黏滑断层隧道刚柔并济抗减错技术研究

崔光耀, 魏杭杭, 王明年

(1. 北方工业大学 土木工程学院, 北京 100144; 2. 西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031;3. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)

0 引言

我国西部山区地质条件复杂,地震活动频繁,断裂构造发育。随着西部交通基础建设的蓬勃发展,致使穿越黏滑断层隧道大量涌现,如在建川藏高速系列隧道、大瑞铁路系列隧道等。在汶川地震中,都映高速穿越黏滑断层系列隧道洞身主体结构破坏严重,甚至出现衬砌垮塌、围岩垮塌的严重震害(图1),严重影响灾后生命线抢通、救援及恢复重建工作[1-2](1)四川省交通厅公路规划勘察设计研究院.5.12 汶川地震灾区高速公路和国省干线公路恢复重建工程调查、检测、评估.成都:四川省交通厅公路规划勘察设计研究院,2008.。如何提高断层黏滑错动时隧道结构的安全性和稳定性是亟待研究和解决的关键技术问题之一。

图1 龙溪隧道黏滑断层段隧道整体垮塌Fig.1 Overall collapse of stick-slip fracture section of Longxi tunnel

断层黏滑错动和强震震动是造成强震区黏滑断层隧道震害的主要影响因素,其中断层黏滑错动影响较大,强震震动影响次之。目前黏滑断层隧道抗错断措施主要有抗错和减错两种,围岩加强、结构加强为抗错措施;二衬施设减错缝及初支与二衬之间设置减错层为减错措施。由于采用单一设防措施难以有效抵抗或消减断层黏滑错动的作用,本文提出采用刚柔并济抗减错措施(二衬加强+初支与二衬之间施设减错层)予以设防。

国内外有关专家、学者对黏滑断层隧道抗减错技术做了部分研究,主要有:对穿越活动断层隧道震害机理进行了研究[3-4];依托实际工程,通过模型试验对断层错动下隧道抗错断力学机制及破坏机理进行了研究[5-6];通过模型试验对断层错动下围岩与隧道结构的位移和应力变化进行了研究[7-9];对不同倾角断层黏滑错动作用下隧道支护结构的受力特性进行了研究[10-13];利用模型试验与数值模拟对黏滑断层隧道设置减错缝和减错层的减错技术进行了研究[14-17]。以上研究在黏滑断层隧道断层致灾机理、减错技术方面做了部分研究,而在黏滑断层隧道采用结构加强与施设减错措施综合设防方面研究很少。本文以都汶高速友谊隧道F1黏滑断层段为研究背景,对黏滑断层隧道采用刚柔并济抗减错措施(二衬加强+初支与二衬之间施设减错层)进行研究,这对黏滑断层隧道抗减错技术的发展有着重要的意义。

1 友谊隧道F1黏滑断层段工程概况

1.1 工程地质

隧址区位于纸厂沟与小桃沟之间的山体内,受断层和岩性影响,节理裂隙较发育,岩体较破碎。

F1黏滑断层为挤压性逆断层,隧道洞身穿F1黏滑断层而过,走向NE,倾向NW,倾角60°,破碎带宽度0.5～2.0 m,延伸长度约1 km,断层破碎带主要由糜棱岩、碎块岩组成,Ⅴ级围岩,在里程K1028+259.8处与路线斜交。断层破碎带上盘岩体主要由砂岩组成,岩体较为完整,强度较高,属于Ⅳ级围岩,下盘主要由第四系崩坡堆积层的块碎石土和强、中风化岩石组成,岩体完整性较差,属于Ⅴ级围岩。

1.2 支护结构设计

隧道支护结构为复合式衬砌,跨度9.4 m,高度8.0 m;隧道初支采用厚度为25 cm的C25喷射混凝土,二衬采用厚度为40 cm的C25模筑混凝土。

2 研究情况

2.1 计算模型

依托友谊隧道F1黏滑断层段建立计算模型,隧道埋深为40 m,隧底围岩厚40 m,左右两侧宽度取5倍隧道跨度约60 m,纵向开挖长度100 m,断层错动距离为10 cm。本文主要研究上下盘岩体中隧道结构受黏滑断层错动作用的影响及对策,对破碎带段围岩及结构不做研究,加之破碎带较窄,故简化为平面。计算模型如图2所示。错动模拟采用的边界条件是以下盘为固定盘,以上盘为活动盘,通过在上盘施加位移荷载来模拟断层错动。

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

2.2 计算工况

为研究黏滑断层隧道采用刚柔并济抗减错措施的抗减错效果,隧道二衬分别采用C25(E为28 GPa)和C35(E为31.5 GPa)混凝土,在初支与二衬间施设减错层。计算工况列于表1。

表1 计算工况

2.3 计算参数

施工中减错层一般采用橡胶板,厚度取10 cm[13];围岩根据勘测资料选取Ⅴ级围岩。计算模型物理学参数列于表2。

表2 计算模型参数

2.4 监测布置

监测布置如图3所示。

3 计算结果及分析

3.1 结构位移

提取各X1、S1黏滑错动完成时监测断面计算数据,进行结构位移分析。

3.1.1 拱顶沉降

各监测断面的拱顶沉降列于表3。

表3 监测断面拱顶沉降(单位:m)

由表3可知:

(1) 各工况靠近断层监测断面上盘拱顶沉降均大于下盘拱顶沉降,其中工况1靠近断层监测断面拱顶沉降最大,分别为0.282 m、0.353 m。

(2) 工况2相对于工况1,拱顶沉降略微减小,说明结构加强对拱顶沉降的控制效果一般。

(3) 工况3相对于工况1、工况4相对于工况2,拱顶沉降明显减小,抗减错效果分别达到33%以上。

(4) 工况4靠近断层监测断面拱顶沉降最小,分别为0.181 m、0.229 m,相对于工况1抗减错效果达到36%以上,因此可知,采用刚柔并济抗减错措施能有效控制隧道拱顶沉降。

3.1.2 边墙收敛

各监测断面的边墙收敛值列于表4。

表4 监测断面边墙收敛值(单位:m)

由表4可知:

(1) 各工况靠近断层监测断面上盘边墙收敛均大于下盘边墙收敛。

(2) 工况2相对于工况1,边墙收敛略微减小,说明结构加强对边墙收敛的控制效果一般。

(3) 工况3相对于工况1、工况4相对于工况2,边墙收敛明显减小,抗减错效果分别达到20%以上。

(4) 工况4靠近断层监测断面边墙收敛最小,分别为0.011 m、0.016 m,相对于工况1的抗减错效果达到30%以上,因此可知,采用刚柔并济抗减错措施能有效控制隧道边墙收敛。

3.2 结构内力

提取各工况黏滑错动完成时各监测断面计算数据,进行内力分析。

(1) 轴力

各监测断面最大轴力值列于表5。

表5 监测断面最大轴力(单位:kN)

由表5可知,工况1、2各监测断面最大轴力均呈现出压应力状态,且沿隧道纵向分布趋势相似,最大轴力值均出现在下盘靠近断层断面,其中工况1值为-14 884 kN,工况2值为-16 400 kN。工况3、4靠近断层断面(X1、S1)最大轴力呈现出拉应力状态,其余各监测断面最大轴力均呈现出压应力状态;两工况最大轴力值均出现在上盘靠近断层断面,其中工况3值为11 878 kN,工况4值为12 487 kN。随着上下盘断面与断层的距离增大,断面最大轴力呈下降趋势。

从数值上整体来看,工况2监测断面最大轴力值大于工况1,工况4的则大于工况3,说明通过结构加强不能降低隧道结构所受最大轴力;工况3监测断面最大轴力值小于工况1,工况4的则小于工况2,说明通过施设减错层能有效降低隧道结构所受最大轴力;工况4监测断面最大轴力值远小于工况1,说明采用刚柔并济抗减错措施能有效降低隧道结构所受最大轴力。

(2) 弯矩

各监测断面最大弯矩值列于表6。

由表6可知,各工况监测断面最大弯矩值均出现在下盘靠近断层断面,其中工况2最大,值为-240.5 kN.m,工况3次之,值为236.0 kN.m,工况1最小,值为-217.6 kN.m。随着监测断面与断层的距离增大,工况1、2隧道下盘最大弯矩呈下降趋势,上盘最大弯矩先下降然后上升;工况3、4隧道上下盘最大弯矩均呈下降趋势。工况1、2监测断面最大弯矩均表现为外侧受拉;工况3、4下盘靠近断层断面处表现为内侧受拉,其余均表现为外侧受拉。

表6 监测断面最大弯矩(单位:kN·m)

从数值上整体来看,工况2监测断面最大弯矩值大于工况1,工况4监测断面最大弯矩值大于工况3,说明通过结构加强不能降低隧道结构所受最大弯矩;工况3监测断面最大弯矩值大于工况1,说明通过施设减错层不能降低隧道结构所受最大弯矩;工况4监测断面最大弯矩值远大于工况1,说明采用刚柔并济抗减错措施不能降低隧道结构所受最大弯矩。

(3) 结构安全系数

提取各工况错动完成时各监测断面计算数据进行安全系数分析,衬砌结构安全系数按照式(1)～(2)计算[14],各工况监测断面最小安全系数列于表7。 根据安全系数计算平均抗减错效果,如表8所列。

安全系数:

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中:b为截面宽度,取1 m;h为截面厚度;E为弹性模量;N为结构轴力;Ra为混凝土抗压极限强度;Rl为混凝土抗拉极限强度;K为安全系数;φ为构件纵向弯曲系数;α为轴向力偏心影响系数。

表7 监测断面最小安全系数

表8 平均抗减错效果

由表7可知,各工况监测断面最小安全系数沿隧道纵向分布趋势相似,最小值均出现在靠近断层断面(X1、S1),其中工况1最小,值为0.84,工况2、3次之,均为1.06,工况4最大,值为1.40。随着上下盘断面与断层的距离增大,断面最小安全系数整体呈增大趋势,且距离断层同间距下,上盘安全系数整体较下盘小,断层黏滑错动对隧道上盘的影响远大于下盘。

从数值上整体来看,工况2、3监测断面最小安全系数值大于工况1,其中工况3远大于工况2,说明通过施设减错层消减断层黏滑错动对隧道结构的影响优于结构加强措施抵抗其影响;工况4监测断面最小安全系数值远大于工况1,说明采用刚柔并济抗减错措施抵抗及消减断层黏滑错动的作用方面效果显著。

由表8可知,从平均抗减错效果来看,工况2相对工况1平均抗减错效果为23.46%,工况4相对工况3平均抗减错效果为32.01%,即采用结构加强措施抵抗断层黏滑错动的平均抗减错效果在23%～33%间;工况3相对工况1平均抗减错效果为37.15%,工况4相对工况2平均抗减错效果为46.25%,即施设减错层有利于消减断层黏滑错动对隧道结构的影响,平均抗减错效果在37%～47%间,优于结构加强措施;同时采用刚柔并济抗减错措施在抵抗及消减断层黏滑错动影响方面效果显著,平均抗减错效果为81.27%。

4 结论

(1) 采用结构加强抵抗断层黏滑错动对隧道结构位移影响较小,对结构内力的影响较大,其平均抗减错效果在23%～33%间。

(2) 采用施设减错层消减断层黏滑错动对隧道拱顶沉降、边墙收敛的抗减错效果分别达到20%以上,对其结构内力的影响平均抗减错效果在37%～47%间。

(3) 刚柔并济抗减错措施在抵抗及消减断层黏滑错动影响方面效果显著,拱顶沉降、边墙收敛抗减错效果分别达到30%以上,结构内力平均抗减错效果达到80%以上。