近發(fā)震斷裂帶古城隧道設(shè)計研究

劉 志

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原市 030000)

發(fā)震斷裂是指全新世(距今1.1萬年)以來發(fā)生過中強地震活動的斷裂帶。發(fā)震斷裂對隧道的破壞主要有兩類:高烈度地震引起的隧道震動破壞和斷裂錯動引起的隧道結(jié)構(gòu)破壞[1]。隧道穿越或鄰近發(fā)震斷裂帶時,巖層褶皺、斷層發(fā)育較多,巖層傾向不定、巖體破碎、圍巖穩(wěn)定性較差等因素對工程設(shè)計方法的影響較大。隨著工程質(zhì)量要求不斷提高和工程技術(shù)的發(fā)展,公路隧道抗震設(shè)計越來越受到研究人員的重視。

1 工程概況

1.1 隧道概況

古城隧道為分離式兩車道公路隧道,設(shè)計等級為一級,時速為60km/h。隧道左線全長193m,右線全長170m,左右線凈距約15m,為小凈距隧道。隧道平面線型為直線,設(shè)計橫坡為2%,隧道最大埋深56m。隧道圍巖分級主要有V級和IV級。隧址區(qū)地震動峰值加速度為0.2g,地震基本烈度為Ⅷ度,地震反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

1.2 隧址區(qū)工程地質(zhì)概況

圍巖主要由寒武系上統(tǒng)白云巖組成。巖層產(chǎn)狀主要為層狀、厚層狀,中風(fēng)化,層間結(jié)合差,受隧道出口端羅云山山前斷裂影響,隧道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎呈碎裂狀結(jié)構(gòu),圍巖穩(wěn)定性差。

2 隧道勘察

羅云山斷裂位于臨汾盆地西側(cè),是由一系列斷層組成的復(fù)雜斷裂帶,具有右旋走滑正斷性質(zhì),屬全新世活動斷裂,該斷裂在地質(zhì)年代第四紀(jì)中更新世和晚更新世期間活動強烈。斷裂帶自北向南分為6段,各段活動性有明顯差異。

勘察期間,對區(qū)域斷裂發(fā)育情況進行了詳細(xì)核查和調(diào)繪。隧道段位于羅云山斷裂尉村段,斷裂帶總長約20km,正斷層,斷層傾向為140°,傾角約為70°。斷層上盤位于山前傾斜平原區(qū),地層以第四系粉土、粉質(zhì)黏土、卵石為主,下盤為寒武系上統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖,斷層斷距大于200m,斷層破碎帶影響范圍約200m。古城隧道隧址區(qū)發(fā)震斷裂位置圖見圖1。

圖1 古城隧道隧址區(qū)發(fā)震斷裂位置圖

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

房屋建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方法是抗剪切以阻止結(jié)構(gòu)物在水平力和豎向力作用下的變形趨向于“平行四邊形化”。此次隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計也借鑒了該設(shè)計方法。通過受力分析計算,找出隧道襯砌內(nèi)力值變化明顯的薄弱點作為抗震設(shè)計的重要考慮部位,進行結(jié)構(gòu)加強或采取抗震措施。此次設(shè)計中,采用鋼筋混凝土對襯砌結(jié)構(gòu)進行加強,并對隧道內(nèi)輪廓進行了優(yōu)化,使襯砌結(jié)構(gòu)輪廓尤其是拱架部位更加“圓順”從而加強抗變形能力,提高抗震性能。

3.1 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計

隧址區(qū)域鄰近發(fā)震斷裂或受發(fā)震斷裂影響時,隧道內(nèi)輪廓設(shè)計除應(yīng)增加考慮發(fā)震斷裂錯動、震動對襯砌結(jié)構(gòu)造成的破壞外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后便于維修加固的因素。隧道內(nèi)輪廓與建筑限界之間的留空距離較標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計有所加大。內(nèi)輪廓斷面設(shè)計還參照類似工程設(shè)計經(jīng)驗,通過比較不同內(nèi)輪廓下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況進行優(yōu)化設(shè)計,最終確定隧道設(shè)計的內(nèi)輪廓。設(shè)計的建筑限界與內(nèi)輪廓最小距離由5cm增大至35cm,內(nèi)輪廓只在拱部和邊墻部位加大,斷面優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

圖2 古城隧道內(nèi)輪廓設(shè)計圖(單位:cm)

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道區(qū)域地震烈度為8度,地震動峰值加速度為0.2g。按照《公路隧道抗震設(shè)計規(guī)范》,對應(yīng)抗震設(shè)防措施等級為IV級。由于隧道埋深較淺,為增加隧道襯砌結(jié)構(gòu)的延性以提高其抗震性能,初期支護利用下部采用T型連接的形式加厚拱腳處二次襯砌厚度。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2],隧道襯砌支護參數(shù)如表1所示。

表1 隧道復(fù)合式襯砌主要參數(shù)表

3.3 小凈距段結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道進口進洞受地形、征拆等影響,左右線凈距較小。隧道左右線凈距設(shè)計為15m,為減小小凈距對隧道開挖的影響,隧道設(shè)計時采用中隔壁法開挖以降低小凈距開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響[3]。為減小地震工況下變形對中間巖柱的影響,在左右線之間設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖柱,錨桿直徑25mm,長度6m,間距80cm×80cm。隧道中間巖柱對拉錨桿加固圖見圖3。

圖3 隧道中間巖柱對拉錨桿加固圖

3.4 隧道洞口邊仰坡防護設(shè)計

隧道進口左線左側(cè)地形偏壓,且邊仰坡傾角約1∶0.75。根據(jù)地質(zhì)勘察資料,巖層傾角(34°)與視傾角(32.20°)相差較小,巖層傾斜方向基本朝向洞口,洞口邊仰坡穩(wěn)定性較差,有順層滑動風(fēng)險。

為保證隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性,設(shè)計方案舍棄普通錨噴支護方式,并將洞頂以上的永久邊仰坡坡率調(diào)整為1∶0.3來降低邊仰坡高度和級數(shù),明洞回填采用漿砌片石回填密實,同時,支護措施采取長錨桿+鋼筋混凝土護面墻組合的形式。其中,錨桿長度6m,護面墻厚度40cm,錨桿尾部與護面墻鋼筋連接形成整體。最終邊仰坡支護形式見圖4。

4 隧道抗震措施設(shè)計

除加強結(jié)構(gòu)設(shè)計外,抗震措施設(shè)計也是隧道設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計過程中,隧道埋深較淺段、明洞段、洞門墻段、洞內(nèi)圍巖變化段等均是隧道抗震設(shè)防措施設(shè)計的重點段落。

4.1 抗震設(shè)防段的劃分

國內(nèi)外大量地震災(zāi)害表明,地震對淺埋、偏壓隧道、明洞及洞門的影響較大,對于設(shè)防段的長度取值,往往通過經(jīng)驗確定,也有利用有限元法進行的相關(guān)研究[4]。此次隧道設(shè)計通過對國內(nèi)在建或已建成隧道設(shè)計情況的調(diào)查,參照《公路隧道抗震設(shè)計規(guī)范》要求,抗震設(shè)防段的劃分按照洞頂埋深50m進行設(shè)計。該隧道最大埋深56m,隧道為短隧道,并且在實際設(shè)計中抗震設(shè)防段一般向標(biāo)準(zhǔn)段適當(dāng)延長,綜合考慮經(jīng)濟性和施工便利性,隧道襯砌均按照抗震設(shè)防段進行設(shè)計。

4.2 明洞及洞門方案設(shè)計

為提高洞口段地震條件下的安全性,洞口明洞采用長明洞措施,洞口段洞門結(jié)構(gòu)形式一般采用明洞式洞門結(jié)構(gòu),并適當(dāng)加高洞門上部支擋結(jié)構(gòu)。洞口段受地震動位移影響大,設(shè)計時明洞襯砌混凝土等級較正常襯砌提高一級。受地形偏壓影響,采用帶偏壓墻的端墻式洞門結(jié)構(gòu)時,為防止地震作用下墻體開裂或掉落造成安全事故,偏壓墻、洞門墻與明洞襯砌之間設(shè)置連接鋼筋將結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)為一個整體,降低地震工況時破壞或掉落風(fēng)險。

4.3 偏壓處理措施設(shè)計

受發(fā)震斷裂等地區(qū)地質(zhì)活動影響,隧道洞口處存在巖層傾斜情況,洞口地形無法采用正交方式進洞。洞口位置選取時,盡早進洞減少開挖,同時,通過調(diào)整凈距盡量降低邊坡開挖高度。古城隧道洞口設(shè)計過程中,為提高洞門墻偏壓結(jié)構(gòu)的抗震性能,除洞門墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外,設(shè)置鋼筋混凝土偏壓擋墻,通過設(shè)置偏壓墻,增加坡底回填體的高度和整體抗震穩(wěn)定性。洞門墻處結(jié)構(gòu)具體形式見圖5。

4.4 防震縫及防排水設(shè)計

為減小地震時結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用產(chǎn)生的變形和斷面力,此次設(shè)計中,在抗震設(shè)防段、軟硬地層變化段以及結(jié)構(gòu)形式變化處設(shè)置防震縫結(jié)構(gòu)從而減小隧道結(jié)構(gòu)的剛性并提高結(jié)構(gòu)抗震性能。隧道防震縫設(shè)置間距取10m,縫體寬度為4cm,防震縫和變形縫相結(jié)合并進行防水設(shè)計。具體設(shè)計見圖6。

4.5 其他抗震措施設(shè)計

(1)隧道洞口位置宜避開斷裂帶中線,盡量設(shè)置在斷層帶上盤,盡量加長洞口段明洞設(shè)置,洞門形式選擇以明洞式洞門為主。

(2)進洞位置的選取應(yīng)盡可能控制邊仰坡開挖高度和面積,對陡坡面盡可能減少開挖,采取半明半暗或設(shè)置棚洞等方式盡早進洞。

(3)洞口段進洞采用φ108超前大管棚加固,大管棚內(nèi)插鋼筋籠,該方法既能提高結(jié)構(gòu)整體性,又能避免開挖時出現(xiàn)坍塌。

(4)隧道施工方案設(shè)計時,嚴(yán)格控制施工程序,減少巖體擾動,減少塌方。對于超挖空洞、塌方地段,采用同等材料回填密實。

(5)當(dāng)隧道埋深較淺、開挖方量較小時,考慮與路基方案比選,盡量選擇路基方案通過。

5 結(jié)語

古城隧道鄰近發(fā)震斷裂帶,且存在圍巖破碎、偏壓、小凈距、巖層傾角大等綜合不利情況。設(shè)計過程中對隧道內(nèi)輪廓進行了優(yōu)化調(diào)整、加強了襯砌結(jié)構(gòu)和隧道洞口段防護并針對性地進行了抗震措施設(shè)計。文章分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗震措施兩個方面進行分析研究,設(shè)計成果可為今后類似工程設(shè)計提供借鑒參考。