高烈度地震区跨断层隧道不同厚度减震层减震效果分析*

崔光耀，石文昊，王明胜，邱枫博

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中国中铁隧道集团有限公司，广东 广州 511458)

0 引言

新时期我国对西部山区持续进行交通开发建设，对线路进行规划设计过程中会穿越断层破碎带。断层破碎带一般出现在高烈度地震山区[1-2]，当地震发生时，跨断层隧道结构将遭受严重破坏。因此，对高烈度地震区跨断层隧道减震技术进行研究十分必要[3]。

目前，国内外学者针对高烈度地震区跨断层隧道减震技术问题开展研究：文献[4-5]对强震影响穿越断层破碎带隧道机理进行研究；文献[6-7]对使用不同种类材料减震层的抗震效果进行分析；文献[8-9]对使用断层注浆加固的减震技术进行研究；文献[10-12]对施设减震缝跨断层隧道减震技术进行研究；文献[13]针对施设在不同位置减震层的减震效果差异进行研究。上述研究主要集中于影响机理、减震层材料、减震措施等方面，但针对高烈度地震区跨断层隧道减震层厚度对减震效果影响的研究较少。

因此，本文以达万高速天坪寨隧道F1断层段为研究背景，利用有限差分数值软件FLAC3D对跨断层隧道施设不同厚度减震层减震效果进行研究，研究结果可为高烈度地震区跨断层隧道抗震设计提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

达万高速天坪寨隧道F1断层段位于四川盆地东部边缘构造侵蚀中山区，为“人”字形中山地貌，属新华夏系四川沉降带的川东褶皱带。拟建隧道围岩主要为软质岩的粉砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、长石石英砂岩、灰岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩和泥质粉砂岩等组成的Ⅳ级围岩，底部基岩为Ⅱ级围岩。隧址区内F1断层倾角约70°～80°，破碎带宽10～25 m，主要由断层角砾和断层泥组成，为Ⅴ级围岩。

1.2 支护结构设计

目标隧道段按新奥法施工原理进行设计，采用复合式衬砌曲墙带仰拱型式。初支材料为C25喷射混凝土，厚度250 mm；二次衬砌材料为C25模注混凝土，厚度450 mm。

2 研究情况

2.1 计算模型

以达万高速天坪寨隧道F1断层段为研究背景，建立有限差分计算模型，计算模型属弹塑性模型，屈服准则采用摩尔-库伦准则。隧道埋深40 m，纵向开挖深度100 m，模型宽度90 m，基岩厚度取模型底部向上20 m，断层倾角约80°，与隧道正交，断层破碎带宽度约10 m，位于模型中部左右各5 m。

计算模型边界条件包括2部分：1)进行静力分析时，模型四周及下边界全约束，上边界无约束。2)进行动力分析时，模型四周采用自由场边界，下边界采用静态边界。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

2.2 计算参数

因隧道施工一般选用海绵橡胶板、泡沫混凝土等作为减震层材料，所以计算模型采用海绵橡胶板作为减震层材料。减震层施设于围岩与初支间，围岩参数源自地质勘测资料，计算参数见表1。

表1 计算参数

2.3 计算工况

为研究跨断层隧道施设不同厚度减震层减震效果差异，设计计算工况见表2。

表2 计算工况

2.4 动力参数

计算模型采用自由场边界条件，利用局部阻尼进行计算，局部阻尼系数0.157 1，加载方式为常规动力加载，根据地下工程常用地震波输入方式[14]，将地震波从x,y,z3个方向同时由模型底部向模型上部传递。隧道抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20 g，地震波选用卧龙测站所测汶川地震加速度波进行计算，按照8度地震烈度标准化，持续时间为15 s。使用滤波软件对地震波进行滤波与基线校正，得到地震波加速度时程曲线，如图2所示。

图2 地震波加速度时程曲线

2.5 测点布置

模拟共取7个监测断面，沿隧道纵向平均分布，每个监测断面间隔12.5 m，监测断面布置如图3所示。其中Ⅴ级围岩破碎带中心处取S4断面，破碎带左右Ⅳ级围岩各取3个监测断面。分别在各断面拱顶、左拱肩、左边墙、左拱脚、右拱肩、右边墙、右拱脚、仰拱8个位置布设监测点，测点布置示意如图4所示。

图3 监测断面布置

图4 测点布置示意

3 减震效果分析

3.1 结构位移分析

提取震后二衬结构横向与竖向最大位移，根据位移最大值计算工况2～5减震效果(以工况1为对比)，二衬结构横向及竖向最大位移见表3。

表3 二衬结构横向及竖向最大位移

二衬结构横向及竖向最大位移主要位于断层破碎带处。由表3可知，工况2～5横向位移最大值分别为5.84，5.78，5.44，5.63 mm，相比工况1(不施设减震层)均有所减小，工况4减震效果相对工况1增加5.88%，减震效果相对最优；工况2～5竖向位移最大值分别为14.27，14.17，14.00，14.01 mm，相比工况1(不施设减震层)均有所减小，工况4减震效果相对工况1增加8.50%，减震效果相对最优。因此，工况4即施设减震层厚度为150 mm时，在控制横向及竖向位移方面效果相对最优。

3.2 结构主应力分析

提取震后二衬结构最大与最小主应力云图(以工况2～5为例)，如图5～6所示。根据主应力值计算工况2～5减震效果(以工况1为对比)，计算结果见表4。

由图5～6可知，最大主应力纵向主要位于断层破碎带处，横向主要位于仰拱与左拱肩处。由表4可知，工况1(不施设减震层)二衬结构最大主应力最大值为0.35 MPa，相比工况1(不施设减震层)，工况2～5最大主应力最大值均有所减小。工况2～5最大主应力最大值分别为0.31，0.27，0.22，0.25 MPa，减震效果分别增加11.53%，21.04%，36.02%，29.11%，其中，工况4减震效果相对最优。

图5 二衬结构最大主应力云图

图6 二衬结构最小主应力云图

表4 主应力及减震效果

最小主应力纵向主要位于断层破碎带处，横向主要位于仰拱处。由表4可知，工况1(不施设减震层)二衬结构最小主应力最小值为-6.39 MPa，相比工况1(不施设减震层)，工况2～5最小主应力最大值均有所减小。工况2～5最小主应力最小值分别为-6.26，-6.14，-5.61，-5.94 MPa，减震效果相对工况1分别增加2.03%，3.91%，12.21%，7.04%，其中，工况4减震效果相对最优。因此，在控制最大与最小主应力方面，工况4即施设减震层厚度为150 mm时效果相对最优。

3.3 最大剪应力分析

震后二衬结构最大剪应力云图(以工况2～5为例)如图7所示，根据最大剪应力值计算工况2～5减震效果(以工况1为对比)，计算结果见表5。

图7 震后二衬结构最大剪应力云图

表5 最大剪应力及减震效果

由图7可知，最大剪应力纵向主要位于断层破碎带处，横向主要位于左拱脚处。由表5可知，工况1(不施设减震层)二衬结构最大剪应力最大值为3.10 MPa，工况2～5最大剪应力最大值相比工况1均有所减小，工况2～5最大剪应力分别为2.65，2.57，1.50，2.44 MPa，相比工况1减震效果分别增加14.52%，17.10%，51.61%，21.29%，其中，工况4减震效果相对最优。

3.4 安全系数分析

提取震后二衬结构各监测断面内力数据，根据文献[15]计算二衬结构在不同时步下各监测断面安全系数，并对各监测断面最小安全系数值进行分析，得到二衬结构最小安全系数如图8所示。最小安全系数及减震效果见表6。

图8 二衬结构各监测断面最小安全系数

由图8及表6可知，各工况二衬结构最小安全系数最小值均位于断层破碎带处(S4断面)，工况1最小安全系数最小值为2.50，工况2～5最小安全系数最小值均大于工况1，分别为4.47，4.98，5.45，5.08，相对于工况1，减震效果分别增加44.07%，49.80%，54.13%，50.79%。

表6 最小安全系数及减震效果

工况2～5最小安全系数均大于工况1，且与工况1相比，减震效果分别增加27.72%～44.31%，42.38%～60.34%，52.45%～65.32%，50.10%～63.79%，工况2～5均可提高跨断层隧道结构整体安全性，但提升效果存在一定差异。其中，工况4最小安全系数整体大于工况2、3、5，减震效果提升相对较明显。

4 结论

1)当施设减震层厚度为50，100，150，200 mm时，隧道横向位移减震效果分别增加0.51%，1.53%，5.88%，4.10%；竖向减震效果分别增加6.73%，7.39%，8.50%，8.43%。

2)施设减震层厚度为50，100，150，200 mm时，隧道最大主应力减震效果相对工况1分别增加11.53%，21.04%，36.02%，29.11%；最小主应力减震效果相对工况1分别增加2.03%，3.91%，12.21%，7.04%；最大剪应力减震效果相对工况1分别增加14.52%，17.10%，51.61%，21.29%；结构安全系数减震效果相对工况1分别增加27.72%～44.31%，42.38%～60.34%，52.45%～65.32%，50.10%～63.79%。

3)由结构位移、主应力、剪应力及安全系数分析可知，施设减震层厚度为150 mm时减震效果相对最优。