斷層錯動下節段式隧道設計參數及安全性分析

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，文章采用數值分析方法，對斷層錯動下的減震型節段襯砌隧道設計參數進行安全性分析。結果表明：隧道施工過程中應進行徑向注漿加固，采取Φ42mm小導管進行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7m;逆斷層錯動下，位于上盤的襯砌節段易發生拉破壞，位于下盤的襯砌節段易發生壓剪破壞;最易發生破壞的節段為與斷層面相交的3^#襯砌節段;隨著錯距增大，逆斷層型式下節段式襯砌結構的抗壓、抗裂及抗剪安全系數呈現逐漸降低的趨勢，最易發生破壞的位置為與斷層面相交的3^#襯砌節段，破壞型式為壓剪破壞，破壞的部位常出現在仰拱與拱頂位置;逆斷層錯動下，處于下盤（固定盤）的襯砌節段抗裂安全性大于上盤襯砌節段，處于上盤（移動盤）的襯砌節段抗壓、抗剪安全性大于下盤襯砌節段;去除端部效應，距離斷層面越近，襯砌節段安全性越小，需采取加強措施。所得結論對今后類似工程具有重要的參考和借鑒價值。

關鍵詞：隧道工程;斷層錯動;節段式襯砌;襯砌厚度;加固注漿;安全性分析

中圖分類號：U452.2文獻標識碼：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注。國內外諸多學者采用理論分析[1-4]、物理實驗[5-8]、數值模擬[9-10]、工程類比[11]等方法對相關問題進行了研究。其中較為典型的有宋成輝等[1]對內馬鐵路隧道穿越東非大裂谷活動斷裂帶的隧道進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計提供借鑒和設計依據;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構響應;李學鋒等[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段長度隧道圍巖壓力分布情況、二次襯砌最大軸向應力變化情況以及隧道塑性應變發展規律;丁秀麗等[11]采用工程實例搜集與綜合對比分析方法，系統整理了國內外10個隧洞穿越活動斷層的工程案例，認為設置柔性連接段、擴大斷面尺寸、洞內明管、復合襯砌是當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，可供借鑒的經驗較少，對隧道結構設計提出挑戰?；顒有詳鄬佣嗡淼绹鷰r及支護結構變形機理、隧道襯砌結構型式及支護參數都是亟待解決的技術難題。為保證活動斷層段隧道結構穩定、運營安全，本文基于敦格鐵路隧道特點，通過數值模擬，對斷層錯動下的減震型節段襯砌隧道設計參數進行研究及安全性分析，從而確定活動性斷層隧道襯砌結構設計參數，為類似工程結構設計與施工提供科學依據。

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，由于受到多期地質構造的影響，該褶帶地質構造較為復雜。工點范圍內溝谷發育，地形凌亂，植被稀疏。隧道洞身全段位于F3斷層破碎帶內。隧道縱斷面如圖1所示。

2活動性斷層隧道結構設計參數研究

2.1斷層錯動下隧道襯砌厚度參數設計

為了研究斷層錯動下隧道襯砌結構斷面尺寸對結構受力、變形的影響，對節段式襯砌厚度分別為30cm、55cm、85cm時斷層錯動20cm后結構的力學效應進行分析。其中襯砌材料為C45混凝土、節段長18m、特殊變形縫寬10cm。

斷層性質為逆斷層，斷層錯動時下盤底部、側面進行法向位移約束，上盤底部和端部施加位移荷載，實現對上盤施加強制位移，側面進行位移約束。

（1）襯砌結構變形特征

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段變形復雜，出現較大偏轉。

（2）結構受力特征

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

由圖3可知：（1）不同截面厚度下，最大主應力（拉應力）、最小主應力（壓應力）、最大剪應力皆出現在與斷層面相交的3^#襯砌節段上，其次為處于上盤（移動盤）斷層面附近的4^#襯砌節段上，再次為處于下盤（固定盤）斷層面附近的2^#襯砌節段上;（2）不同襯砌截面中，基本上呈現截面厚度越大、最小主應力與最大剪應力越大的規律，但最大主應力截面尺寸變化的規律不明顯;（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圍巖注漿加固設計

圍巖注漿加固有助于改善結構受力狀態，在隧道結構設計中采用了圍巖加固的設計理念，即在隧道開挖后，采取Φ42mm小導管進行徑向注漿，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;孔底環向間距為0.8m，縱向間距為0.67m。

3隧道節段式襯砌安全性分析

為了研究活動性斷層錯動下節段型襯砌中各節段的可靠性，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段受力特征進行比較，并與結構材料的抗力指標相比較，進行安全性評價分析。

3.1計算模型及計算參數

（1）隧道結構

采用巖土數值分析軟件FLAC3D進行三維數值模擬，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構（二次襯砌）的受力、變形特征。數值計算中隧道結構采用單線隧道復合式結構型式，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參數

三維數值模型計算范圍選?。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構采用八節點六面體單元來模擬。模型共剖分303852 個單元，共有53985個節點。三維數值計算模型如圖6所示。數值計算中采用的等效物理力學參數見表1。斷層面采用Interface單元模擬，斷層面力學參數的法向剛度為20.76GPa，切向剛度為20.76GPa，摩擦角為23.5°，內聚力為0.125MPa，抗拉強度為47.9kPa。

（3）邊界條件

在數值模型試驗中，模型斷層下盤固定，即下盤左右側為水平（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、上盤向上發生相對位錯實現逆斷層錯動，如圖7所示。

3.2不同工況下襯砌節段受力對比

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

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

3.3不同錯距下各節段安全性分析

逆斷層錯動下各節段的安全性的定量評價，可根據結構的受力和結構的抗力值相比較來分析。在此定義安全系數為結構抗力與作用效應之比。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。根據計算結果，各種工況下各節段抗拉、抗壓、抗剪安全系數統計見圖10。

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

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

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

4結語

本文采用數值分析方法，對斷層錯動下的減震型節段襯砌隧道設計參數進行研究及安全性分析，得出如下結論：

（1）不同襯砌厚度下，與斷層面相交的3^#襯砌節段上出現最大內力值，且基本上呈現襯砌厚度越大、最小主應力與最大剪應力越大的規律，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。隧道施工過程中應進行徑向注漿加固，采取Φ42mm小導管進行徑向注漿，加固圈為開挖輪廓線外3.7m。

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

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

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

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