諶亞威

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038)

由于我國(guó)廣泛的活動(dòng)斷裂分布，鄧起東[1]將我國(guó)活動(dòng)斷裂分為7 個(gè)斷塊區(qū)、31 個(gè)二級(jí)斷塊。 相對(duì)于地面結(jié)構(gòu)，地震作用下地下結(jié)構(gòu)的受損率較低，但幾次大地震(1995年日本大阪7.2 級(jí)地震；1999 年中國(guó)臺(tái)灣集集7.6 級(jí)地震、土耳其伊茲米特7.8 級(jí)地震；2008 年中國(guó)汶川8.0 級(jí)地震)對(duì)地下結(jié)構(gòu)造成了大規(guī)模的損傷，使得人們逐漸提高了對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震的意識(shí)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)劇烈的地震作用下隧道力學(xué)響應(yīng)和抗震措施研究得較多且比較深入， 而活動(dòng)性斷層緩慢錯(cuò)動(dòng)下隧道穩(wěn)定性的研究主要集中在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，仍未形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工對(duì)策。例如多地隧道穿越活動(dòng)斷層時(shí)，采用了“鉸接設(shè)計(jì)”的理念[2-4]；劉學(xué)增等[5-7]采用模型試驗(yàn)對(duì)不同傾角的正斷層在黏滑錯(cuò)動(dòng)下整體式隧道結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn)進(jìn)行了研究；崔光耀[8]采用模型試驗(yàn)對(duì)斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下整體式隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置減震層的效果及參數(shù)進(jìn)行了研究，提出適宜的減震層厚度；劉學(xué)增等[9-10]對(duì)鉸接式隧道襯砌在斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)下受力變形特征進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究， 指出鉸接式襯砌結(jié)構(gòu)在縱向應(yīng)變、破壞范圍等方面要小于整體式襯砌。

由于斷裂活動(dòng)的復(fù)雜性， 活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)下鉸鏈?zhǔn)剿淼酪r砌結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用機(jī)理仍需進(jìn)深入研究。 本文依托敦格單線鐵路中的闊克薩隧道，建立與F3 活動(dòng)性逆斷層正交的鉸接式隧道襯砌結(jié)構(gòu)物理模型， 分析了斷層在黏滑錯(cuò)動(dòng)下襯砌結(jié)構(gòu)不同位置處圍巖壓力、 結(jié)構(gòu)變形分布特征，并對(duì)隧道設(shè)置減震層效果進(jìn)行比較，為穿越活動(dòng)斷裂的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 工程簡(jiǎn)介

敦煌-格爾木單線鐵路的闊克薩隧道地處當(dāng)金山中山區(qū)，長(zhǎng)度752 m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。 該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(diǎn)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。

根據(jù)地質(zhì)勘察工作， 在充分利用初測(cè)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上， 對(duì)隧道通過區(qū)進(jìn)行了精度為1∶2000 的地質(zhì)調(diào)查。地質(zhì)調(diào)查的寬度覆蓋隧道中線兩側(cè)各1 km，對(duì)地質(zhì)界線及斷層的調(diào)查采用穿越路線為主、 追蹤路線為輔的調(diào)查方法；地質(zhì)點(diǎn)的標(biāo)定采用地形圖、GPS 相結(jié)合的原則。 工作中充分利用了綜合勘探的各種手段， 根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，布置物探、鉆探加以驗(yàn)證，并對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修正；利用鉆探查明淺埋段覆蓋層及風(fēng)化層厚度、洞身巖性、巖石完整程度、斷層走向等，并進(jìn)行綜合物探測(cè)試，在隧道通過范圍內(nèi)取樣試驗(yàn)以取得各類巖石的物理力學(xué)指標(biāo)；在有條件作業(yè)處布置物探工作， 以查明覆蓋層及巖石風(fēng)化層厚度、斷層走向傾向、巖石破碎程度、巖石富水情況等。 由此得到，隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，隧道主要穿越F2、F3 斷層，為全新世活動(dòng)斷層。 隧道洞身主要位于F3 斷層破碎帶內(nèi)。 F3 為左旋走滑逆斷層，南盤為上升盤，出露震旦系長(zhǎng)城組石英片巖，北盤為下降盤，出露第三系泥巖夾礫巖， 震旦系石英片巖地層逆沖到上第三系泥巖夾礫巖之上。 破碎帶以斷層泥、斷層角礫為主，局部可見有碎裂巖，寬度500～1200 m。 近東西向展布，延伸約84.5 km，傾角25°～48°。 該斷層為全新世活動(dòng)斷層，有明顯活動(dòng)的痕跡，斷層兩側(cè)強(qiáng)烈擠壓，在斷層南側(cè)可見有泉出露。 滑動(dòng)速率為水平0.16 mm/a、垂直2.4 mm/a，預(yù)測(cè)未來(lái)100 年的突發(fā)位錯(cuò)量：水平6.2 m、垂直2.8 m。 闊克薩隧道全部在斷層破碎帶內(nèi)通過，對(duì)隧道工程影響很大。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型箱制作

如圖2(a)所示，箱體長(zhǎng)×寬×高=2.5 m×1.5 m×1.5 m，兩側(cè)設(shè)觀測(cè)窗， 上盤置于加載裝置之上、 下盤固定于地面。 將試驗(yàn)箱分為上盤(上升盤)和下盤(固定盤)2 部分，固定下盤，通過千斤頂升降以實(shí)現(xiàn)上盤上升，本次試驗(yàn)斷層傾角設(shè)置為40°。 考慮模型箱的尺寸和邊界效應(yīng)，確定模型試驗(yàn)的相似比如表1 所示。

表1 模型試驗(yàn)相似比

圖2 模型試驗(yàn)裝置

2.2 圍巖注漿加固設(shè)計(jì)

隧道原型圍巖為Ⅴ級(jí)， 原型圍巖及按照相似關(guān)系確定的物理模型圍巖的物理力學(xué)參數(shù)范圍見表2。 圍巖相似材料為重晶石、石英砂、石膏和水按6.463∶6.463∶1∶1 混合， 材料配合比及力學(xué)參數(shù)見表3。 隧道二襯由石膏制成，測(cè)得彈模為744.4 MPa。

表2 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)表

表3 配好的圍巖材料測(cè)試結(jié)果

2.3 隧道襯砌模型制作

原型隧道襯砌節(jié)段長(zhǎng)度為14 m，按照幾何相似比換算成模型襯砌節(jié)段長(zhǎng)度取46 cm，共5 個(gè)節(jié)段；采用5 mm 厚橡膠條粘結(jié)到節(jié)段兩側(cè)襯砌端面進(jìn)行柔性鉸接模擬，連接后的襯砌模型如圖2(b)所示，模型隧道埋深58 cm， 模型箱底板與隧道模型底部之間土層厚度為57 cm，如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括隧道襯砌的環(huán)形應(yīng)變、縱向應(yīng)變，隧道與地層的接觸壓力。 沿隧道模型縱向設(shè)置8 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)布置考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，在隧道拱頂、單側(cè)墻腰及仰拱外側(cè)布設(shè)微型壓力傳感器，共24 個(gè)；在隧道拱頂、單側(cè)墻腰及仰拱外側(cè)布設(shè)Bx120-8AA 型電阻式環(huán)向應(yīng)變片， 共48 個(gè)； 在隧道另一單側(cè)墻腰外側(cè)布設(shè)Bx120-8AA 型電阻式縱向應(yīng)變片，共16 個(gè)，具體見圖3。

斷層錯(cuò)動(dòng)的加載裝置為分離式液壓千斤頂， 通過控制沿?cái)鄬用娣较虻奈灰萍虞d速率來(lái)模擬斷層的黏滑錯(cuò)動(dòng)，考慮到數(shù)據(jù)采集的可操作性，采用較快加載方式，位移加載速率為2 mm/min。 加載過程中動(dòng)態(tài)采集、儲(chǔ)存應(yīng)變、接觸壓力數(shù)據(jù)，測(cè)試不同錯(cuò)距下隧道變形受力、接觸壓力的變化情況

3 設(shè)置特殊變形縫的鉸接式襯砌結(jié)果

3.1 隧道縱向應(yīng)變

沿隧道縱向在右側(cè)墻腰處設(shè)置了8 個(gè)縱向應(yīng)變片，斷層錯(cuò)動(dòng)引起的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變量隨斷層錯(cuò)動(dòng)量變化規(guī)律見圖4。 由圖4 可見，較大縱向應(yīng)變出現(xiàn)在與斷層面相交的襯砌節(jié)段，其他節(jié)段應(yīng)變量相對(duì)較小，最大應(yīng)變位于2#節(jié)段7# 監(jiān)測(cè)面，其值為-30.3 με，表明斷層錯(cuò)動(dòng)下，與之相交的節(jié)段應(yīng)變值最大，極易損壞；同時(shí)由于變形縫的設(shè)置，相鄰節(jié)段縱向應(yīng)變值在-5.0～-11.2 με，相比與最大應(yīng)變，降低了70%～83%，距離斷層面越遠(yuǎn)，錯(cuò)動(dòng)影響越小，變形縫的隔斷效果明顯。

圖4 不同錯(cuò)動(dòng)量下各測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變變化曲線

3.2 隧道環(huán)向應(yīng)變

圖5 不同錯(cuò)動(dòng)量下隧道各測(cè)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變變化曲線

為觀察斷層錯(cuò)動(dòng)下鉸接式襯砌變形特征， 在模型隧道的拱頂、 左側(cè)墻腰及仰拱外側(cè)各置了8 個(gè)縱環(huán)向應(yīng)變片， 錯(cuò)動(dòng)引起的各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變量隨斷層錯(cuò)動(dòng)量變化規(guī)律見圖5。 由圖5 可見：①隧道拱頂、邊墻及仰拱處環(huán)向應(yīng)變變化規(guī)律基本相同， 較大環(huán)向應(yīng)變出現(xiàn)在與斷層面相交的節(jié)段，其他節(jié)段應(yīng)變量相對(duì)較小，最大環(huán)向應(yīng)變位于7# 監(jiān)測(cè)面，其中拱頂最大應(yīng)變?yōu)?81.2 με、墻腰最大應(yīng)變?yōu)?57.2 με、仰拱最大應(yīng)變?yōu)?41.3 με，拱頂壓應(yīng)變值最大；②與2# 節(jié)段相比，其他節(jié)段拱頂環(huán)向應(yīng)變值在-30～57 με，降低了29%～63%；墻腰環(huán)向應(yīng)變值在-25～-43 με， 降低了23%～57%； 仰拱環(huán)向應(yīng)變值在-20～-28 με，降低了33%～53%，變形縫對(duì)隧道各部環(huán)向應(yīng)變減弱程度影響基本一致。

3.3 隧道接觸壓力

圖6 不同錯(cuò)動(dòng)量下隧道各測(cè)點(diǎn)接觸壓力變化曲線

斷層錯(cuò)動(dòng)過程中各段襯砌與圍巖之間的接觸壓力通過黏貼在襯砌外表面的微型土壓力計(jì)來(lái)測(cè)試， 在隧道模型的拱頂、左側(cè)墻腰及仰拱外側(cè)各置了8 個(gè)土壓力計(jì)，試驗(yàn)測(cè)得斷層錯(cuò)動(dòng)過程中接觸壓力增量與錯(cuò)動(dòng)量之間的規(guī)律如圖6 所示，測(cè)試數(shù)據(jù)已通過相似比換算到原型狀態(tài)。由圖6 可知： ①不同位置的接觸壓力隨錯(cuò)動(dòng)量的增加而增大，變化規(guī)律一致；②最大接觸壓力位置出現(xiàn)在與斷層面相交的2# 節(jié)段6# 測(cè)點(diǎn)處， 拱頂處最大接觸壓力為0.27 MPa，墻腰處最大接觸壓力為0.13 MPa，仰拱處最大接觸壓力為0.33 MPa， 三者比較仰拱處接觸壓力最大；③與2# 節(jié)段相比，其他節(jié)段拱頂接觸壓力在0.1～0.19 MPa， 降低了30%～63%； 墻腰接觸壓力在0.06～0.10 MPa， 降低了23%～54%； 仰拱接觸壓力在0.11～0.22 MPa，降低了33%～67%。

4 設(shè)置減震層前后試驗(yàn)結(jié)構(gòu)結(jié)果比較

4.1 結(jié)構(gòu)受力、變形比較

為了研究減震層對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)受力、 變形的影響，在鉸接式襯砌模型外側(cè)敷設(shè)了10 mm 厚的海綿橡膠板， 襯砌應(yīng)變及接觸壓力測(cè)點(diǎn)布置位置和數(shù)量與不設(shè)減震層試驗(yàn)相同。 由于隧道設(shè)置減震層與不設(shè)減震層時(shí)隧道縱向、 環(huán)向應(yīng)變及接觸壓力與斷層錯(cuò)動(dòng)量之間的規(guī)律基本一致，在此僅討論錯(cuò)動(dòng)量為90 mm 時(shí)設(shè)置減震層對(duì)襯砌應(yīng)變和接觸壓力的影響，如圖7～8 所示。在相同錯(cuò)動(dòng)量下， 敷設(shè)減震層時(shí)各測(cè)點(diǎn)襯砌應(yīng)變普遍小于不設(shè)減震層的工況，變化最大的為7# 測(cè)點(diǎn)拱頂環(huán)向應(yīng)變，由-81.2 με 減小到-74.5 με，降低了8.3%；接觸壓力也呈現(xiàn)出相同規(guī)律， 變化最大的為7# 測(cè)點(diǎn)仰拱接觸壓力，換算到原型后由-0.33 MPa 減小到-0.31 MPa， 降低了6.1%。 這表明減震層對(duì)結(jié)構(gòu)受力有一定改善作用，但效果不明顯。

圖7 設(shè)置減震層與不設(shè)減震層下襯砌應(yīng)變對(duì)比曲線

圖8 設(shè)置減震層與不設(shè)減震層下接觸壓力對(duì)比曲線

4.2 襯砌結(jié)構(gòu)破壞特征

5 個(gè)襯砌節(jié)段中，與斷層面正交的2# 襯砌節(jié)段(圖9所示深色位置)破損最嚴(yán)重，襯砌模型塊拱頂位置出現(xiàn)一條寬度為2 mm 的縱向裂縫，貫穿整個(gè)襯砌模型塊，把模型塊拱頂一分為二；襯砌模型塊邊墻位置出現(xiàn)一條1 mm斜向裂縫和一條1 mm 環(huán)向裂縫結(jié)合的裂縫延伸情況，把模型塊邊墻完全錯(cuò)開； 襯砌模型塊兩個(gè)拱腳位置均發(fā)生縱向斷裂；襯砌模型塊仰拱位置出現(xiàn)一條1 mm“V”字形環(huán)向裂縫，環(huán)向貫穿仰拱。 2 號(hào)襯砌模型塊的破壞情況如圖10 所示。

圖9 襯砌塊2 號(hào)位置(單位：mm)

圖10 襯砌塊2 號(hào)裂縫

位于錯(cuò)動(dòng)盤的3#、4#、5# 襯砌節(jié)段裂縫分布及破壞特征與2# 節(jié)段相似， 但裂縫規(guī)模逐漸減?。?# 襯砌節(jié)段裂縫分布特征與前面四個(gè)不同， 拱頂出現(xiàn)一條寬度為1 mm 的主貫通裂縫和隨機(jī)分布的一些微裂縫， 邊墻沒發(fā)現(xiàn)裂縫，仰拱出現(xiàn)一條寬約0.5 mm 的非貫通性斜向裂縫。

與不設(shè)減震層工況相比，與斷層正交的2# 襯砌節(jié)段破損最嚴(yán)重，裂縫分布與不設(shè)減震層情況下基本一致，只是裂縫寬度減小，拱頂裂縫寬為1.5 mm，其他部位裂縫寬度也變小，為0.7 mm 左右；其他襯砌節(jié)段的裂縫分布與不設(shè)減震層相同，只是裂縫規(guī)模減小。

綜上，斷層錯(cuò)動(dòng)后與斷層正交的2# 節(jié)段襯砌破損最嚴(yán)重，其他襯砌節(jié)段破損較輕，襯砌破壞主要為壓剪性破壞，環(huán)向與縱向裂縫發(fā)育。設(shè)減震層對(duì)減弱襯砌破損有一定作用。

5 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)， 采用強(qiáng)制位移法對(duì)設(shè)置特殊變形縫的鉸接式襯砌在逆斷層錯(cuò)動(dòng)下各節(jié)段的受力、 變形特征進(jìn)行分析，并對(duì)設(shè)置減震層效果進(jìn)行對(duì)比，得出主要結(jié)論如下：

(1)鉸接式襯砌在斷層錯(cuò)動(dòng)過程中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變與接觸壓力皆出現(xiàn)在與斷層面相交的2# 襯砌節(jié)段；其中拱頂位置應(yīng)變值最大，墻腰和仰拱處相對(duì)較小；最大接觸壓力出現(xiàn)在仰拱處，其次為拱頂與墻腰。

(2)受特殊變形縫的隔斷效應(yīng)影響，與2# 襯砌節(jié)段相鄰其他節(jié)段縱向應(yīng)變值降低了70%～83%，環(huán)向應(yīng)變值降低了23%～63%，結(jié)構(gòu)變形明顯減小。斷層錯(cuò)動(dòng)過程中，與2# 襯砌節(jié)段相鄰其他節(jié)段接觸壓力降低了23%～37%，結(jié)構(gòu)受力明顯改善。

(3)設(shè)置減震層后，各襯砌節(jié)段的應(yīng)變和接觸壓力出現(xiàn)了不同程度的降低，與斷層面相交的節(jié)段減小量最大，其中拱頂環(huán)向應(yīng)變降低了8.3%， 仰拱接觸壓力降低了6.1%，表明減震層對(duì)結(jié)構(gòu)受力有一定改善作用，但效果不明顯。

(4)斷層錯(cuò)動(dòng)后與斷層正交的2# 節(jié)段襯砌破損最嚴(yán)重， 其他襯砌節(jié)段破損較輕， 襯砌破壞主要為壓剪性破壞，環(huán)向與縱向裂縫發(fā)育。減震層對(duì)減弱襯砌破損有一定作用。