淺析斷層位錯量對跨斷層隧道的影響范文

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摘要:在幾何相似比為100、斷層傾角為90°的情況下，進行了斷層位錯量對跨斷層隧道影響的模型試驗。介紹了圍巖模型材料的相似常數的選取及設計、隧道襯砌的設計、加載方案。對取得的襯砌應變數據進行處理分析。結果表明:不同位錯量下隧道襯砌拱腰的縱向應變分布規律一致，隧道襯砌應變和位錯量成正相關;破碎帶兩側不同盤處的隧道襯砌的應變呈現反對稱分布;應變最大位置處即在斷層破碎帶處。

關鍵詞:相似常數;斷層位錯量;跨斷層隧道

隧道等地下工程穿越斷層或接近斷層的現象越來越普遍，地震活動不斷加強，導致斷層活化引起地下工程破壞的情況越來越突出。很多學者開始從事跨斷層隧道的研究。熊田芳等［1］研究了西安地鐵二號線穿越斷層的隧道，采用1∶50幾何相似比進行了物理模型試驗，開展了斷層活動下隧道正交穿越斷層時圍巖和襯砌相互作用的機制研究。信春雷等［2］通過分析圍巖與隧道結構的地震加速度響應，震動應變響應以及隧道結構的震后破壞形態，以無抗減震措施和無斷層為對比例，對直立與傾斜走滑斷層處設置的套管式可變形抗減震措施進行了系統研究。劉學增等［3］用有限元分析軟件Abaqus建立穿越活動斷裂帶隧道模型，根據具體隧道相關地質資料，分析斷層不同錯動位移對隧道結構受力影響，圍巖對隧道壓力分布情況以及隧道塑性應變發展規律。李小軍等［4］用有限元方法對斷層基巖錯動引發上覆土層破裂過程進行數值模擬，展示場地土層破裂形成和擴展特征，以及場地地表出現破裂并不一定形成土層貫通破裂的地震現象。王崢崢等［5］根據試驗條件和振動臺性能，確定模型系統的相似關系，由室內配比試驗確定相似材料;根據試驗特點，設計模型箱。根據跨斷層隧道的數值結果，優化傳感器的布置;最后確定地震輸入加速度和試驗加載方案。黃蕓等［6］針對正斷層錯動引起的地鐵隧道變形破壞仍缺乏有效的理論預測模型的情況，基于不排水條件下上覆土體的變形機制，建立地鐵隧道變形的計算方法。林克昌等［7］利用有限元軟件Abaqus，建立了斷層錯動三維有限元計算模型。在此基礎上，以走滑斷層為例，對比分析了斷層寬度逐漸增大的過程中，跨斷層巖體隧道的錯動反應特性。趙穎等［8］研究正斷層位錯作用下城市地鐵隧道的抗震薄弱部位，為地鐵隧道工程的抗震設計及地震安全性評價工作提供依據。何川等［9］采用振動臺模型試驗及數值計算的方法，研究了圍巖與隧道結構的加速度響應特性、地層變形和襯砌結構內力分布規律等。國內外跨斷層隧道的研究主要側重在圍巖剛度、隧道的剛度、斷層傾角、破碎帶的剛度和寬度以及隧道抗震抗斷的研究。本實驗主要在定性的基礎上研究斷層位錯量對跨斷層隧道的破壞，為定量研究提供參考和依據。

1模型設計

1.1相似常數的確定物理模型試驗中，相似常數是原型與模型之間的橋梁，關系到所選擇的模型能否真實反映原型中的物理力學性質(密度、彈性模量、應力和應變等)。因此，合適的相似常數的確定，更加有利于我們研究原型的物理、力學以及結構特性。根據物理力學模型的相似指標與單值條件，為了真實地反應自重應力場對模型試驗的影響，試驗選擇的模型材料與原型密度一致，即密度相似比Cρ=1，以此簡化模型與原型之間的關系換算，體現模型結構中自重應力場的影響。同時，為滿足原型與模型的應力-應變曲線和莫爾強度包絡線相似，選擇了應變相似比為1，即Cε=1。以此為基礎，根據相似理論，結合試驗設備能力、試驗復雜程度、試驗成本和試驗周期等因素的綜合權衡，選取幾何相似比Cl=100。由原型和模型的物理方程、應力邊界條件、幾何方程、平衡方程和位移邊界條件可依次推導出物理模型試驗的其他相似關系如表1所示。

1.2材料配比的優化依據《公路隧道設計規范》(JTGD70—2004)和巖石力學參數手冊，可以確定圍巖模型材料配比的物理力學指標，結合相似常數可以推導出相應的模型參數，如表2所示。根據袁宗盼［10］得到的正交配比試驗結果，由正交試驗極差分析和方差分析所得到的各影響因素對相似材料的影響規律，參考本次圍巖模型材料參數指標，得到最佳試驗配比，再對最佳材料配比得到的參數指標進行優化。可得到試驗中材料的物理力學性質參數，基本上滿足模型試驗所需指標值，材料及其配比如表3所示。

1.3圍巖尺寸設計基于對邊界條件、尺寸效應以及結果精確度的考慮，可取計算長度為100m，寬和高均為40m，隧道形狀為圓形，洞徑5m，斷層傾角90°。由相似關系可得到模型的尺寸為長100cm，截面為40cm的正方形，隧道洞徑為5cm，隧道形心位于圍巖截面形心位置。如圖1所示。制作完成的模型箱如圖2所示。為便于操作，圍巖的上下盤選擇對稱結構。模型箱四周用螺栓錨固，便于拆卸，內壁粘貼硬質薄膜，便于圍巖模型光滑成型。

1.4隧道模型材料的確定常見的隧道襯砌結構模型材料有金屬、塑料和石膏等。根據3種模型材料的特性分析，本試驗中選擇了聚氯乙烯(PVC)管。和另外2種材料相比，PVC管和隧道的襯砌材料在物理力學性質方面有更好的相似性。PVC管的外徑均為5cm，厚度為0.2cm，長100cm，彈性模量為2.00×106Pa。

2試驗加載及數據采集

2.1加載裝置根據試驗的具體情況及試驗條件，試驗選用千斤頂進行加載。該方式為集中力加載，采用兩臺機械式千斤頂。該千斤頂的規格為20t，其最低高度300mm，起升高度500mm，調整高度為200mm(圖3)。試驗過程中，保持活動盤水平方向的位移同步，避免出現活動盤傾斜的情況。

2.2監測點的布置根據袁宗盼［10］對跨斷層隧道錯動響應機制進行的數值模擬研究，走滑斷層錯動作用下，在隧道襯砌的左右拱腰對稱布置7對應變片，對其縱向應變變化進行監測，除了SR4和SR5間距為140mm，其他均為120mm。SR、SL分別代表右、左拱腰的應變片，用于監測隧道襯砌縱向應變，其分布位置如圖4所示。所有的應變片測試結果均通過DH3818型靜態應變測試儀(20通道)進行。采集位移計布置的目的為試驗中量測斷層錯動的水平距離。將位移計支座固定在活動盤一側，并連接到DH3818型靜態應變測試儀(20通道)，通過位移計來測定上升盤的水平錯動距，如圖5和6所示。在位移計兩側對稱位置布置了兩個百分表，用以提高加載的準確性，也可以嚴格控制活動盤水平的移動，避免其在移動過程中發生傾斜。

2.3數據采集選取最大錯動距離為16mm，平均每1mm采集1次應變數據，一共16級，在加載時應盡量均勻施加荷載減少受力不均帶來的影響。試驗模型如圖7所示，左盤為錯動盤，右盤為固定盤，通過兩個機械式千斤頂進行加載。隧道左拱腰位于圖中左側，隧道右拱腰位于圖中右側。

3試驗結果及分析

每級加載過程中，通過DH3818型靜態應變采集儀進行采集，結果如表4和5所示。由表4和5可以看出:在同一應變片位置，隨著加載量的增大，應變數值也逐步增大;同一加載級，應變數值遞減。圖8所示為不同斷層錯距的情況下，斷層位錯量和襯砌應變的關系。左、右拱腰的曲線走勢大致一致，并且拱腰的應變均出現了正值和負值。襯砌左拱腰的正應變最大值較右拱腰小，負應變值的最大值較右拱腰小但絕對值大。每個測點處的襯砌應變隨斷層位錯量的增大而變大，且測點左右襯砌的應變是相反的。位錯量較小時襯砌應變增幅較小，位錯量大時襯砌應變增幅較大，且呈現正相關的線性關系。再以隧道軸線為橫坐標，左盤的端部為坐標原點，以襯砌應變為縱坐標建立平面直角坐標系，如圖9所示。同一位置處由圖9可見左、右拱腰在斷層左、右兩側的襯砌應變值均為異號。同一位錯量下靠近斷層處襯砌應變最大，隨距離斷層處越遠襯砌應變越小。在同一位置處位錯量越大應變越大，且靠近隧道斷層處應變最大。

4結論

1)隧道襯砌拱腰的縱向應變分布規律基本相同。應變值為正，表明處于受拉狀態;應變值為負，表明處于受壓狀態。由此可得隧道在左盤內右拱腰受拉，左拱腰受壓;在右盤內與此相反。即在隧道襯砌左右拱腰對應位置處的應變值基本呈反對稱，也正因為如此，走滑斷層在錯動作用下會導致隧道襯砌在平面上發生彎曲變形。2)應變峰值的分布規律基本相同，主要分布在斷層破碎帶附近。右拱腰的拉壓應變峰值絕對值主要分布在SR4和SR5附近;左拱腰的拉壓應變峰值絕對值主要分布在SL4和SL5附近。3)隧道在正斷層和逆斷層位錯作用下，拱腰對稱，應變相同。但在平滑斷層作用時，作用點在拱腰，在斷層的一盤受到拉應變時，在另一盤就受到壓應變。斷層破碎帶處的圍巖強度較低，地殼運動導致斷層活化，繼而運動過程中，跨斷層隧道在斷層破碎帶處受到的作用更加的明顯，應變更大;隨著遠離破碎帶，隧道受到的應變減小。

參考文獻:

［1］熊田芳，邵生俊，王天明，等．西安地鐵正交地裂縫隧道的模型試驗研究［J］．巖土力學，2010，31(1):179．

［2］信春雷，高波，閆高明，等．跨走滑斷層隧道地震破壞特征與抗減震措施研究［J］．振動工程學報，2016，29(4):694．

［3］劉學增，谷雪影，代志萍，等．活斷層錯動位移下襯砌斷面型式對隧道結構的影響［J］．現代隧道技術，2014，51(5):71．

［4］李小軍，趙雷，李亞琦．斷層錯動引發基巖上覆土層破裂過程模擬［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(增刊1):2703．

［5］王崢崢，高波，李斌，等．跨斷層隧道振動臺模型試驗研究I:試驗方案設計［J］．現代隧道技術，2014，51(2):50．

［6］黃蕓，蔡奇鵬，郭子雄，等．正斷層錯動致地鐵變形計算模型［J］．福州大學學報(自然科學版)，2015(4):523．

［7］林克昌，陳新民，左娟花，等．斷層寬度對跨斷層隧道錯動反應特性影響的數值模擬［J］．南京工業大學學報(自然科學版)，2013，35(3):61．

［8］趙穎，郭恩棟，劉智，等．走滑斷層位錯作用下城市地鐵隧道損傷分析［J］．巖土力學，2014，35(增刊2):60．

［9］何川，李林，張景，等．隧道穿越斷層破碎帶震害機理研究［J］．巖土工程學報，2014，36(3):427．

［10］袁宗盼．跨斷層隧道之錯動響應及抗錯斷措施的數值模擬研究［D］．南京:南京工業大學，2012:47．

作者：張云飛 陳新民 袁宗盼 單位：南京工業大學