤各節(jié)段受到的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力普遍大于上盤節(jié)段。最大拉應(yīng)力值隨著錯距增大而增大，但出現(xiàn)的位置規(guī)律性不明顯，但下盤節(jié)段最大拉應(yīng)力值普遍大于下節(jié)段。逆斷層錯動后應(yīng)力變化較明顯的襯砌節(jié)段為與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段、位于下盤的1^#、2^#襯砌節(jié)段及位于上盤靠近斷層面的4^#節(jié)段。因此逆斷層錯動下，1^#～4^#襯砌節(jié)段安全性明顯降低。

3.3不同錯距下各節(jié)段安全性分析

逆斷層錯動下各節(jié)段的安全性的定量評價，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力和結(jié)構(gòu)的抗力值相比較來分析。在此定義安全系數(shù)為結(jié)構(gòu)抗力與作用效應(yīng)之比。C45混凝土的抗拉極限強度為2.9MPa，彎曲抗壓極限強度為4.1MPa，抗剪極限強度為4.65MPa。根據(jù)計算結(jié)果，各種工況下各節(jié)段抗拉、抗壓、抗剪安全系數(shù)統(tǒng)計見圖10。

由圖10（a）可知：（1）不同錯距下與斷層面相交的3^#節(jié)段抗拉安全系數(shù)最小，其次為位于上盤（錯動盤）的2^#節(jié)段，而處于下盤的節(jié)段抗拉安全性系數(shù)相對較大;（2）隨著錯距增大，節(jié)段最小抗拉安全系數(shù)呈降低趨勢。

由圖10（b）可知：（1）不同錯距下與斷層面相交的3^#節(jié)段抗壓安全系數(shù)最小，其次為位于下盤的2^#、1^#節(jié)段，安全系數(shù)皆<1，而處于上盤的各節(jié)段抗壓安全性系數(shù)相對較大，皆>1;（2）隨著錯距增大，各節(jié)段抗壓安全系數(shù)呈明顯降低的規(guī)律。

由圖10（c）可知：（1）不同錯距下與斷層面相交的3^#節(jié)段抗剪安全系數(shù)最小，其次為位于下盤的2^#、1^#節(jié)段，安全系數(shù)皆<1，而處于上盤的各節(jié)段抗剪安全性系數(shù)相對較大，皆>1;（2）隨著錯距增大，各節(jié)段抗剪安全系數(shù)呈明顯降低的規(guī)律。

4結(jié)語

本文采用數(shù)值分析方法，對斷層錯動下的減震型節(jié)段襯砌隧道設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究及安全性分析，得出如下結(jié)論：

（1）不同襯砌厚度下，與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段上出現(xiàn)最大內(nèi)力值，且基本上呈現(xiàn)襯砌厚度越大、最小主應(yīng)力與最大剪應(yīng)力越大的規(guī)律，從單純增大襯砌截面尺寸的措施來抵抗斷層錯動的影響是不可取的。隧道施工過程中應(yīng)進(jìn)行徑向注漿加固，采取Φ42mm小導(dǎo)管進(jìn)行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7m。

（2）逆斷層錯動下，位于上盤的襯砌節(jié)段易發(fā)生拉破壞，位于下盤的襯砌節(jié)段易發(fā)生壓剪破壞。最易發(fā)生破壞的節(jié)段為與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段。

（3）隨著錯距增大，逆斷層型式下節(jié)段式襯砌結(jié)構(gòu)的抗壓、抗裂及抗剪安全系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，最易發(fā)生破壞的位置為與斷層面相交的3^#襯砌節(jié)段，破壞型式為壓剪破壞。破壞的部位常出現(xiàn)在仰拱與拱頂位置。

（4）逆斷層錯動下，與斷層面正交的3^#襯砌節(jié)段安全性最小。處于下盤（固定盤）的襯砌節(jié)段抗裂安全性大于上盤襯砌節(jié)段，處于上盤（移動盤）的襯砌節(jié)段抗壓、抗剪安全性大于下盤襯砌節(jié)段。去除端部效應(yīng)，距離斷層面越近，襯砌節(jié)段安全性越小，需采取加強措施。

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