活动断层错动下铰接式隧道衬砌的力学试验研究

谌亚威

(中国土木工程集团有限公司，北京 100038)

由于我国广泛的活动断裂分布，邓起东[1]将我国活动断裂分为7 个断块区、31 个二级断块。 相对于地面结构，地震作用下地下结构的受损率较低，但几次大地震(1995年日本大阪7.2 级地震；1999 年中国台湾集集7.6 级地震、土耳其伊兹米特7.8 级地震；2008 年中国汶川8.0 级地震)对地下结构造成了大规模的损伤，使得人们逐渐提高了对地下结构抗震的意识。

目前国内外对剧烈的地震作用下隧道力学响应和抗震措施研究得较多且比较深入， 而活动性断层缓慢错动下隧道稳定性的研究主要集中在隧道衬砌结构的设计方面，仍未形成系统的设计与施工对策。例如多地隧道穿越活动断层时，采用了“铰接设计”的理念[2-4]；刘学增等[5-7]采用模型试验对不同倾角的正断层在黏滑错动下整体式隧道结构的受力变形特点进行了研究；崔光耀[8]采用模型试验对断层黏滑错动下整体式隧道结构设置减震层的效果及参数进行了研究，提出适宜的减震层厚度；刘学增等[9-10]对铰接式隧道衬砌在断层黏滑错动下受力变形特征进行了模型试验研究， 指出铰接式衬砌结构在纵向应变、破坏范围等方面要小于整体式衬砌。

由于断裂活动的复杂性， 活动断层错动下铰链式隧道衬砌结构与围岩相互作用机理仍需进深入研究。 本文依托敦格单线铁路中的阔克萨隧道，建立与F3 活动性逆断层正交的铰接式隧道衬砌结构物理模型， 分析了断层在黏滑错动下衬砌结构不同位置处围岩压力、 结构变形分布特征，并对隧道设置减震层效果进行比较，为穿越活动断裂的隧道结构设计提供技术参考。

1 工程简介

敦煌-格尔木单线铁路的阔克萨隧道地处当金山中山区，长度752 m，围岩级别为Ⅴ级。 该隧道穿越祁连褶皱系阿尔金山断块，由于受到多期地质构造的影响，该褶带地质构造较为复杂。 工点范围内沟谷发育，地形凌乱，植被稀疏。 隧道洞身全段位于F3 断层破碎带内，隧道纵断面如图1 所示。

根据地质勘察工作， 在充分利用初测地质资料的基础上， 对隧道通过区进行了精度为1∶2000 的地质调查。地质调查的宽度覆盖隧道中线两侧各1 km，对地质界线及断层的调查采用穿越路线为主、 追踪路线为辅的调查方法；地质点的标定采用地形图、GPS 相结合的原则。 工作中充分利用了综合勘探的各种手段， 根据地质调查的结果，布置物探、钻探加以验证，并对调查结果进行修正；利用钻探查明浅埋段覆盖层及风化层厚度、洞身岩性、岩石完整程度、断层走向等，并进行综合物探测试，在隧道通过范围内取样试验以取得各类岩石的物理力学指标；在有条件作业处布置物探工作， 以查明覆盖层及岩石风化层厚度、断层走向倾向、岩石破碎程度、岩石富水情况等。 由此得到，隧址区地质构造发育，隧道主要穿越F2、F3 断层，为全新世活动断层。 隧道洞身主要位于F3 断层破碎带内。 F3 为左旋走滑逆断层，南盘为上升盘，出露震旦系长城组石英片岩，北盘为下降盘，出露第三系泥岩夹砾岩， 震旦系石英片岩地层逆冲到上第三系泥岩夹砾岩之上。 破碎带以断层泥、断层角砾为主，局部可见有碎裂岩，宽度500～1200 m。 近东西向展布，延伸约84.5 km，倾角25°～48°。 该断层为全新世活动断层，有明显活动的痕迹，断层两侧强烈挤压，在断层南侧可见有泉出露。 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：水平6.2 m、垂直2.8 m。 阔克萨隧道全部在断层破碎带内通过，对隧道工程影响很大。

2 模型试验设计

2.1 模型箱制作

如图2(a)所示，箱体长×宽×高=2.5 m×1.5 m×1.5 m，两侧设观测窗， 上盘置于加载装置之上、 下盘固定于地面。 将试验箱分为上盘(上升盘)和下盘(固定盘)2 部分，固定下盘，通过千斤顶升降以实现上盘上升，本次试验断层倾角设置为40°。 考虑模型箱的尺寸和边界效应，确定模型试验的相似比如表1 所示。

表1 模型试验相似比

图2 模型试验装置

2.2 围岩注浆加固设计

隧道原型围岩为Ⅴ级， 原型围岩及按照相似关系确定的物理模型围岩的物理力学参数范围见表2。 围岩相似材料为重晶石、石英砂、石膏和水按6.463∶6.463∶1∶1 混合， 材料配合比及力学参数见表3。 隧道二衬由石膏制成，测得弹模为744.4 MPa。

表2 围岩的物理力学参数表

表3 配好的围岩材料测试结果

2.3 隧道衬砌模型制作

原型隧道衬砌节段长度为14 m，按照几何相似比换算成模型衬砌节段长度取46 cm，共5 个节段；采用5 mm 厚橡胶条粘结到节段两侧衬砌端面进行柔性铰接模拟，连接后的衬砌模型如图2(b)所示，模型隧道埋深58 cm， 模型箱底板与隧道模型底部之间土层厚度为57 cm，如图3 所示。

图3 测点布置图(单位：mm)

试验监测内容包括隧道衬砌的环形应变、纵向应变，隧道与地层的接触压力。 沿隧道模型纵向设置8 个监测断面，测点布置考虑结构对称性，在隧道拱顶、单侧墙腰及仰拱外侧布设微型压力传感器，共24 个；在隧道拱顶、单侧墙腰及仰拱外侧布设Bx120-8AA 型电阻式环向应变片， 共48 个； 在隧道另一单侧墙腰外侧布设Bx120-8AA 型电阻式纵向应变片，共16 个，具体见图3。

断层错动的加载装置为分离式液压千斤顶， 通过控制沿断层面方向的位移加载速率来模拟断层的黏滑错动，考虑到数据采集的可操作性，采用较快加载方式，位移加载速率为2 mm/min。 加载过程中动态采集、储存应变、接触压力数据，测试不同错距下隧道变形受力、接触压力的变化情况

3 设置特殊变形缝的铰接式衬砌结果

3.1 隧道纵向应变

沿隧道纵向在右侧墙腰处设置了8 个纵向应变片，断层错动引起的各测点应变量随断层错动量变化规律见图4。 由图4 可见，较大纵向应变出现在与断层面相交的衬砌节段，其他节段应变量相对较小，最大应变位于2#节段7# 监测面，其值为-30.3 με，表明断层错动下，与之相交的节段应变值最大，极易损坏；同时由于变形缝的设置，相邻节段纵向应变值在-5.0～-11.2 με，相比与最大应变，降低了70%～83%，距离断层面越远，错动影响越小，变形缝的隔断效果明显。

图4 不同错动量下各测点纵向应变变化曲线

3.2 隧道环向应变

图5 不同错动量下隧道各测点环向应变变化曲线

为观察断层错动下铰接式衬砌变形特征， 在模型隧道的拱顶、 左侧墙腰及仰拱外侧各置了8 个纵环向应变片， 错动引起的各测点应变量随断层错动量变化规律见图5。 由图5 可见：①隧道拱顶、边墙及仰拱处环向应变变化规律基本相同， 较大环向应变出现在与断层面相交的节段，其他节段应变量相对较小，最大环向应变位于7# 监测面，其中拱顶最大应变为-81.2 με、墙腰最大应变为-57.2 με、仰拱最大应变为-41.3 με，拱顶压应变值最大；②与2# 节段相比，其他节段拱顶环向应变值在-30～57 με，降低了29%～63%；墙腰环向应变值在-25～-43 με， 降低了23%～57%； 仰拱环向应变值在-20～-28 με，降低了33%～53%，变形缝对隧道各部环向应变减弱程度影响基本一致。

3.3 隧道接触压力

图6 不同错动量下隧道各测点接触压力变化曲线

断层错动过程中各段衬砌与围岩之间的接触压力通过黏贴在衬砌外表面的微型土压力计来测试， 在隧道模型的拱顶、左侧墙腰及仰拱外侧各置了8 个土压力计，试验测得断层错动过程中接触压力增量与错动量之间的规律如图6 所示，测试数据已通过相似比换算到原型状态。由图6 可知： ①不同位置的接触压力随错动量的增加而增大，变化规律一致；②最大接触压力位置出现在与断层面相交的2# 节段6# 测点处， 拱顶处最大接触压力为0.27 MPa，墙腰处最大接触压力为0.13 MPa，仰拱处最大接触压力为0.33 MPa， 三者比较仰拱处接触压力最大；③与2# 节段相比，其他节段拱顶接触压力在0.1～0.19 MPa， 降低了30%～63%； 墙腰接触压力在0.06～0.10 MPa， 降低了23%～54%； 仰拱接触压力在0.11～0.22 MPa，降低了33%～67%。

4 设置减震层前后试验结构结果比较

4.1 结构受力、变形比较

为了研究减震层对断层错动下隧道结构受力、 变形的影响，在铰接式衬砌模型外侧敷设了10 mm 厚的海绵橡胶板， 衬砌应变及接触压力测点布置位置和数量与不设减震层试验相同。 由于隧道设置减震层与不设减震层时隧道纵向、 环向应变及接触压力与断层错动量之间的规律基本一致，在此仅讨论错动量为90 mm 时设置减震层对衬砌应变和接触压力的影响，如图7～8 所示。在相同错动量下， 敷设减震层时各测点衬砌应变普遍小于不设减震层的工况，变化最大的为7# 测点拱顶环向应变，由-81.2 με 减小到-74.5 με，降低了8.3%；接触压力也呈现出相同规律， 变化最大的为7# 测点仰拱接触压力，换算到原型后由-0.33 MPa 减小到-0.31 MPa， 降低了6.1%。 这表明减震层对结构受力有一定改善作用，但效果不明显。

图7 设置减震层与不设减震层下衬砌应变对比曲线

图8 设置减震层与不设减震层下接触压力对比曲线

4.2 衬砌结构破坏特征

5 个衬砌节段中，与断层面正交的2# 衬砌节段(图9所示深色位置)破损最严重，衬砌模型块拱顶位置出现一条宽度为2 mm 的纵向裂缝，贯穿整个衬砌模型块，把模型块拱顶一分为二；衬砌模型块边墙位置出现一条1 mm斜向裂缝和一条1 mm 环向裂缝结合的裂缝延伸情况，把模型块边墙完全错开； 衬砌模型块两个拱脚位置均发生纵向断裂；衬砌模型块仰拱位置出现一条1 mm“V”字形环向裂缝，环向贯穿仰拱。 2 号衬砌模型块的破坏情况如图10 所示。

图9 衬砌块2 号位置(单位：mm)

图10 衬砌块2 号裂缝

位于错动盘的3#、4#、5# 衬砌节段裂缝分布及破坏特征与2# 节段相似， 但裂缝规模逐渐减小；1# 衬砌节段裂缝分布特征与前面四个不同， 拱顶出现一条宽度为1 mm 的主贯通裂缝和随机分布的一些微裂缝， 边墙没发现裂缝，仰拱出现一条宽约0.5 mm 的非贯通性斜向裂缝。

与不设减震层工况相比，与断层正交的2# 衬砌节段破损最严重，裂缝分布与不设减震层情况下基本一致，只是裂缝宽度减小，拱顶裂缝宽为1.5 mm，其他部位裂缝宽度也变小，为0.7 mm 左右；其他衬砌节段的裂缝分布与不设减震层相同，只是裂缝规模减小。

综上，断层错动后与断层正交的2# 节段衬砌破损最严重，其他衬砌节段破损较轻，衬砌破坏主要为压剪性破坏，环向与纵向裂缝发育。设减震层对减弱衬砌破损有一定作用。

5 结论

通过模型试验， 采用强制位移法对设置特殊变形缝的铰接式衬砌在逆断层错动下各节段的受力、 变形特征进行分析，并对设置减震层效果进行对比，得出主要结论如下：

(1)铰接式衬砌在断层错动过程中，结构最大应变与接触压力皆出现在与断层面相交的2# 衬砌节段；其中拱顶位置应变值最大，墙腰和仰拱处相对较小；最大接触压力出现在仰拱处，其次为拱顶与墙腰。

(2)受特殊变形缝的隔断效应影响，与2# 衬砌节段相邻其他节段纵向应变值降低了70%～83%，环向应变值降低了23%～63%，结构变形明显减小。断层错动过程中，与2# 衬砌节段相邻其他节段接触压力降低了23%～37%，结构受力明显改善。

(3)设置减震层后，各衬砌节段的应变和接触压力出现了不同程度的降低，与断层面相交的节段减小量最大，其中拱顶环向应变降低了8.3%， 仰拱接触压力降低了6.1%，表明减震层对结构受力有一定改善作用，但效果不明显。

(4)断层错动后与断层正交的2# 节段衬砌破损最严重， 其他衬砌节段破损较轻， 衬砌破坏主要为压剪性破坏，环向与纵向裂缝发育。减震层对减弱衬砌破损有一定作用。