浅析断层位错量对跨断层隧道的影响范文

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摘要:在几何相似比为100、断层倾角为90°的情况下，进行了断层位错量对跨断层隧道影响的模型试验。介绍了围岩模型材料的相似常数的选取及设计、隧道衬砌的设计、加载方案。对取得的衬砌应变数据进行处理分析。结果表明:不同位错量下隧道衬砌拱腰的纵向应变分布规律一致，隧道衬砌应变和位错量成正相关;破碎带两侧不同盘处的隧道衬砌的应变呈现反对称分布;应变最大位置处即在断层破碎带处。

关键词:相似常数;断层位错量;跨断层隧道

隧道等地下工程穿越断层或接近断层的现象越来越普遍，地震活动不断加强，导致断层活化引起地下工程破坏的情况越来越突出。很多学者开始从事跨断层隧道的研究。熊田芳等［1］研究了西安地铁二号线穿越断层的隧道，采用1∶50几何相似比进行了物理模型试验，开展了断层活动下隧道正交穿越断层时围岩和衬砌相互作用的机制研究。信春雷等［2］通过分析围岩与隧道结构的地震加速度响应，震动应变响应以及隧道结构的震后破坏形态，以无抗减震措施和无断层为对比例，对直立与倾斜走滑断层处设置的套管式可变形抗减震措施进行了系统研究。刘学增等［3］用有限元分析软件Abaqus建立穿越活动断裂带隧道模型，根据具体隧道相关地质资料，分析断层不同错动位移对隧道结构受力影响，围岩对隧道压力分布情况以及隧道塑性应变发展规律。李小军等［4］用有限元方法对断层基岩错动引发上覆土层破裂过程进行数值模拟，展示场地土层破裂形成和扩展特征，以及场地地表出现破裂并不一定形成土层贯通破裂的地震现象。王峥峥等［5］根据试验条件和振动台性能，确定模型系统的相似关系，由室内配比试验确定相似材料;根据试验特点，设计模型箱。根据跨断层隧道的数值结果，优化传感器的布置;最后确定地震输入加速度和试验加载方案。黄芸等［6］针对正断层错动引起的地铁隧道变形破坏仍缺乏有效的理论预测模型的情况，基于不排水条件下上覆土体的变形机制，建立地铁隧道变形的计算方法。林克昌等［7］利用有限元软件Abaqus，建立了断层错动三维有限元计算模型。在此基础上，以走滑断层为例，对比分析了断层宽度逐渐增大的过程中，跨断层岩体隧道的错动反应特性。赵颖等［8］研究正断层位错作用下城市地铁隧道的抗震薄弱部位，为地铁隧道工程的抗震设计及地震安全性评价工作提供依据。何川等［9］采用振动台模型试验及数值计算的方法，研究了围岩与隧道结构的加速度响应特性、地层变形和衬砌结构内力分布规律等。国内外跨断层隧道的研究主要侧重在围岩刚度、隧道的刚度、断层倾角、破碎带的刚度和宽度以及隧道抗震抗断的研究。本实验主要在定性的基础上研究断层位错量对跨断层隧道的破坏，为定量研究提供参考和依据。

1模型设计

1.1相似常数的确定物理模型试验中，相似常数是原型与模型之间的桥梁，关系到所选择的模型能否真实反映原型中的物理力学性质(密度、弹性模量、应力和应变等)。因此，合适的相似常数的确定，更加有利于我们研究原型的物理、力学以及结构特性。根据物理力学模型的相似指标与单值条件，为了真实地反应自重应力场对模型试验的影响，试验选择的模型材料与原型密度一致，即密度相似比Cρ=1，以此简化模型与原型之间的关系换算，体现模型结构中自重应力场的影响。同时，为满足原型与模型的应力-应变曲线和莫尔强度包络线相似，选择了应变相似比为1，即Cε=1。以此为基础，根据相似理论，结合试验设备能力、试验复杂程度、试验成本和试验周期等因素的综合权衡，选取几何相似比Cl=100。由原型和模型的物理方程、应力边界条件、几何方程、平衡方程和位移边界条件可依次推导出物理模型试验的其他相似关系如表1所示。

1.2材料配比的优化依据《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)和岩石力学参数手册，可以确定围岩模型材料配比的物理力学指标，结合相似常数可以推导出相应的模型参数，如表2所示。根据袁宗盼［10］得到的正交配比试验结果，由正交试验极差分析和方差分析所得到的各影响因素对相似材料的影响规律，参考本次围岩模型材料参数指标，得到最佳试验配比，再对最佳材料配比得到的参数指标进行优化。可得到试验中材料的物理力学性质参数，基本上满足模型试验所需指标值，材料及其配比如表3所示。

1.3围岩尺寸设计基于对边界条件、尺寸效应以及结果精确度的考虑，可取计算长度为100m，宽和高均为40m，隧道形状为圆形，洞径5m，断层倾角90°。由相似关系可得到模型的尺寸为长100cm，截面为40cm的正方形，隧道洞径为5cm，隧道形心位于围岩截面形心位置。如图1所示。制作完成的模型箱如图2所示。为便于操作，围岩的上下盘选择对称结构。模型箱四周用螺栓锚固，便于拆卸，内壁粘贴硬质薄膜，便于围岩模型光滑成型。

1.4隧道模型材料的确定常见的隧道衬砌结构模型材料有金属、塑料和石膏等。根据3种模型材料的特性分析，本试验中选择了聚氯乙烯(PVC)管。和另外2种材料相比，PVC管和隧道的衬砌材料在物理力学性质方面有更好的相似性。PVC管的外径均为5cm，厚度为0.2cm，长100cm，弹性模量为2.00×106Pa。

2试验加载及数据采集

2.1加载装置根据试验的具体情况及试验条件，试验选用千斤顶进行加载。该方式为集中力加载，采用两台机械式千斤顶。该千斤顶的规格为20t，其最低高度300mm，起升高度500mm，调整高度为200mm(图3)。试验过程中，保持活动盘水平方向的位移同步，避免出现活动盘倾斜的情况。

2.2监测点的布置根据袁宗盼［10］对跨断层隧道错动响应机制进行的数值模拟研究，走滑断层错动作用下，在隧道衬砌的左右拱腰对称布置7对应变片，对其纵向应变变化进行监测，除了SR4和SR5间距为140mm，其他均为120mm。SR、SL分别代表右、左拱腰的应变片，用于监测隧道衬砌纵向应变，其分布位置如图4所示。所有的应变片测试结果均通过DH3818型静态应变测试仪(20通道)进行。采集位移计布置的目的为试验中量测断层错动的水平距离。将位移计支座固定在活动盘一侧，并连接到DH3818型静态应变测试仪(20通道)，通过位移计来测定上升盘的水平错动距，如图5和6所示。在位移计两侧对称位置布置了两个百分表，用以提高加载的准确性，也可以严格控制活动盘水平的移动，避免其在移动过程中发生倾斜。

2.3数据采集选取最大错动距离为16mm，平均每1mm采集1次应变数据，一共16级，在加载时应尽量均匀施加荷载减少受力不均带来的影响。试验模型如图7所示，左盘为错动盘，右盘为固定盘，通过两个机械式千斤顶进行加载。隧道左拱腰位于图中左侧，隧道右拱腰位于图中右侧。

3试验结果及分析

每级加载过程中，通过DH3818型静态应变采集仪进行采集，结果如表4和5所示。由表4和5可以看出:在同一应变片位置，随着加载量的增大，应变数值也逐步增大;同一加载级，应变数值递减。图8所示为不同断层错距的情况下，断层位错量和衬砌应变的关系。左、右拱腰的曲线走势大致一致，并且拱腰的应变均出现了正值和负值。衬砌左拱腰的正应变最大值较右拱腰小，负应变值的最大值较右拱腰小但绝对值大。每个测点处的衬砌应变随断层位错量的增大而变大，且测点左右衬砌的应变是相反的。位错量较小时衬砌应变增幅较小，位错量大时衬砌应变增幅较大，且呈现正相关的线性关系。再以隧道轴线为横坐标，左盘的端部为坐标原点，以衬砌应变为纵坐标建立平面直角坐标系，如图9所示。同一位置处由图9可见左、右拱腰在断层左、右两侧的衬砌应变值均为异号。同一位错量下靠近断层处衬砌应变最大，随距离断层处越远衬砌应变越小。在同一位置处位错量越大应变越大，且靠近隧道断层处应变最大。

4结论

1)隧道衬砌拱腰的纵向应变分布规律基本相同。应变值为正，表明处于受拉状态;应变值为负，表明处于受压状态。由此可得隧道在左盘内右拱腰受拉，左拱腰受压;在右盘内与此相反。即在隧道衬砌左右拱腰对应位置处的应变值基本呈反对称，也正因为如此，走滑断层在错动作用下会导致隧道衬砌在平面上发生弯曲变形。2)应变峰值的分布规律基本相同，主要分布在断层破碎带附近。右拱腰的拉压应变峰值绝对值主要分布在SR4和SR5附近;左拱腰的拉压应变峰值绝对值主要分布在SL4和SL5附近。3)隧道在正断层和逆断层位错作用下，拱腰对称，应变相同。但在平滑断层作用时，作用点在拱腰，在断层的一盘受到拉应变时，在另一盘就受到压应变。断层破碎带处的围岩强度较低，地壳运动导致断层活化，继而运动过程中，跨断层隧道在断层破碎带处受到的作用更加的明显，应变更大;随着远离破碎带，隧道受到的应变减小。

参考文献:

［1］熊田芳，邵生俊，王天明，等．西安地铁正交地裂缝隧道的模型试验研究［J］．岩土力学，2010，31(1):179．

［2］信春雷，高波，闫高明，等．跨走滑断层隧道地震破坏特征与抗减震措施研究［J］．振动工程学报，2016，29(4):694．

［3］刘学增，谷雪影，代志萍，等．活断层错动位移下衬砌断面型式对隧道结构的影响［J］．现代隧道技术，2014，51(5):71．

［4］李小军，赵雷，李亚琦．断层错动引发基岩上覆土层破裂过程模拟［J］．岩石力学与工程学报，2009，28(增刊1):2703．

［5］王峥峥，高波，李斌，等．跨断层隧道振动台模型试验研究I:试验方案设计［J］．现代隧道技术，2014，51(2):50．

［6］黄芸，蔡奇鹏，郭子雄，等．正断层错动致地铁变形计算模型［J］．福州大学学报(自然科学版)，2015(4):523．

［7］林克昌，陈新民，左娟花，等．断层宽度对跨断层隧道错动反应特性影响的数值模拟［J］．南京工业大学学报(自然科学版)，2013，35(3):61．

［8］赵颖，郭恩栋，刘智，等．走滑断层位错作用下城市地铁隧道损伤分析［J］．岩土力学，2014，35(增刊2):60．

［9］何川，李林，张景，等．隧道穿越断层破碎带震害机理研究［J］．岩土工程学报，2014，36(3):427．

［10］袁宗盼．跨断层隧道之错动响应及抗错断措施的数值模拟研究［D］．南京:南京工业大学，2012:47．

作者：张云飞 陈新民 袁宗盼 单位：南京工业大学