断层错动下节段式隧道设计参数及安全性分析

邓忠富

摘要：鉴于山岭隧道穿越地震活动带的逆断层时易受断层滑动的影响，文章采用数值分析方法，对断层错动下的减震型节段衬砌隧道设计参数进行安全性分析。结果表明：隧道施工过程中应进行径向注浆加固，采取Φ42mm小导管进行径向注浆，加固圈为开挖轮廓线外3.7m;逆断层错动下，位于上盘的衬砌节段易发生拉破坏，位于下盘的衬砌节段易发生压剪破坏;最易发生破坏的节段为与断层面相交的3^#衬砌节段;随着错距增大，逆断层型式下节段式衬砌结构的抗压、抗裂及抗剪安全系数呈现逐渐降低的趋势，最易发生破坏的位置为与断层面相交的3^#衬砌节段，破坏型式为压剪破坏，破坏的部位常出现在仰拱与拱顶位置;逆断层错动下，处于下盘（固定盘）的衬砌节段抗裂安全性大于上盘衬砌节段，处于上盘（移动盘）的衬砌节段抗压、抗剪安全性大于下盘衬砌节段;去除端部效应，距离断层面越近，衬砌节段安全性越小，需采取加强措施。所得结论对今后类似工程具有重要的参考和借鉴价值。

关键词：隧道工程;断层错动;节段式衬砌;衬砌厚度;加固注浆;安全性分析

中图分类号：U452.2文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.035

文章编号：1673-4874（2021）01-0126-05

0引言

山岭隧道穿越地震活动带的逆断层，易受逆断层滑动的影响，近年来逐渐受到研究人员的关注。国内外诸多学者采用理论分析[1-4]、物理实验[5-8]、数值模拟[9-10]、工程类比[11]等方法对相关问题进行了研究。其中较为典型的有宋成辉等[1]对内马铁路隧道穿越东非大裂谷活动断裂带的隧道进行了抗震分析和断层位错处理，为我国即将开展川藏铁路隧道的勘察和设计提供借鉴和设计依据;闫高明等[5]以跨断层龙溪隧道为依托，采用振动台模型试验研究了单一错动方式与断层错动-震动综合加载方式下带有接头的衬砌结构响应;李学锋等[9]运用ABAQUS有限元分析软件，建立穿越活动断裂带的隧道模型，分析断层错动下不同节段长度隧道围岩压力分布情况、二次衬砌最大轴向应力变化情况以及隧道塑性应变发展规律;丁秀丽等[11]采用工程实例搜集与综合对比分析方法，系统整理了国内外10个隧洞穿越活动断层的工程案例，认为设置柔性连接段、扩大断面尺寸、洞内明管、复合衬砌是当前隧洞抗断的主要措施。

综上所述，铁路隧道穿越多条活动性断层，可供借鉴的经验较少，对隧道结构设计提出挑战。活动性断层段隧道围岩及支护结构变形机理、隧道衬砌结构型式及支护参数都是亟待解决的技术难题。为保证活动断层段隧道结构稳定、运营安全，本文基于敦格铁路隧道特点，通过数值模拟，对断层错动下的减震型节段衬砌隧道设计参数进行研究及安全性分析，从而确定活动性断层隧道衬砌结构设计参数，为类似工程结构设计与施工提供科学依据。

1工程简介

敦煌至格尔木甘肃段阔克萨铁路隧道穿越祁连褶皱系阿尔金山断块，由于受到多期地质构造的影响，该褶带地质构造较为复杂。工点范围内沟谷发育，地形凌乱，植被稀疏。隧道洞身全段位于F3断层破碎带内。隧道纵断面如图1所示。

2活动性断层隧道结构设计参数研究

2.1断层错动下隧道衬砌厚度参数设计

为了研究断层错动下隧道衬砌结构断面尺寸对结构受力、变形的影响，对节段式衬砌厚度分别为30cm、55cm、85cm时断层错动20cm后结构的力学效应进行分析。其中衬砌材料为C45混凝土、节段长18m、特殊变形缝宽10cm。

断层性质为逆断层，断层错动时下盘底部、侧面进行法向位移约束，上盘底部和端部施加位移荷载，实现对上盘施加强制位移，侧面进行位移约束。

（1）衬砌结构变形特征

逆断层错动20cm后，三种截面厚度衬砌变形特征用仰拱中心竖向变形来说明，如图2所示。从图2 中可见不同截面厚度的衬砌变形特征基本一致，受底部强制位移影响，处于错动盘（上盘）中衬砌变形较大;

处于不动盘（下盘）中衬砌受断层错动影响很小，故变形也极小;与断层面相交的衬砌节段变形复杂，出现较大偏转。

（2）结构受力特征

由于断层错动对断层面附近的三个衬砌节段受力影响较大，故取三种工况下三个典型衬砌节段的最大主应力、最小主应力和最大剪应力进行分析。三种工况下三个典型衬砌节段内力统计见图3。

由图3可知：（1）不同截面厚度下，最大主应力（拉应力）、最小主应力（压应力）、最大剪应力皆出现在与断层面相交的3^#衬砌节段上，其次为处于上盘（移动盘）断层面附近的4^#衬砌節段上，再次为处于下盘（固定盘）断层面附近的2^#衬砌节段上;（2）不同衬砌截面中，基本上呈现截面厚度越大、最小主应力与最大剪应力越大的规律，但最大主应力截面尺寸变化的规律不明显;（3）从单纯增大衬砌截面尺寸的措施来抵抗断层错动影响是不可取的。

2.2围岩注浆加固设计

围岩注浆加固有助于改善结构受力状态，在隧道结构设计中采用了围岩加固的设计理念，即在隧道开挖后，采取Φ42mm小导管进行径向注浆，加固圈为开挖轮廓线外3.7m，如图4所示。注浆材料为水泥单浆液或水泥-水玻璃双浆液，水泥标号为525普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为35Be;水泥单液浆水灰比为1.25：1～0.8：1，速凝剂掺量为5%，或通过试验确定;双液浆中水泥浆与水玻璃的体积比为1：1～1：0.6，缓凝剂掺量为2%，或通过试验确定。注浆终压通过试验确定在1.5～4.0MPa范围，注浆扩散半径为0.5m，钻孔深度为4.5m，钻孔倾角为45°;注浆管长度为4.5m，直径为42mm;孔底环向间距为0.8m，纵向间距为0.67m。

3隧道节段式衬砌安全性分析

为了研究活动性断层错动下节段型衬砌中各节段的可靠性，分别对逆断层在不同错距（10cm、20cm、50cm、80cm、100cm）下处于不同位置的衬砌节段受力特征进行比较，并与结构材料的抗力指标相比较，进行安全性评价分析。

3.1计算模型及计算参数

（1）隧道结构

采用岩土数值分析软件FLAC3D进行三维数值模拟，通过下盘固定、上盘向上错动方式来模拟逆断层错动时围岩变形特征及支护结构（二次衬砌）的受力、变形特征。数值计算中隧道结构采用单线隧道复合式结构型式，其中初支为25cm厚的C25喷射混凝土，钢架（H175）间距为0.6m，二衬厚为55cm，为钢筋混凝土，详见图5。

（2）模型尺寸及物理力学参数

三维数值模型计算范围选取：沿隧道轴线纵向（z轴）取50m，隧道横截面方向（x轴）长为56m，约取隧道跨度的6倍，垂直方向（y轴）取62m，隧道处于模型中偏上部位，隧道埋深为24m。断层面倾向与隧道轴线方向一致，倾角为75°。

断层上盘岩体为IV级围岩、下盘为V级围岩（模拟断层带岩体），隧道围岩、初期支护及二次衬砌结构采用八节点六面体单元来模拟。模型共剖分303852 个单元，共有53985个节点。三维数值计算模型如图6所示。数值计算中采用的等效物理力学参数见表1。断层面采用Interface单元模拟，断层面力学参数的法向刚度为20.76GPa，切向刚度为20.76GPa，摩擦角为23.5°，内聚力为0.125MPa，抗拉强度为47.9kPa。

（3）边界条件

在数值模型试验中，模型断层下盘固定，即下盘左右侧为水平（X轴方向）约束，后端面为法向（Z轴方向）和竖向（Y方向）约束，底部为竖向（Y方向）约束，其他为自由边界。上盘左右侧为水平（X轴方向）约束，顶面为自由边界（即无约束），底部及端部（Z轴方向）为位移边界，施加位移方向为断层倾斜方向，通过下盘固定、上盘向上发生相对位错实现逆断层错动，如图7所示。

3.2不同工况下衬砌节段受力对比

逆断层错动时，5种工况下（即错距分别为10cm、20cm、50cm、80cm、100cm）不同位置的衬砌节段所受的最大拉应力（最大主应力）、最大压应力（最小主应力）与最大剪应力值统计如图8所示。不同错距下3^#衬砌节段最大压应力和剪应力拟合曲线见图9。

由图8和图9可知，逆断层在不同错距下最大压应力和剪应力出现在与断层面相交的3井衬砌节段上，其值随着错距增大而呈线性增大，且下盘各节段受到的压应力和剪应力普遍大于上盘节段。最大拉应力值随着错距增大而增大，但出现的位置规律性不明显，但下盘节段最大拉应力值普遍大于下节段。逆断层错动后应力变化较明显的衬砌节段为与断层面相交的3^#衬砌节段、位于下盘的1^#、2^#衬砌节段及位于上盘靠近断层面的4^#节段。因此逆断层错动下，1^#～4^#衬砌节段安全性明显降低。

3.3不同错距下各节段安全性分析

逆断层错动下各节段的安全性的定量评价，可根据结构的受力和结构的抗力值相比较来分析。在此定义安全系数为结构抗力与作用效应之比。C45混凝土的抗拉极限强度为2.9MPa，弯曲抗压极限强度为4.1MPa，抗剪极限强度为4.65MPa。根据计算结果，各种工况下各节段抗拉、抗压、抗剪安全系数统计见图10。

由图10（a）可知：（1）不同错距下与断层面相交的3^#节段抗拉安全系数最小，其次为位于上盘（错动盘）的2^#节段，而处于下盘的节段抗拉安全性系数相对较大;（2）随着错距增大，节段最小抗拉安全系数呈降低趋势。

由图10（b）可知：（1）不同错距下与断层面相交的3^#节段抗压安全系数最小，其次为位于下盘的2^#、1^#节段，安全系数皆<1，而处于上盘的各节段抗压安全性系数相对较大，皆>1;（2）随着错距增大，各节段抗压安全系数呈明显降低的规律。

由图10（c）可知：（1）不同错距下与断层面相交的3^#节段抗剪安全系数最小，其次为位于下盘的2^#、1^#节段，安全系数皆<1，而处于上盘的各节段抗剪安全性系数相对较大，皆>1;（2）随着错距增大，各节段抗剪安全系数呈明显降低的规律。

4结语

本文采用数值分析方法，对断层错动下的减震型节段衬砌隧道设计参数进行研究及安全性分析，得出如下结论：

（1）不同衬砌厚度下，与断层面相交的3^#衬砌节段上出现最大内力值，且基本上呈现衬砌厚度越大、最小主应力与最大剪应力越大的规律，从单纯增大衬砌截面尺寸的措施来抵抗断层错动的影响是不可取的。隧道施工过程中应进行径向注浆加固，采取Φ42mm小导管进行径向注浆，加固圈为开挖轮廓线外3.7m。

（2）逆断层错动下，位于上盘的衬砌节段易发生拉破坏，位于下盘的衬砌节段易发生压剪破坏。最易发生破坏的节段为与断层面相交的3^#衬砌节段。

（3）随着错距增大，逆断层型式下节段式衬砌结构的抗压、抗裂及抗剪安全系数呈现逐渐降低的趋势，最易发生破坏的位置为与断层面相交的3^#衬砌节段，破坏型式为压剪破坏。破坏的部位常出现在仰拱与拱顶位置。

（4）逆断层错动下，与断层面正交的3^#衬砌节段安全性最小。处于下盘（固定盘）的衬砌节段抗裂安全性大于上盘衬砌节段，处于上盘（移动盘）的衬砌节段抗压、抗剪安全性大于下盘衬砌节段。去除端部效应，距离断层面越近，衬砌节段安全性越小，需采取加强措施。

参考文献

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