徐同启,李守刚

(兰州铁道设计院有限公司,兰州 730000)

引言

随着国家交通发展需要，尤其是西部大开发的推进，崇山峻岭中的建设项目日益增多，复杂工程地质也渐趋普遍，而断层破碎带风险较高。隧道穿越断层破碎带会因地震或活断层长期蠕滑错动而引起结构发生严重破坏[1-2]，影响交通工程的安全运营，故隧道工程遇到活断层应以避让为主。敦格铁路阔克萨隧道地处祁连褶皱系阿尔金山断块的党河南山—青海南山断褶带，穿越活动逆断层，由于该断层东西向延伸约84.5 km，线位绕行工程量过于巨大，故线路没有避让。为保证隧道在断层错动中免遭过大破坏，对隧道抗错动设计与结构在断层错动中受到的影响展开研究。目前，主要采用的研究方法有快捷方便的数值模拟法和更具针对性的模型试验法。

在数值计算方面，诸多学者开展了隧道在穿越断层方面的研究。李学锋等[3]借助ABAQUS软件，依托棋盘石跨断层隧道建立模型，根据隧道围岩接触压力、衬砌最大轴力和衬砌塑性应变，寻找最优变形缝间距；孙礼超等[4]运用ANSYS软件，对乌鲁木齐1号线九家湾断层带进行分析，为隧道抗断设计提供参考依据；王道远等[5]以某跨断层隧道为研究对象，基于其数值模型，对素混凝土与纤维混凝土结构的受力特性与抗错效果进行比较分析；陈海亮等[6]利用数值软件对跨断层隧道衬砌的变形规律及损伤机理进行探索；张海龙[7]借助EERA软件，对穿断层地铁设计进行研究；陈泽龙等[8]通过数值计算，以断层带塑性区预测隧道突水突泥时机；周佳媚等[9]以FLAC3D对某穿断层隧道进行数值分析，通过调整断层错动量和地震波方向，着重研究地震作用下断层错动对隧道的影响。

在模型试验方面，刘学增等[10-11]对断层角度、位移、走势展开室内试验研究，探究断层黏滑错动对隧道结构的影响；王道远等[12-13]通过室内模型试验，研究逆断层错动下隧道结构纵环向应变与围岩压力变化规律并提出合理抗错断设防长度；徐前卫等[14]采用模型试验与数值计算相结合的手段，以围岩的受力变形为重点，对跨断层隧道施工展开研究；李守刚[15]通过两组模型对比试验，对减震缝与减震层的抗错动效果进行比较；孙飞等[16]借助模型试验对乌鲁木齐1号线受九家湾断层带错动影响下的破坏展开研究。

尽管目前对穿越断层隧道的研究已取得较多成果，但针对断层两侧围岩性质相差较大工况下采用柔性连接设计的研究却较少，以阔克萨隧道为工程背景，以数值模拟与模型试验相结合为手段，对断层错动时隧道结构影响变化进行深入探索，既能为该隧道的设计提供参考依据，也是对跨断层隧道研究的补充。

1 工程概况

阔克萨隧道地处甘肃省酒泉市阿克塞县，起讫里程DK191+009～DK191+533，全长524 m，最大埋深约55 m，为Ⅰ级单线电气化铁路。隧区地层由上到下依次为第四系上更新统洪积粉土、细角砾土和以断层泥、断层角砾、碎裂岩为主的构造岩。隧道于DK191+068处穿F3逆断层，南盘为上升盘，Ⅳ级围岩，出露震旦系长城组石英片岩；北盘为下降盘，Ⅴ级围岩，出露第三系泥岩夹砾岩。该断层为震旦系石英片岩地层逆冲到上第三系泥岩夹砾岩之上，致使两侧围岩差异较大。断层为全新世活动断层，有明显活动痕迹，未来100年有发生地震错动的可能，预测突发竖直向错动量为2.8 m，断层两侧强烈挤压，近东西向展布，倾角48°～75°，隧道穿断层纵断面见图1。

图1 隧道穿断层纵断面示意

借鉴以往穿断层隧道设计的成功经验，初步考虑对阔克萨隧道采用以下加强措施：①设置柔性接头作为减震缝；②加固围岩；③设置减震层(缓冲层)；④超挖设计。本次主要验证对该隧道结构每12 m为一节段设置减震缝设计的抗错动效果。

2 数值模拟

2.1 三维模型

隧道穿断层处埋深14 m，模型断层面角度取最不利值75°。模型尺寸为：纵向(z轴)以断层面与隧道交叉处为中心前后各取55 m，水平向(x轴)以隧道外轮廓线向外3倍洞径为左右边界，竖直向(y轴)范围取断层顶至隧道底下3倍洞径处，即110 m×70 m×65 m。采取模型下盘为固定盘，上盘为上升活动盘对逆断层活动进行模拟。下盘除顶面为自由，其他面均施加法向位移约束；上盘底面与前端面采用位移速率边界，顶面为自由，两侧面均施加水平向位移约束，三维模型如图2所示。

图2 隧道三维模型

2.2 计算参数

隧道围岩、初期支护、二次衬砌结构及减震缝均采用实体单元来模拟，围岩选用Mohr-Coulomb本构模型，初期支护、二次衬砌结构和减震缝的填缝材料均采用Elastic本构模型，断层面采用Interface单元模拟。根据工程勘测资料、试验数据与相关规范并结合等效计算，具体物理力学参数见表1。

表1 数值模型材料参数

2.3 计算结果及分析

考虑到篇幅有限，本文从结构应变入手，对断层错动影响进行研究。定义α为断层错动影响系数，且

α=(β′-β)/β

(1)

式中，β为断层错动前的初始应变值；β′为断层错动后的应变值。

图3为隧道结构设置减震缝与未设置减震缝两种工况下，隧道纵、环向断层错动影响系数对比。

图3 隧道纵、环向断层错动影响系数

由图3可知，隧道结构在设减震缝后，纵、环向断层错动影响系数均大幅度降低，说明结构抗错动能力得到较大提高。其中，边墙处最大纵向影响系数由17.64降低为10.03，降幅达43.14%；最大环向影响系数由19.04下降为11.81，降幅为37.97%。邻近断层范围内，同样距离情况下，设减震缝的断层影响系数降低较快，消能减震作用明显，影响范围主要集中在距断层18 m(约2倍隧道洞径)范围内。

各处最大影响系数均出现在与断层相交附近，其中又以边墙处受影响最为严重，拱顶次之，仰拱最小。从断层两侧看，下盘断层影响系数降低较慢，大于距断层相同距离的上盘，说明断层错动对下盘影响更大。因此，当断层两侧围岩差异较大时，岩性较差盘的隧道边墙要特别注意，应对设计参数进行加强，与文献[17]比较可知，在逆断层错动中，隧道在围岩弱的盘比隧道在上升盘受到的影响会更大。

3 模型试验

由数值模拟可知，减震缝设计抗错动效果显著，以下通过室内模型试验进行验证。

3.1 试验装置

试验装置如图4所示，由升降系统、支撑系统与监测系统共同构成。模型箱底部由可以活动的左盘和固定右盘组成，借助千斤顶对左盘升降进行控制。为降低模型箱对隧道结构边界效应影响，方便保证模型箱与隧道结构的比例，最终确定模型箱尺寸为2.5 m(长)×1.5 m(宽)×1.5 m(高)。

图4 试验装置

3.2 相似材料

由阔克萨隧道的实际工程情况与室内试验所能达到的条件确定几何相似比为30，基于相似定律推出模型各参数的相似比，见表2。

表2 各物理量相似关系

断层处隧道上下盘围岩性质差异较大，根据现场物理力学参数试验与TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[18]确定断层两侧Ⅳ、Ⅴ级围岩参数的取值，根据相似比算出模型材料参数值，见表3。

表3 围岩与模型材料参数

在参考相关文献[19-20]的基础上，经过1个多月的试验与筛选，得出围岩相似材料的最佳配比，见表4。

表4 围岩相似材料配比

断层破碎带通常用黄砂模拟，但由于该断层模型上下盘围岩差异较大，PVC板方便隔开，且用两层PVC板中间涂黄油可以很好地模拟断层错动，满足试验需求。

隧道结构支护方式为复合式衬砌，选用石膏进行模拟，制作模型时将初支与二衬综合考虑，膏水比为1.55∶1，弹性模量为744.4 MPa。隧道各段衬砌则通过5 mm厚天然橡胶条连接，起到模拟减震缝作用。制作后模型见图5。

图5 隧道模型

3.3 量测内容

随着抬升上盘模拟逆断层错动，对隧道结构受力变形情况进行量测，并与数值计算结果比较，验证抗错动效果并确认最不利位置。模型试验共设置10个监测断面，均位于减震缝10 cm处，每处断面拱顶、仰拱与左边墙处布置环向应变片和土压力盒，纵向应变片则设置在右边墙处。本次试验所使用的测试元件为B×120-8AA型电阻应变片、0.5 MPa微型压力传感器及动态应变采集仪。量测具体布设情况如图6所示。

图6 量测布设

将断层百年竖向预测错动量2.8 m通过相似比30换算得9.33 cm，即试验中上盘竖向设计移动量为9.33 cm。待填料、埋设隧道结构、布置测试传感器后，利用上盘底座下的千斤顶同步抬升9.33 cm，以百分表对位移量进行量测控制。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 隧道结构应变分析

图7为各量测处纵、环向断层错动影响系数，与图3数值计算结果反映的变化规律较为吻合。纵、环向影响系数均在与断层交界处达到最大，随着远离断层，影响系数降低较快；从整体变化波动来看，断层错动对下盘的影响大于对上盘影响，对环向应变影响大于纵向应变，对边墙影响大于拱顶及仰拱，但边墙、仰拱与拱部三者影响线形态基本相似，强烈波动段的范围较为接近。

图7 纵、环向断层错动影响系数

需要说明的是，相较于理想状态的数值模拟，模型试验实际在量测中会受到各种因素影响，虽然试验量测值略小于数值计算值，并非完全吻合，但所揭示的影响系数变化规律基本一致，验证了数值模型与室内试验模型的可靠性。

3.4.2 隧道结构破坏情况分析

通过破坏程度与特征对模型试验中隧道结构逐一进行分析，与断层相交的3号节段破坏最为严重，但与未加入减震缝模型试验的破碎结果相比[10]，隧道整体保持了完整性，可见减震缝的加入让隧道结构抗错动性能有了很大提升。

3号节段破坏情况如图8(a)所示，宽1 mm的纵向裂缝沿着拱顶贯穿整个3号节段，并在与断层相交处延伸出一条至拱脚的斜裂缝；两侧边墙较大部分发生纵向断裂，拱脚到墙角范围发生错位，为破坏最严重部位；仰拱出现一条0.5 mm“V”形环向裂缝，环向贯穿仰拱。

2号节段破坏特征与3号节段较为相似，但破坏程度降低较大，如图8(b)所示。宽0.5 mm的纵向裂缝沿着拱顶贯穿整个2号节段，并在拱顶中部延伸出一条长7.5 cm的斜裂缝；右边墙墙腰为一条1 mm纵向裂缝，两侧墙脚各出现一条1 mm贯穿整段的纵向裂缝。仰拱也出现了一条0.5 mm“V”形环向裂缝。

4号节段较3号节段的破坏程度降低更大，如图8(c)所示。拱顶中部仅产生一条宽0.5 mm、长8 cm纵向裂缝；右边墙墙腰有一条1 mm的斜裂缝，两侧墙脚各出现一条0.5 mm贯穿整段的纵向裂缝；仰拱未有裂缝产生。

图8 隧道结构破坏情况

随着上盘向上错动，隧道整体发生向上的位移，而外覆土体对隧道向上的位移具有较强约束作用，使得隧道底发生上鼓变形，隧道顶发生挤入变形。由于墙脚部位是几何突变点，应力集中现象明显，且底板的上鼓变形使得墙脚位置形成较大弯矩，导致隧道边墙底部出现了明显的纵向裂缝乃至断裂。此外，由于下盘内隧道结构发生整体向上的位移，只在断层接触面附近的相对位移较大，产生了部分斜向裂缝，其他部位由于减震缝的设置，削弱了衬砌间的相对位移，因此，环向裂缝较少。整体来看，与断层相交的3号节段边墙为最不利处。2号、4号节段的损坏程度降低明显，减震缝保护作用显著，下盘的破坏程度明显大于上盘，与数值计算结果相符。

4 结论

通过分析逆断层错动下隧道结构的数值计算与模型试验结果，二者互相验证，揭示的规律较为吻合，主要得到以下结论。

(1)隧道结构在设置减震缝后，抗错动能力得到较大提高，其中最大纵向影响系数降幅达43.14%，最大环向影响系数降幅为37.97%。

(2)断层错动对围岩较弱的下盘影响更大，在逆断层中，围岩强弱比隧道是否处在上升盘的影响性更大。

(3)隧道与断层相交处结构的边墙破坏最为严重，为最不利处，拱顶次之，仰拱最小。