姜久純

(1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鐵一院)，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鐵一院)，陜西 西安 710043)

0 引 言

新疆維吾爾族自治區(qū)處于印度洋板塊和亞歐板塊碰撞的前沿地帶，主要有五大地震帶。新疆烏魯木齊市處于西北天山構(gòu)造帶與博格達(dá)構(gòu)造帶交匯部位，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈且活動(dòng)斷層發(fā)育。目前已探明的活動(dòng)斷層有9條，多條斷層帶上均發(fā)生過(guò)強(qiáng)震并存在古地震活動(dòng)，其活動(dòng)斷層數(shù)量和規(guī)模在全國(guó)大中城市是少見(jiàn)的。在修建跨越斷層帶的隧道工程時(shí)，尤其需要關(guān)注黏滑錯(cuò)動(dòng)問(wèn)題。黏滑錯(cuò)動(dòng)突發(fā)性強(qiáng)，會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)引起隧道結(jié)構(gòu)彎曲變形，產(chǎn)生塑性區(qū)，對(duì)活斷層附近的襯砌結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。因此，隧道穿越斷層時(shí)采取的設(shè)防措施顯得尤為重要，相關(guān)方面的研究已經(jīng)成為當(dāng)前的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段開(kāi)展了相關(guān)研究。GREGOR采用數(shù)值模擬研究了隧道結(jié)構(gòu)在穿越斷層帶時(shí)受力情況[1]。LIN等采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法研究了逆斷層中盾構(gòu)隧道的破壞特征[2]。劉愷等運(yùn)用數(shù)值方法分析了不同傾角和斷裂破碎帶寬度下隧道位移、結(jié)構(gòu)變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律[3]。盛越建立三維有限元整體式隧道模型，研究了不同構(gòu)造的變形縫對(duì)隧道受力力學(xué)差異和凈空擴(kuò)大量的影響[4]。李林等通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力變形的抗震組合措施[5]。祁彬溪等運(yùn)用有限元分析了斷層豎向錯(cuò)動(dòng)速率與斷層破碎帶交界面動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)穿越斷層隧道的豎向位移和第一主應(yīng)力的影響[6]。安韶等基于有限元模型，分析了烏魯木齊軌道交通2號(hào)線的抗斷設(shè)計(jì)流程[7]。崔光耀等基于能量守恒原理結(jié)合數(shù)值仿真，對(duì)錯(cuò)動(dòng)作用下隧道的抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究[8]。汪振等運(yùn)用黏性界面模型結(jié)合有限元模擬正斷層破裂過(guò)程，探討了不同斷層錯(cuò)動(dòng)量和傾角對(duì)隧道力學(xué)影響規(guī)律，建立了隧道安全評(píng)價(jià)的分類標(biāo)準(zhǔn)[9]。閻錫東等采用屬性測(cè)度分析理論對(duì)隧道塌方、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行了分析，建立了隧道穿越活動(dòng)斷裂帶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[10]。

綜上，在黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了諸多成果，但主要集中在黏滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及破壞機(jī)理、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法等[11-14]；在抗錯(cuò)動(dòng)設(shè)防措施方面成果較少，特別是結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度、擴(kuò)大斷面尺寸等方面有待深入研究。

基于現(xiàn)場(chǎng)勘探獲得的西山活斷層的幾何和運(yùn)動(dòng)特性等關(guān)鍵參數(shù)，文中采用數(shù)值分析結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)手段，從黏滑錯(cuò)動(dòng)下地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)及破壞影響入手，研究襯砌分段、擴(kuò)大斷面等措施對(duì)提高隧道抗錯(cuò)斷性能的影響，并確定其合理設(shè)防參數(shù)?？蔀橄嚓P(guān)地鐵隧道的設(shè)防設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

烏魯木齊市地處東天山隆起區(qū)與北天山強(qiáng)烈隆起區(qū)的交匯部位，沉積有巨厚的中、新生代地層。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，受海西運(yùn)動(dòng)以來(lái)歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成了一系列軸向北東—南西的褶皺和斷裂。

地鐵2號(hào)線在建設(shè)過(guò)程中，多次穿越活動(dòng)斷層。其中西山斷裂北支東段始于苜蓿溝口，向東延伸至耐火材料廠。該斷裂走向N45°—70°E，傾向N，傾角44°～83°，具逆沖性質(zhì)。地鐵2號(hào)線線路大角度通過(guò)西山斷裂北支(如圖1所示)。

2 西山斷裂帶地質(zhì)勘測(cè)

烏魯木齊主城區(qū)地表覆蓋有深厚的第四系沉積層，給地質(zhì)勘測(cè)工作帶來(lái)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。為準(zhǔn)確探明斷裂帶位置與特征，在詳細(xì)勘察階段綜合采用了地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)鉆探、原位測(cè)試等方法進(jìn)行探測(cè)[15-18]。地鐵站之間聯(lián)合鉆孔柱狀圖如圖2所示。

根據(jù)地球物理探測(cè)及綜合判識(shí)的結(jié)果，確定西山逆斷傾角為58°，與隧道交角28°，斷層上下盤(pán)相對(duì)垂直滑移設(shè)防量取0.65 m。

3 黏滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 建模分析

為完整呈現(xiàn)黏滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)的變形及破壞形態(tài)，并消除邊界效應(yīng)的影響，確定模型尺寸為長(zhǎng)度250 m，寬度40 m。隧道埋深依據(jù)工程實(shí)際取為15 m。土體本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性材料，遵循D-P準(zhǔn)則，襯砌結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系采用混凝土本構(gòu)彈塑性模型。

考慮到模擬黏滑錯(cuò)動(dòng)效果及支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖在錯(cuò)動(dòng)條件下的接觸效果，分別在上下盤(pán)斷層面、初期支護(hù)與圍巖相觸處設(shè)置接觸單元。建模如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型及接觸面單元

在計(jì)算參數(shù)選取上，穿越西山斷層處地層為Ⅴ級(jí)圍巖，采用注漿措施對(duì)圍巖加固后，加固區(qū)彈性模量、黏聚力大約提高20%～30%。取圍巖-初支摩擦系數(shù)為0.45，斷層面摩擦系數(shù)為0.1。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工程圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)變形分布規(guī)律

西山斷層錯(cuò)動(dòng)作用下地鐵2號(hào)線隧道圍巖與襯砌的豎向變形云圖如圖4所示。

圖4 隧道縱向變形

由圖4可知，在黏滑錯(cuò)動(dòng)后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生“S”狀彎曲變形；下盤(pán)仰拱近斷層面處出現(xiàn)了明顯脫空，由于有限單元法采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，上盤(pán)近斷層面的拱頂與圍巖也出現(xiàn)了脫空。

由于城市淺埋地鐵往往圍巖條件差，且受到斷層破裂面摩擦作用的影響，襯砌結(jié)構(gòu)與周?chē)馏w間不一定會(huì)出現(xiàn)明顯的脫空區(qū)，但作用在下盤(pán)隧道仰拱及上盤(pán)隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力會(huì)有所減小。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)塑性區(qū)分布規(guī)律

在黏滑錯(cuò)動(dòng)下，隧道結(jié)構(gòu)根據(jù)其不同的受力條件會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈塑性變形，當(dāng)其應(yīng)力超出襯砌材料彈性極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)。因而，結(jié)構(gòu)塑性區(qū)的范圍和大小是判斷其受破壞嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)。隧道二次襯砌塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖5 隧道二次襯砌塑性區(qū)分布

從圖5可知，上下盤(pán)頂?shù)撞渴軌簠^(qū)及斷層面周?chē)澳_至拱腰區(qū)域均出現(xiàn)塑性區(qū)。塑性應(yīng)變峰值出現(xiàn)在下盤(pán)拱頂處，峰值達(dá)到1.058%。

根據(jù)塑性區(qū)分布特征，選取隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂和仰拱2個(gè)關(guān)鍵部位的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。其塑性區(qū)沿隧道方向的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 塑性區(qū)分布(以拱頂為例)

拱頂在-115～-35 m的范圍內(nèi)(上盤(pán)80 m)、仰拱在-60～60 m范圍內(nèi)(上盤(pán)60 m、下盤(pán)60 m)存在較大的塑性變形。表明黏滑錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性存在較大的影響，需要在此斷層面上盤(pán)80 m、下盤(pán)60 m范圍內(nèi)采取一定的設(shè)防措施。

4 黏滑錯(cuò)動(dòng)室內(nèi)模型試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于工程實(shí)際，研發(fā)了大比例(1∶25)、多傾角、寬控速、高精度穿越斷層的隧道結(jié)構(gòu)破壞模擬加載試驗(yàn)裝置，采用剪切試驗(yàn)裝置(如圖7所示)來(lái)模擬縱向125 m范圍內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞演化過(guò)程。模型尺寸2 m×2 m×5 m，可在保證對(duì)斷層錯(cuò)動(dòng)下地層及隧道結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程有效監(jiān)測(cè)的前提下，提供更符合實(shí)際情況的邊界條件。

圖7 地鐵隧道穿越活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)加載裝置

該隧道剪切模型主要由箱體、水平反力架梁、水平推力源、垂直推力源、推力傳動(dòng)裝置5大部分組成。裝置采用先進(jìn)的同步加載系統(tǒng)，既可以精確地進(jìn)行均衡位移加載，避免了油缸加載的位移不均勻性，又可以進(jìn)行上下加載用來(lái)模擬正、逆斷層，實(shí)現(xiàn)了以不同速度進(jìn)行同步加載的試驗(yàn)。可以根據(jù)不同需求，按相似比預(yù)制隧道模型進(jìn)行多個(gè)不同角度的垂直、水平單獨(dú)剪切試驗(yàn)和垂直、水平組合互動(dòng)聯(lián)合剪切試驗(yàn)。

隧道結(jié)構(gòu)破壞模擬加載試驗(yàn)裝置的工作原理如圖8所示。

圖8 裝置工作原理

試驗(yàn)材料選擇：土體采用河沙、重晶石、粉煤灰、機(jī)油等配制而成，用于模擬斷層帶處的破碎圍巖；隧道襯砌則采用石膏澆筑成型。

試驗(yàn)幾何相似比為1∶25，其余各物理量的相似比分別為：彈性模量相似比CE=25，泊松比相似比Cμ=1，應(yīng)力相似比Cσ=25，應(yīng)變相似比Cε=1。原型與模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)材料物理力學(xué)指標(biāo)

4.2 黏滑錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

在洞內(nèi)位移方面，隧道豎向收斂值縱向分布曲線如圖9所示。可以看出在-0.76～0.5 m(-2.6D～1.7D)范圍內(nèi)隧道豎向收斂值明顯增大，表明下盤(pán)拱頂及上盤(pán)仰拱受錯(cuò)動(dòng)引起的豎向擠壓作用顯著；7 cm錯(cuò)距下在下盤(pán)距斷層跡線處隧道豎向收斂值達(dá)到最大值3.2 mm，豎向收斂值向兩側(cè)逐漸減小趨于平穩(wěn)，直至兩端接近為零，如圖9所示。

圖9 隧道豎向收斂值縱向分布曲線

在隧道破壞形態(tài)方面，選取了加載后隧道襯砌穿越斷層面受損嚴(yán)重的節(jié)段進(jìn)行分析，如圖10所示。

圖10 隧道破壞形態(tài)

該節(jié)段直接穿越斷層面，受剪切作用最為明顯，在斷層跡線處隧道墻腳附近出現(xiàn)條斜裂縫，且斜裂縫開(kāi)裂方向與斷層方向一致，屬于沿?cái)鄬觾A角方向的剪切破壞；該節(jié)段同時(shí)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)縱向彎曲變形特征可知，此處的環(huán)向裂縫是由于結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度引起的，屬于縱向拉彎破壞。

5 隧道設(shè)防措施研究

國(guó)內(nèi)外針對(duì)于應(yīng)對(duì)黏滑錯(cuò)動(dòng)的設(shè)防措施主要有2大原則：一是擴(kuò)大隧道斷面，預(yù)留斷層錯(cuò)動(dòng)空間，也為后期預(yù)留一定的維修補(bǔ)強(qiáng)空間。二是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)采用分段的方式，以減小黏滑錯(cuò)動(dòng)后隧道的破壞范圍及程度。黃強(qiáng)兵、劉學(xué)增等人也在此方面有過(guò)研究，對(duì)分段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，指出分段式襯砌結(jié)構(gòu)在縱向應(yīng)變、破壞范圍等方面要小于整體式襯砌[19-25]。

主要從斷面尺寸擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)分段設(shè)計(jì)兩方面展開(kāi)分析，以確定合理的設(shè)防措施。

5.1 擴(kuò)大斷面

正常情況下地鐵隧道內(nèi)凈空為5.38 m×5.45 m(寬×高)。為保證隧道在黏滑錯(cuò)動(dòng)之后仍有足夠的凈空，考慮在斷層結(jié)構(gòu)設(shè)防范圍內(nèi)分別預(yù)留錯(cuò)動(dòng)空間0.65 m(垂直)及四周補(bǔ)強(qiáng)加固空間0.35 m，最終將斷面凈空尺寸調(diào)整至6.45 m×7.0 m(寬×高)。如圖11所示。

圖11 隧道斷面(單位：mm)

5.2 分段設(shè)防

為減小黏滑錯(cuò)動(dòng)后隧道結(jié)構(gòu)的影響范圍及破壞程度，采用分段的原則對(duì)隧道二襯進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合考慮對(duì)隧道維修的經(jīng)濟(jì)成本及施工的難易程度，確定二襯節(jié)段長(zhǎng)度為10 m。

有限元計(jì)算分析得到分段式隧道在黏滑錯(cuò)動(dòng)下的位移及應(yīng)力響應(yīng)如圖12、圖13所示。

圖12 分段隧道縱向變形位移(單位：m)

圖13 分段隧道第一主應(yīng)力(單位：Pa)

對(duì)分段式隧道的位移響應(yīng)進(jìn)行分析，可以看出隧道二襯在穿越斷層面時(shí)變形最大，破壞最為明顯，但相鄰節(jié)段間的位移不連續(xù)，表明襯砌分段可將黏滑錯(cuò)動(dòng)下襯砌結(jié)構(gòu)的破壞控制在一定范圍內(nèi)，避免襯砌結(jié)構(gòu)在整體上受到嚴(yán)重破壞。

對(duì)分段隧道主應(yīng)力進(jìn)行分析，可以看出在斷層面附近拱腰出現(xiàn)拉應(yīng)力，為截面控制部位，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以針對(duì)設(shè)防。

綜合來(lái)看，襯砌節(jié)段間變形縫的存在使得相鄰節(jié)段間的位移和應(yīng)力均不連續(xù)，保持了一定的獨(dú)立性。表明襯砌分段可以有效控制破壞范圍，減弱地層位移對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用，提升隧道的抗錯(cuò)動(dòng)性能。

6 結(jié) 論

1)發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)沿著縱向發(fā)生了“S”狀彎曲變形。作用在下盤(pán)隧道仰拱及上盤(pán)隧道拱頂?shù)膰鷰r壓力會(huì)有所減小。

2)黏滑錯(cuò)動(dòng)量為0.65 m時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)在上盤(pán)80 m、下盤(pán)60 m范圍區(qū)間存在較大塑性變形，結(jié)構(gòu)安全性受到影響，此時(shí)斷層段隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)防范圍為140 m。

3)位于斷層面處襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向拉彎破壞和剪切破壞，結(jié)構(gòu)損壞最為嚴(yán)重。

4)采用縱向結(jié)構(gòu)分段及擴(kuò)大斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，可有效控制隧道破壞范圍，并為后期維修加固預(yù)留空間。