崔光耀， 王李斌， 王明年， 王道远

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031；3.石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043；4.河北交通职业技术学院 土木工程系，石家庄 050091)

我国西部交通基础设施建设持续深入发展，高烈度活动断裂区交通隧道工程不断涌现，如雅康高速二郎山隧道(穿越泸定、二郎山及保凰等断裂)、绵茂公路篮家岩隧道(穿越龙门山支断裂)、拉日铁路系列隧道(穿越雅江深大断裂、雅江北岸断裂)、川藏铁路系列隧道(穿越龙门山、鲜水河、金沙江、怒江、雅鲁藏布江等活动断裂)，如图1所示。

强震诱发活动断裂活化而发生黏滑错动，造成隧道结构出现严重破坏[1-3]。如何提高高烈度活动断裂区交通隧道的震时安全性和稳定性是亟待研究和解决的关键技术问题之一。

提高隧道抗错断性能的措施主要有：围岩加强、结构加强、设置减错层、设置减错缝以及采用大阻尼支护结构等。隧道衬砌结构抵抗断裂黏滑错动的影响，需要衬砌结构具有较好的抗剪、抗冲、抗折及抗拉性能。纤维混凝土因其具有增强、增韧、阻裂等优异性能，成为衬砌结构抵抗断裂黏滑错动的有利材料。

图1 川藏铁路活动断裂分布

Fig.1 Distribution of active faults in Sichuan-Tibet Railway

目前，钢纤维应用最为广泛，但钢纤维密度较大，在混凝土中分布极其不均，一定程度影响了纤维性能的发挥，为此可同时掺入密度较低的其他纤维共同作用。两种或多种纤维共同掺入混凝土，可在不同阶段、不同层次发挥正混杂效应。混杂纤维混凝土既可发挥高弹模、高密度纤维(钢纤维)的多向约束作用，也可发挥低弹模、低密度纤维(聚丙烯、玄武岩等)的阻裂作用。

国内外相关专家、学者对高烈度活动断裂区隧道的抗错断技术进行了部分研究，主要有：采用数值仿真及模型试验，对断层黏滑错动作用下的力学响应及损伤机理进行了研究[4-5]；依托Bolu隧道和Koohrangs隧道，采用数值仿真对二衬施设不同节跨比减错缝进行了作用效果对比研究[6-7]；采用模型试验对二衬施设减错缝、减错层及二衬加厚等措施的抗错断效果进行了研究[8-10]；采用理论分析和模型试验，对减震层减震模型、减震机理、断层及减震层参数敏感性进行了研究[11-13]；采用试件试验及模型试验，对钢纤维/玄武岩纤维混凝土的基本力学特性及衬砌的静力承载特性进行了研究[14-15]等。综上所述，目前隧道抗错断技术研究主要集中在减错缝方面，减错层研究较少，结构加强方面鲜有报道。本文依托某地铁九家湾断裂F2-3区间隧道工程，对高烈度活动断裂区隧道纤维混凝土衬砌的抗错断性能进行模型试验研究，这对高烈度艰险山区交通隧道结构安全性及稳定性的提高具有重要的意义。

1 纤维混凝土基本力学性能

1.1 试验目的及分组

为研究纤维混凝土增强、增韧的力学性能，以素混凝土、钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)、钢-玄武岩混杂纤维混凝土(steel-basalt fiber reinforced concrete,SBFRC)、钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(steel-polypropylene fiber reinforced concrete,SPFRC)为研究对象进行试件试验。

通过立方体抗压强度、抗折强度试验研究其增强性能，立方体抗压强度试件尺寸为：100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为：100 mm×100 mm×400 mm；通过大板能量韧性试验研究其增韧性能，试件尺寸为：500 mm×500 mm×100 mm。

由于在大板能量韧性试验过程中，素混凝土试件破坏荷载较小，试件破坏后荷载迅速减小。因此，本次大板能量韧性试验仅对SFRC、SBFRC 和SPFRC试件进行试验。试件纤维掺量按同体积比进行设计，试验分组见表1所示。

表1 试验分组

1.2 试验结果及分析

1.2.1 立方体抗压强度及抗折强度试验

立方体抗压强度试验采用YES-2000型数显压力实验机进行，抗折强度试验采用JES-300抗折实验机进行，试验结果见表2和表3所示。

表2 立方体抗压强度试验结果

表3 抗折强度试验结果

由表2和表3可知，相对素混凝土，SFRC立方体抗压强度提高了20.19%，抗折强度提高了23.54%；SBFRC立方体抗压强度提高了17.11%，抗折强度提高了21.30%；SPFRC立方体抗压强度提高了16.62%，抗折强度提高了20.29%。这说明在纤维掺量同体积条件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增强效果稍好，SBFRC增强效果略好于SPFRC。

1.2.2 大板能量韧性试验

大板能量韧性试验采用250 kN普通液压试验机进行。支承钢框平放于试验台，调整其水平度并将试件放置于支座上，启动液压千斤顶，采用等速位移控制(1.5 mm/min)，至方板试件中心点挠度达到25 mm，试验结束。试验如图2所示。试验结果见表4所示。

表4 大板能量韧性试验结果

由表4可知，SFRC、SBFRC和SPFRC的最大荷载平均值相差无几；裂缝数量及裂缝处纤维数量，SBFRC比SFRC增加6.01%和6.57%，SPFRC比SFRC增加7.85%和8.44%；吸收能量平均值，SBFRC比SFRC增加13.84%，SPFRC比SFRC增加18.42%。这说明在纤维掺量同体积条件下，SBFRC、SPFRC增韧效果好于SFRC，SPFRC增韧效果稍好于SBFRC。

2 抗错断模型试验方案设计

2.1 依托工程概况

某地铁线路全长26.5 km，共设车站21座，线路由南向北依次穿越四组活动断裂，如图3所示。依托九家湾断裂F2-3区间隧道工程开展模型试验研究，该断裂为全新世活动正断裂，倾角70°。隧道断面为马蹄形，跨度×高度=8.573 m×9.120 m。初支采用C25喷射混凝土(厚30 cm), 二衬采用C35模注混凝土(厚60 cm)。

图3 线路区域大地构造

2.2 试验分组及设备

2.2.1 试验分组

为研究纤维混凝土隧道衬砌的抗错断性能，开展了四组室内模型试验进行研究。试验分组见表5所示。

表5 试验分组

2.2.2 试验设备

试验采用倾斜正断裂黏滑错动试验箱(自行设计，长×宽×高=2.5 m×2.5 m×2.0 m)进行，试验箱由可活动的上盘部分和固定的下盘部分组成，断裂倾角为70°，如图4所示。

传感器主要采用微型压力盒、直角应变花和应变片，数据采集采用东华静态应变采集仪。

图4 倾斜正断裂黏滑错动试验箱

2.3 试验相似比及相似材料

2.3.1 试验相似比

根据隧道及试验箱尺寸，并考虑尽可能消除试验箱边界效应，试验箱宽度应大于7倍隧道跨度，即隧道模型跨度应小于2.5/7≈0.357 m，几何相似比应大于8.573/0.357≈24.01，取为30。考虑到重度相似配套，弹模相似比取为45。其他相关物理量根据相似理论可推导得出，如表6所示。

表6 其他相关物理量相似比

2.3.2 试验相似材料

围岩相似材料由河砂、粉煤灰及机油的热融混合料模拟，各组分重量配比根据正交试验确定，机油∶河砂∶粉煤灰=1∶3∶6。围岩相似材料基本力学参数见表7所示。

表7 围岩相似材料基本力学参数

采用石膏掺和料(水膏比为0.676)模拟二衬，弹性模量和抗压强度为相似控制指标；在石膏掺和料中按比例掺入试验用钢纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维，模拟SFRC、SBFRC 和SPFRC二衬；防水板采用聚乙烯膜模拟；采用两层PVC塑料板(中间均匀涂以黄油)模拟断裂黏滑错动的作用效果， 如图5所示。

(a) 钢纤维

(b) 玄武岩纤维

(c) 聚丙烯纤维

(d) 模型浇注

(e) 拆模

(f) 防水板与初支

(g) 黏滑断裂模拟

2.4 试验量测布置

试验量测布置如图6所示。在各量测断面拱顶布设微型压力盒(Y，围岩与初支间)、横向应变片(H，二衬内外侧成对布设)、纵向应变片(L，二衬外侧)和直角应变花(Z，二衬外侧)，在边墙中部和仰拱中部布设微型压力盒。

(a) 量测断面(mm)

(b) 测点布置

布设微型压力盒主要测试围岩与支护结构间的接触应力；二衬内外侧成对布设横向应变片主要测试结构的内力；二衬外侧布设纵向应变片主要测试结构的纵向应变；二衬外侧布设直角应变花主要测试结构的主应力。

2.5 试验实施

(1) 通过试验箱上盘底部四角设置的5 t千斤顶将上盘箱体抬升5 cm(该工程百年保守预测地表错动量为1.5 m)。

(2) 逐层(0.2 m/层)填夯围岩相似材料至隧道仰拱外皮标高处，布设二衬模型、防水板及初支，并安设置微型压力盒等测试传感器。

(3) 同时放下上盘底部的4个千斤顶，上盘岩体及隧道沿错动面发生黏滑错动，采集试验数据，试验结束。

3 抗错断模型试验数据及分析

3.1 主应力

提取各工况试验后各量测断面直角应变花量测数据，计算断裂黏滑错动造成的结构主应力，如图7所示(横坐标正数部分为上盘，横坐标负数部分为下盘)。

(a) 第一主应力

(b) 第三主应力

提取各工况第一主应力和第三主应力的最大值，计算纤维混凝土衬砌的抗错断效果(相对素混凝土衬砌)，见表8所示。

由图7及表8可知：

(1) 试验后，各工况断裂黏滑错动造成的结构第一主应力、第三主应力峰值均位于上盘部分，上盘隧道结构主应力受黏滑错动影响大于下盘。

表8 主应力抗错断效果

(2) 纤维混凝土衬砌(工况2～工况4)主应力抗错断效果较好，达30%～40%。第一主应力抗错断效果优于第三主应力。

(3) 混杂纤维混凝土衬砌(工况3～工况4)主应力抗错断效果优于钢纤维混凝土衬砌(工况2)。工况4(SPFRC)主应力抗错断效果最优，略优工况3(SBFRC)。

3.2 纵向应变

提取各工况试验后各量测断面纵向应变片量测数据，计算断裂黏滑错动造成的结构纵向应变增加倍数，如图8所示。

(a) 工况1～工况4

提取各工况纵向应变增加倍数的最大值，计算纤维混凝土衬砌的抗错断效果(相对素混凝土衬砌)，见表9所示。

由图8及表9可知：

(1) 试验后，各工况断裂黏滑错动造成的结构纵向应变增加倍数峰值均位于上盘部分，上盘隧道结构纵向应变受黏滑错动影响大于下盘。

表9 纵向应变抗错断效果

(2) 纤维混凝土衬砌(工况2～工况4)纵向应变抗错断效果达80%～90%。混杂纤维混凝土衬砌(工况3～工况4)纵向应变抗错断效果优于钢纤维混凝土衬砌(工况2)。工况4(SPFRC)纵向应变抗错断效果最优，略优工况3(SBFRC)。

3.3 接触应力

提取各工况试验后各量测断面拱顶测点微型压力盒量测数据，计算断裂黏滑错动造成的接触应力增加倍数，如图9所示。

图9 接触应力增加倍数

提取各工况接触应力增加倍数的最大值，计算纤维混凝土衬砌接触应力增加倍数最大值的增大百分比(相对素混凝土衬砌)，见表10所示。

表10 接触应力增加倍数最大值的增大百分比

由图9及表10可知：

(1) 试验后各工况断裂黏滑错动造成的接触应力增加倍数，上盘部分大于下盘部分，这说明断裂黏滑错动对上盘隧道接触应力的影响大于下盘。

(2) 由于纤维混凝土具有增强、增韧的力学特点，纤维混凝土衬砌限制围岩应力释放的作用较素混凝土衬砌强，工况2～工况4接触应力增加倍数的最大值均比工况1有所增加，增大百分比达到20%～30%。

(3) 在三种纤维混凝土中，SPFRC增强效果最弱、增韧效果最佳，工况4接触应力增加倍数最大值最小，为38.53倍；SFRC增强效果最佳、增韧效果最弱，工况2接触应力增加倍数最大值最大，为39.94倍。

3.4 结构内力

提取各工况试验后各监测断面拱顶测点内外侧横向应变片量测数据，计算结构的安全系数[16-17]，如图10所示。

图10 安全系数

矩形截面轴心及偏心受压构件的抗压强度：

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受压构件的抗拉强度：

(2)

式中:b为截面宽度，取1 m；h为截面厚度；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。

提取各工况安全系数的最小值，计算最小值增加倍数(相对素混凝土衬砌)，如表11所示。

表11 安全系数最小值增加倍数

由图10及表11可知：

(1) 试验后各工况结构安全系数最小值均位于上盘隧道部分，这说明断裂黏滑错动对上盘隧道结构内力的影响大于下盘。

(2) SFRC、SBFRC、SPFRC衬砌结构安全系数最小值分别为1.39、1.55、1.62，比素混凝土衬砌结构安全系数最小值(0.33)分别增加了4.22倍、4.68倍和4.89倍。混杂纤维混凝土衬砌(工况3～工况4)结构安全系数最小值增加倍数优于钢纤维混凝土衬砌(工况2)。

(3) 混杂纤维混凝土衬砌(工况3～工况4)抗压强度弱于钢纤维混凝土衬砌(工况2)，韧性强于钢纤维混凝土衬砌，结构安全性优于钢纤维混凝土衬砌。故在提高隧道抗错断性能方面，纤维混凝土的增韧作用强于增强作用。

4 结 论

(1) 在纤维掺量同体积条件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增强效果稍好， SBFRC、SPFRC增韧效果好于SFRC；SBFRC增强效果略好于SPFRC，SPFRC增韧效果稍好于SBFRC。

(2) 隧道纤维混凝土衬砌主应力抗错断效果达30%～40%，第一主应力抗错断效果优于第三主应力；纵向应变抗错断效果达80%～90%；接触应力增加倍数最大值增大百分比达20%～30%；结构安全系数最小值增加倍数达4倍～5倍。

(3) 隧道混杂纤维(SBFRC、SPFRC)混凝土衬砌主应力、纵向应变、结构内力抗错断效果优于钢纤维混凝土衬砌，SPFRC衬砌结构抗错断安全性最高。

(4) 混杂纤维混凝土衬砌抗压强度弱于钢纤维混凝土衬砌，韧性强于钢纤维混凝土衬砌，结构安全性强于钢纤维混凝土衬砌。故在提高隧道抗错断性能方面，纤维混凝土的增韧作用强于增强作用。