近发震断裂带古城隧道设计研究

刘 志

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030000)

发震断裂是指全新世(距今1.1万年)以来发生过中强地震活动的断裂带。发震断裂对隧道的破坏主要有两类:高烈度地震引起的隧道震动破坏和断裂错动引起的隧道结构破坏[1]。隧道穿越或邻近发震断裂带时,岩层褶皱、断层发育较多,岩层倾向不定、岩体破碎、围岩稳定性较差等因素对工程设计方法的影响较大。随着工程质量要求不断提高和工程技术的发展,公路隧道抗震设计越来越受到研究人员的重视。

1 工程概况

1.1 隧道概况

古城隧道为分离式两车道公路隧道,设计等级为一级,时速为60km/h。隧道左线全长193m,右线全长170m,左右线净距约15m,为小净距隧道。隧道平面线型为直线,设计横坡为2%,隧道最大埋深56m。隧道围岩分级主要有V级和IV级。隧址区地震动峰值加速度为0.2g,地震基本烈度为Ⅷ度,地震反应谱特征周期为0.45s。

1.2 隧址区工程地质概况

围岩主要由寒武系上统白云岩组成。岩层产状主要为层状、厚层状,中风化,层间结合差,受隧道出口端罗云山山前断裂影响,隧道围岩节理裂隙发育,岩体破碎呈碎裂状结构,围岩稳定性差。

2 隧道勘察

罗云山断裂位于临汾盆地西侧,是由一系列断层组成的复杂断裂带,具有右旋走滑正断性质,属全新世活动断裂,该断裂在地质年代第四纪中更新世和晚更新世期间活动强烈。断裂带自北向南分为6段,各段活动性有明显差异。

勘察期间,对区域断裂发育情况进行了详细核查和调绘。隧道段位于罗云山断裂尉村段,断裂带总长约20km,正断层,断层倾向为140°,倾角约为70°。断层上盘位于山前倾斜平原区,地层以第四系粉土、粉质黏土、卵石为主,下盘为寒武系上统白云质灰岩、白云岩,断层断距大于200m,断层破碎带影响范围约200m。古城隧道隧址区发震断裂位置图见图1。

图1 古城隧道隧址区发震断裂位置图

3 隧道结构设计

房屋建筑抗震结构设计的主要方法是抗剪切以阻止结构物在水平力和竖向力作用下的变形趋向于“平行四边形化”。此次隧道结构设计也借鉴了该设计方法。通过受力分析计算,找出隧道衬砌内力值变化明显的薄弱点作为抗震设计的重要考虑部位,进行结构加强或采取抗震措施。此次设计中,采用钢筋混凝土对衬砌结构进行加强,并对隧道内轮廓进行了优化,使衬砌结构轮廓尤其是拱架部位更加“圆顺”从而加强抗变形能力,提高抗震性能。

3.1 隧道内轮廓设计

隧址区域邻近发震断裂或受发震断裂影响时,隧道内轮廓设计除应增加考虑发震断裂错动、震动对衬砌结构造成的破坏外,还应考虑结构发生破坏后便于维修加固的因素。隧道内轮廓与建筑限界之间的留空距离较标准设计有所加大。内轮廓断面设计还参照类似工程设计经验,通过比较不同内轮廓下衬砌结构的内力分布情况进行优化设计,最终确定隧道设计的内轮廓。设计的建筑限界与内轮廓最小距离由5cm增大至35cm,内轮廓只在拱部和边墙部位加大,断面优化结果如图2所示。

图2 古城隧道内轮廓设计图(单位:cm)

3.2 隧道衬砌结构设计

隧道区域地震烈度为8度,地震动峰值加速度为0.2g。按照《公路隧道抗震设计规范》,对应抗震设防措施等级为IV级。由于隧道埋深较浅,为增加隧道衬砌结构的延性以提高其抗震性能,初期支护利用下部采用T型连接的形式加厚拱脚处二次衬砌厚度。二次衬砌结构采用钢筋混凝土结构[2],隧道衬砌支护参数如表1所示。

表1 隧道复合式衬砌主要参数表

3.3 小净距段结构设计

隧道进口进洞受地形、征拆等影响,左右线净距较小。隧道左右线净距设计为15m,为减小小净距对隧道开挖的影响,隧道设计时采用中隔壁法开挖以降低小净距开挖对围岩稳定性的影响[3]。为减小地震工况下变形对中间岩柱的影响,在左右线之间设预应力锚杆加固中间岩柱,锚杆直径25mm,长度6m,间距80cm×80cm。隧道中间岩柱对拉锚杆加固图见图3。

图3 隧道中间岩柱对拉锚杆加固图

3.4 隧道洞口边仰坡防护设计

隧道进口左线左侧地形偏压,且边仰坡倾角约1∶0.75。根据地质勘察资料,岩层倾角(34°)与视倾角(32.20°)相差较小,岩层倾斜方向基本朝向洞口,洞口边仰坡稳定性较差,有顺层滑动风险。

为保证隧道洞口边仰坡稳定性,设计方案舍弃普通锚喷支护方式,并将洞顶以上的永久边仰坡坡率调整为1∶0.3来降低边仰坡高度和级数,明洞回填采用浆砌片石回填密实,同时,支护措施采取长锚杆+钢筋混凝土护面墙组合的形式。其中,锚杆长度6m,护面墙厚度40cm,锚杆尾部与护面墙钢筋连接形成整体。最终边仰坡支护形式见图4。

4 隧道抗震措施设计

除加强结构设计外,抗震措施设计也是隧道设计的重要环节。设计过程中,隧道埋深较浅段、明洞段、洞门墙段、洞内围岩变化段等均是隧道抗震设防措施设计的重点段落。

4.1 抗震设防段的划分

国内外大量地震灾害表明,地震对浅埋、偏压隧道、明洞及洞门的影响较大,对于设防段的长度取值,往往通过经验确定,也有利用有限元法进行的相关研究[4]。此次隧道设计通过对国内在建或已建成隧道设计情况的调查,参照《公路隧道抗震设计规范》要求,抗震设防段的划分按照洞顶埋深50m进行设计。该隧道最大埋深56m,隧道为短隧道,并且在实际设计中抗震设防段一般向标准段适当延长,综合考虑经济性和施工便利性,隧道衬砌均按照抗震设防段进行设计。

4.2 明洞及洞门方案设计

为提高洞口段地震条件下的安全性,洞口明洞采用长明洞措施,洞口段洞门结构形式一般采用明洞式洞门结构,并适当加高洞门上部支挡结构。洞口段受地震动位移影响大,设计时明洞衬砌混凝土等级较正常衬砌提高一级。受地形偏压影响,采用带偏压墙的端墙式洞门结构时,为防止地震作用下墙体开裂或掉落造成安全事故,偏压墙、洞门墙与明洞衬砌之间设置连接钢筋将结构联结为一个整体,降低地震工况时破坏或掉落风险。

4.3 偏压处理措施设计

受发震断裂等地区地质活动影响,隧道洞口处存在岩层倾斜情况,洞口地形无法采用正交方式进洞。洞口位置选取时,尽早进洞减少开挖,同时,通过调整净距尽量降低边坡开挖高度。古城隧道洞口设计过程中,为提高洞门墙偏压结构的抗震性能,除洞门墙采用钢筋混凝土结构外,设置钢筋混凝土偏压挡墙,通过设置偏压墙,增加坡底回填体的高度和整体抗震稳定性。洞门墙处结构具体形式见图5。

4.4 防震缝及防排水设计

为减小地震时结构与围岩相互作用产生的变形和断面力,此次设计中,在抗震设防段、软硬地层变化段以及结构形式变化处设置防震缝结构从而减小隧道结构的刚性并提高结构抗震性能。隧道防震缝设置间距取10m,缝体宽度为4cm,防震缝和变形缝相结合并进行防水设计。具体设计见图6。

4.5 其他抗震措施设计

(1)隧道洞口位置宜避开断裂带中线,尽量设置在断层带上盘,尽量加长洞口段明洞设置,洞门形式选择以明洞式洞门为主。

(2)进洞位置的选取应尽可能控制边仰坡开挖高度和面积,对陡坡面尽可能减少开挖,采取半明半暗或设置棚洞等方式尽早进洞。

(3)洞口段进洞采用φ108超前大管棚加固,大管棚内插钢筋笼,该方法既能提高结构整体性,又能避免开挖时出现坍塌。

(4)隧道施工方案设计时,严格控制施工程序,减少岩体扰动,减少塌方。对于超挖空洞、塌方地段,采用同等材料回填密实。

(5)当隧道埋深较浅、开挖方量较小时,考虑与路基方案比选,尽量选择路基方案通过。

5 结语

古城隧道邻近发震断裂带,且存在围岩破碎、偏压、小净距、岩层倾角大等综合不利情况。设计过程中对隧道内轮廓进行了优化调整、加强了衬砌结构和隧道洞口段防护并针对性地进行了抗震措施设计。文章分别从结构设计和抗震措施两个方面进行分析研究,设计成果可为今后类似工程设计提供借鉴参考。