黏滑错动下地铁隧道结构破坏特征及设防措施

2021-06-17姜久纯

西安科技大学学报 2021年3期

姜久纯

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院)，陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(铁一院)，陕西西安 710043)

0 引言

新疆维吾尔族自治区处于印度洋板块和亚欧板块碰撞的前沿地带，主要有五大地震带。新疆乌鲁木齐市处于西北天山构造带与博格达构造带交汇部位，地质运动强烈且活动断层发育。目前已探明的活动断层有9条，多条断层带上均发生过强震并存在古地震活动，其活动断层数量和规模在全国大中城市是少见的。在修建跨越断层带的隧道工程时，尤其需要关注黏滑错动问题。黏滑错动突发性强，会在较短时间内引起隧道结构弯曲变形，产生塑性区，对活断层附近的衬砌结构造成严重的破坏。因此，隧道穿越断层时采取的设防措施显得尤为重要，相关方面的研究已经成为当前的难点和热点。

国内外学者采用数值模拟、室内试验和现场测试等手段开展了相关研究。GREGOR采用数值模拟研究了隧道结构在穿越断层带时受力情况[1]。LIN等采用现场试验与有限元相结合的方法研究了逆断层中盾构隧道的破坏特征[2]。刘恺等运用数值方法分析了不同倾角和断裂破碎带宽度下隧道位移、结构变形和衬砌内力变化规律[3]。盛越建立三维有限元整体式隧道模型，研究了不同构造的变形缝对隧道受力力学差异和净空扩大量的影响[4]。李林等通过振动台模型试验，提出了优化结构受力变形的抗震组合措施[5]。祁彬溪等运用有限元分析了断层竖向错动速率与断层破碎带交界面动摩擦系数对穿越断层隧道的竖向位移和第一主应力的影响[6]。安韶等基于有限元模型，分析了乌鲁木齐轨道交通2号线的抗断设计流程[7]。崔光耀等基于能量守恒原理结合数值仿真，对错动作用下隧道的抗错断设计方法进行研究[8]。汪振等运用黏性界面模型结合有限元模拟正断层破裂过程，探讨了不同断层错动量和倾角对隧道力学影响规律，建立了隧道安全评价的分类标准[9]。阎锡东等采用属性测度分析理论对隧道塌方、结构失稳风险事件进行了分析，建立了隧道穿越活动断裂带风险评价模型[10]。

综上，在黏滑错动对地铁隧道结构影响方面国内外学者取得了诸多成果，但主要集中在黏滑错动下隧道结构动力响应及破坏机理、结构安全评价方法等[11-14]；在抗错动设防措施方面成果较少，特别是结构分段长度、扩大断面尺寸等方面有待深入研究。

基于现场勘探获得的西山活断层的几何和运动特性等关键参数，文中采用数值分析结合室内试验手段，从黏滑错动下地铁隧道结构受力响应及破坏影响入手，研究衬砌分段、扩大断面等措施对提高隧道抗错断性能的影响，并确定其合理设防参数。可为相关地铁隧道的设防设计提供依据。

1 区域地质特征

乌鲁木齐市地处东天山隆起区与北天山强烈隆起区的交汇部位，沉积有巨厚的中、新生代地层。新构造运动和断层活动强烈，受海西运动以来历次构造运动的影响，形成了一系列轴向北东—南西的褶皱和断裂。

地铁2号线在建设过程中，多次穿越活动断层。其中西山断裂北支东段始于苜蓿沟口，向东延伸至耐火材料厂。该断裂走向N45°—70°E，倾向N，倾角44°～83°，具逆冲性质。地铁2号线线路大角度通过西山断裂北支(如图1所示)。

2 西山断裂带地质勘测

乌鲁木齐主城区地表覆盖有深厚的第四系沉积层，给地质勘测工作带来极大的技术挑战。为准确探明断裂带位置与特征，在详细勘察阶段综合采用了地质调查、工程地质钻探、原位测试等方法进行探测[15-18]。地铁站之间联合钻孔柱状图如图2所示。

根据地球物理探测及综合判识的结果，确定西山逆断倾角为58°，与隧道交角28°，断层上下盘相对垂直滑移设防量取0.65 m。

3 黏滑错动下隧道结构力学响应分析

3.1 建模分析

为完整呈现黏滑错动下隧道结构的变形及破坏形态，并消除边界效应的影响，确定模型尺寸为长度250 m，宽度40 m。隧道埋深依据工程实际取为15 m。土体本构关系为理想弹塑性材料，遵循D-P准则，衬砌结构本构关系采用混凝土本构弹塑性模型。

考虑到模拟黏滑错动效果及支护结构与围岩在错动条件下的接触效果，分别在上下盘断层面、初期支护与围岩相触处设置接触单元。建模如图3所示。

图3 数值模型及接触面单元

在计算参数选取上，穿越西山断层处地层为Ⅴ级围岩，采用注浆措施对围岩加固后，加固区弹性模量、黏聚力大约提高20%～30%。取围岩-初支摩擦系数为0.45，断层面摩擦系数为0.1。具体参数见表1。

表1 工程围岩物理力学指标

3.2 围岩及衬砌结构变形分布规律

西山断层错动作用下地铁2号线隧道围岩与衬砌的竖向变形云图如图4所示。

图4 隧道纵向变形

由图4可知，在黏滑错动后，隧道衬砌结构沿着纵向发生“S”状弯曲变形；下盘仰拱近断层面处出现了明显脱空，由于有限单元法采用连续介质假设，上盘近断层面的拱顶与围岩也出现了脱空。

由于城市浅埋地铁往往围岩条件差，且受到断层破裂面摩擦作用的影响，衬砌结构与周围土体间不一定会出现明显的脱空区，但作用在下盘隧道仰拱及上盘隧道拱顶的围岩压力会有所减小。

3.3 隧道结构塑性区分布规律

在黏滑错动下，隧道结构根据其不同的受力条件会产生相应的弹塑性变形，当其应力超出衬砌材料弹性极限时就会产生塑性区。因而，结构塑性区的范围和大小是判断其受破坏严重程度的重要指标。隧道二次衬砌塑性区分布如图5所示。

图5 隧道二次衬砌塑性区分布

从图5可知，上下盘顶底部受压区及断层面周围拱脚至拱腰区域均出现塑性区。塑性应变峰值出现在下盘拱顶处，峰值达到1.058%。

根据塑性区分布特征，选取隧道衬砌结构拱顶和仰拱2个关键部位的计算结果进行分析。其塑性区沿隧道方向的变化规律如图6所示。

图6 塑性区分布(以拱顶为例)

拱顶在-115～-35 m的范围内(上盘80 m)、仰拱在-60～60 m范围内(上盘60 m、下盘60 m)存在较大的塑性变形。表明黏滑错动作用对隧道衬砌结构安全性存在较大的影响，需要在此断层面上盘80 m、下盘60 m范围内采取一定的设防措施。

4 黏滑错动室内模型试验

4.1 模型试验设计

基于工程实际，研发了大比例(1∶25)、多倾角、宽控速、高精度穿越断层的隧道结构破坏模拟加载试验装置，采用剪切试验装置(如图7所示)来模拟纵向125 m范围内衬砌结构的破坏演化过程。模型尺寸2 m×2 m×5 m，可在保证对断层错动下地层及隧道结构破坏过程有效监测的前提下，提供更符合实际情况的边界条件。

图7 地铁隧道穿越活动断层错动试验加载装置

该隧道剪切模型主要由箱体、水平反力架梁、水平推力源、垂直推力源、推力传动装置5大部分组成。装置采用先进的同步加载系统，既可以精确地进行均衡位移加载，避免了油缸加载的位移不均匀性，又可以进行上下加载用来模拟正、逆断层，实现了以不同速度进行同步加载的试验。可以根据不同需求，按相似比预制隧道模型进行多个不同角度的垂直、水平单独剪切试验和垂直、水平组合互动联合剪切试验。

隧道结构破坏模拟加载试验装置的工作原理如图8所示。

图8 装置工作原理

试验材料选择：土体采用河沙、重晶石、粉煤灰、机油等配制而成，用于模拟断层带处的破碎围岩；隧道衬砌则采用石膏浇筑成型。

试验几何相似比为1∶25，其余各物理量的相似比分别为：弹性模量相似比CE=25，泊松比相似比Cμ=1，应力相似比Cσ=25，应变相似比Cε=1。原型与模型材料的物理力学参数见表2。

表2 试验材料物理力学指标

4.2 黏滑错动试验结果分析

在洞内位移方面，隧道竖向收敛值纵向分布曲线如图9所示。可以看出在-0.76～0.5 m(-2.6D～1.7D)范围内隧道竖向收敛值明显增大，表明下盘拱顶及上盘仰拱受错动引起的竖向挤压作用显著；7 cm错距下在下盘距断层迹线处隧道竖向收敛值达到最大值3.2 mm，竖向收敛值向两侧逐渐减小趋于平稳，直至两端接近为零，如图9所示。

图9 隧道竖向收敛值纵向分布曲线

在隧道破坏形态方面，选取了加载后隧道衬砌穿越断层面受损严重的节段进行分析，如图10所示。

图10 隧道破坏形态

该节段直接穿越断层面，受剪切作用最为明显，在断层迹线处隧道墙脚附近出现条斜裂缝，且斜裂缝开裂方向与断层方向一致，属于沿断层倾角方向的剪切破坏；该节段同时出现环向裂缝，结合隧道结构纵向弯曲变形特征可知，此处的环向裂缝是由于结构纵向拉应力超过抗拉强度引起的，属于纵向拉弯破坏。

5 隧道设防措施研究

国内外针对于应对黏滑错动的设防措施主要有2大原则：一是扩大隧道断面，预留断层错动空间，也为后期预留一定的维修补强空间。二是对隧道结构采用分段的方式，以减小黏滑错动后隧道的破坏范围及程度。黄强兵、刘学增等人也在此方面有过研究，对分段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，指出分段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[19-25]。

主要从断面尺寸扩大和结构分段设计两方面展开分析，以确定合理的设防措施。