减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

李守刚

(兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

地震和断层错动对跨断层隧道的影响很大，是引起隧道破坏的主要因素[1]。集集地震[2]、汶川地震[3-5]震后调查均显示断层破碎带区隧道衬砌发生了严重的破坏，是跨断层隧道的重点防护区域，已有诸多学者进行了相关的研究。信春雷等[6-7]对跨走滑断层隧道的 抗减震措施进行振动台模型试验，研究跨走滑断层隧道的地震破坏特征；何川等[8]运用现场调研、模型试验和数值模拟相结合的手段，对隧道穿越断层破碎带的震害机理进行了研究；耿萍等[9-10]通过数值模拟与振动台模型试验相结合的方法，研究穿越断层破碎带隧道的合理设防长度。而对于断层错动，主要是由于断层的蠕滑错动引起隧道结构的错断，即隧道的抗断问题。目前在穿越活断层时隧道的抗断防护措施主要有设置减震缝和减震层，其中对于设置减震缝的研究较多。刘学增等[11-13]通过一系列模型试验研究变形缝与断层倾角对跨断层隧道的影响；王道远等[14]通过模型试验对减错缝位置对黏滑断层隧道的减错效果的影响进行了研究；李学锋等[15]运用数值模拟的方法对变形缝间距对跨断层隧道内力的影响进行了研究；在减震层设置方面，崔光耀等[16-17]对黏滑断层隧道减错措施参数对减错效果的影响进行了分析。

以上研究成果对跨断层隧道在地震或断层错动作用下隧道衬砌的防护具有重要的指导意义，然而对同时设置减震缝和减震层后隧道抗错断效果，却研究较少。结合敦(敦煌)格(格尔木)铁路阔克萨单线隧道，采用模型试验的方法，研究跨断层隧道同时设置减震缝和减震层后隧道衬砌的变形、衬砌与围岩间的接触压力以及衬砌的破坏特征，为跨断层区的隧道设计提供参考。

1 依托工程概况与试验方案

1.1 依托工程概况

敦煌至格尔木铁路阔克萨隧道位于甘肃省阿克塞县，全长524 m，最大埋深约为55 m，穿越F2、F3断层。该断层为全新世活动断层，滑动速率为水平0.16 mm/a、垂直2.4 mm/a，预测未来100年的突发位错量为水平6.2 m、垂直2.8 m，对隧道工程影响较大。阔克萨隧道为单线铁路隧道，采用复合式衬砌，其中初支为C25的喷射混凝土，厚22 cm，设置系统锚杆，锚杆长3 m，钢架(H175)间距为0.6 m，二衬为C40的钢筋混凝土，厚度为35 cm。

1.2 工况设置

分别进行了仅设置减震缝和减震缝+减震层的2组试验，每组试验均在衬砌横断面上设置环向应变片来测试断层错动过程中隧道横断面的受力情况，在围岩与衬砌之间设置微型压力传感器来测试断层错动过程中围岩与衬砌之间的接触压力变化情况，探讨减震层对跨断层隧道的抗错断效果。

1.3 试验装置

断层模型试验箱设计如图1所示。模型箱长2.5 m，宽1.5 m，高1.5 m，由不动盘和活动盘(上盘)两部分组成，其中不动盘部分长1.3 m，活动盘部分长1.2 m，不动盘由24个φ26 mm膨胀螺栓固定，活动盘由活动底座和钢管承载，如图1(a)、图1(b)所示。活动盘(上盘)底部安装4个50 kN的千斤顶，通过千斤顶的升降来模拟断层的错动，如图1(c)所示。

图1 断层错动模型试验箱

1.4 相似材料

根据依托工程隧道的断面尺寸和模型箱条件，确定几何相似比CL=30。依据相似定律，确定模型的相似比如表1所示。

表1 试验主要物理量的相似关系

阔克萨隧道跨断层段主要为Ⅴ级围岩，参考TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[18]中Ⅴ级围岩参数的取值范围和相似比情况，得出原型与模型的物理力学参数取值范围如表2所示。

表2 围岩原型与模型物理力学参数

综合前人试验中广泛采用的围岩相似材料[19-20]以及十多次的正交试验反复筛选，最终确定围岩相似材料的配比如表3所示。

表3 围岩相似材料配比

原型中隧道采用复合式衬砌，初支为C25喷射混凝土、二衬为C40钢筋混凝土，在衬砌模型制作中初支和二衬一起考虑。

根据经验，石膏的性质和混凝土比较接近，均属脆性材料，且石膏可塑性较强，取材容易，适合制作模型。因此，衬砌采用石膏进行制作。石膏的弹性模量约为(0.6～1.0)×103MPa，根据相似比及正交试验，最终确定膏水比为1.55∶1，弹性模量为744.4 MPa。

1.5 模型制作

模型中衬砌厚20 mm，衬砌分段制作，每段长度为48 cm，节段之间设置减震缝，减震缝使用5 mm厚的橡胶条通过504胶粘合，使各节段粘结成一个长隧道模型，减震层采用海绵橡胶板模拟，所采用海绵橡胶的厚度为10 mm，减震层与衬砌之间设置聚乙烯膜模拟防水板。制作完成后的节段模型与整体模型如图2所示。

图2 隧道模型

1.6 断层破碎带模拟

断层破碎带处围岩条件较差，主要特点是破碎、松散、易变性、遇水强度低等。通常可采用细砂、粉煤灰及云母片的混合料进行模拟。由于试验主要研究断层错动对隧道结构的影响，因此试验采用两层PVC塑料板中涂黄油来模拟断层的黏滑错动。如图3所示。

图3 涂抹黄油后的PVC板

1.7 量测系统

试验主要观测隧道衬砌在黏滑断层错动过程中的受力情况与破坏特征，因此在模型试验中主要测量了隧道衬砌模型的环向应变和隧道衬砌与围岩之间的接触压力。整个隧道衬砌共布置8个监测断面，每个监测断面距变形缝的距离为10 cm，传感器布置断面和横断面监测点布置位置如图4(a)、图4(b)所示。使用的测试元件为Bx120-8AA型电阻应变片和0.5 MPa微型压力传感器，如图4(c)所示。环向应变片在衬砌拱顶、左边墙和仰拱位置内外表面各布置1片，纵向应变片在右边墙内外表面各布置1片，微型压力盒布置在衬砌监测点的外表面。

图4 测试断面和测点布置(单位：cm)

由勘察资料知该断层未来100年的错动量垂直方向为2.8 m，根据相似比进行换算后可得垂直方向的错动量为9.33 cm，因此采用千斤顶加载时抬升量控制在9.33 cm。

2 试验结果分析

2.1 断层错动对衬砌受力特征的影响

为了研究断层错动对衬砌结构受力特性的影响，提取了断层错动前后各测试断面监测点的应变峰值以及接触压力峰值，计算了断层错动前后各监测断面监测点处的应变差值和接触压力差值，其变化规律如图5和图6所示。

图5 断层错动前后环向应变差

图6 断层错动前后接触压力差

从图5和图6可以看出，不论是设置减震缝还是减震缝和减震层相结合，断层错动均对跨断层衬砌节段(节段Ⅱ)以及与之相连的衬砌节段的受力有较大影响。其中以②号断面和③号断面上的环向应变和接触压力最大。随着距断层距离的增大，衬砌上的环向应变和接触压力逐渐减小，到与跨断层节段间隔的节段(节段Ⅳ)时，衬砌受力和接触压力基本趋于稳定，受断层错动的影响减弱。减震缝与减震层相结合对跨断层隧道的抗错具有一定的减弱作用。与只设置减震缝相比，减震缝+减震层情况下衬砌环向应变的降低幅度为1.7%～13.9%，以距断层较近处的监测断面降低最多。减震层对接触压力的降低作用较为明显，接触压力的降低幅度为7.5%～31%，其中以与断层较近处的监测断面处降低幅度较大。

定义断层错动影响系数为(错动后变量-错动前变量)/错动前变量，其变化如图7和图8所示。

图7 断层错动环向应变影响系数

图8 断层错动接触压力影响系数

从图7和图8可以看出，断层错动使隧道的受力明显增大。其中只设置减震缝时环向应变的增大倍数在4.9～15.1，接触压力的增大倍数在1.9～5.8；减震缝与减震层相结合时环向应变的增大倍数在4.8～14.2，接触压力的增大倍数在1.4～5.6；与只设减震缝相比，环向应变最大降低了11.7%，接触压力最大降低了11.9%。影响最大的区域为与跨断层节段相连的区域。

2.2 断层错动引起地表和衬砌的破坏特征

断层错动过程中，两种工况在跨越断层位置处地表均出现了裂缝，如图9所示。所不同的是，只设减震缝工况时地表裂缝较多，而减震缝+减震层工况时产生的裂缝较少，只有1条主要裂缝。由此可以看出，减震层可以减小地层位移，从而降低对地表的破坏程度。

图9 断层错动后地表裂缝分布

断层错动后，两种工况下跨断层衬砌(节段Ⅱ)和与之相连的衬砌(节段Ⅰ、Ⅲ)均发生了不同程度的破坏，其中以节段Ⅱ衬砌破坏最为严重，节段Ⅲ次之，破坏特征如图10、图11所示。

图10 节段Ⅱ衬砌裂缝分布

图11 节段Ⅲ衬砌裂缝分布

不设减震层时，节段Ⅱ衬砌在拱顶位置处出现了1条宽度为2 mm的纵向裂缝，贯穿整个衬砌模型，将模型拱顶一分为二，且在拱脚和边墙位置处发生了错段，破坏严重；当设置减震层后，节段Ⅱ衬砌在拱顶处也出现了1条贯通裂缝，但裂缝宽度较小，且在边墙和仰拱交界位置处只产生了纵向裂缝，并没有发生错断。同样，节段Ⅲ衬砌节段在设置减震层时其裂缝条数和宽度均小于不设减震层时的情况。说明减震层的设置对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果。

3 结论

通过对跨断层隧道设置减震缝、减震缝+减震层的两种工况在断层错动时衬砌的受力和破坏情况的模型试验研究，得出以下主要结论。

(1)在设置和不设置减震层情况下，跨越断层的隧道节段以及与之相连的节段受断层错动的影响均较大，是跨断层隧道抗错断的重点设防部位。

(2)设置减震层后，衬砌的环向应变和接触压力均有所减小，环向应变减小1.7%～13.9%，接触压力减小7.5%～31%，接触压力减小的幅度较应变减小的幅度大。

(3)在不设置减震层时，断层错动引起衬砌应变增大4.9～15.1倍，接触压力增大1.9～5.8倍；设置减震层后，断层错动引起衬砌应变增大4.8～14.2倍，接触压力增大1.4～5.6倍。

(4)设置减震层后，跨断层节段以及与之相连的节段衬砌破坏情况明显减弱，减震层的设置对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果。

(5)经过模型试验与理论分析，阔克萨隧道在设计中采用了加固围岩、设置柔性接头和超挖的3种设计理念。其中隧道衬砌每隔18 m设置1道变形缝，并采用φ42 mm小导管进行径向注浆，加固圈为开挖轮廓线外3.7 m。