减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

RAILWAY摇STANDARD摇DESIGN

铁道标准设计

Vol.63摇No.12Dec.2019

文章编号:100429(2019)12010606

减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

李守刚

(兰州铁道设计院有限公司,兰州摇730000)

摘摇要:为了研究跨断层隧道设置减震层时的抗错断效果以及跨断层隧道衬砌的破坏特征,以敦(敦煌)格(格尔木)铁路阔克萨隧道为依托,采用室内模型试验的方法,研究减震层对跨断层隧道在断层错动时的受力特征以及对跨断层隧道的减错效果,结果表明:不论是否设置减震层,跨越断层隧道节段以及与之相连的节段在断层错动时的受力较大、破坏较严重,是跨断层隧道抗错断的重点设防部位;设置减震层后衬砌应变和接触压力均有所减小,但减震层对接触压力的减小幅度要大于对应变的减小幅度;设置减震层后,断层错动引起衬砌环向应变的增大倍数在4郾8~14郾2,最大降低11郾7%,接触压力增大倍数在1郾4~5郾6,最大降低11郾9%,跨断层节段以及与之相连节段衬砌的破坏情况明显减弱,对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果。关键词:铁路隧道;断层;减震层;减震缝;模型试验

中图分类号:U452郾2+8摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.13238/j.issn.1004-29.201901240005

ModelExperimentalStudyonAnti鄄dislocationEffectofShock

AbsorptionLayeronCross鄄faulttunnel

(LanzhouRailwaySurveyandDesignInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730000,China)

LIShougang

Abstract:Inordertounderstandtheanti鄄dislocationeffectandthedamagecharacteristicsoftheliningofcross鄄faulttunnelswithshockabsorptionlayer,stresscharacteristicsandanti鄄dislocationeffectoftheshockabsorptionlayeroncross鄄faulttunnelarestudiedbymeansofmodelexperimentalmethodbasedontheKuokesaTunnelonDunhuang鄄GolmudRailway.Theresultsshowthat:whetherornotshockabsorptionlayerisinstalled,thesectionoftunnelacrossfaultandthesectionconnectedwithitaresuffergreaterstressandseriousdamagewhenthefaultdislocates.Thesesectionsarethekeylocationsforanti鄄dislocationofthetunnelacrossfault.Thestrainandcontactpressureofliningtendtodecreaseaftersettingshockabsorptionlayer,butthereductionofcontactpressureoftheshockabsorptionlayerislargerthanthatofstrain.Aftersettingshockabsorptionlayer,circumferentialstraincausedbyfaultdislocation

收稿日期:20190124;修回日期:20190228基金项目:甘肃省科技重大专项(1102GKDA053)

作者简介:李守刚(1982—),男,高级工程师,2005年毕业于兰州交通大学土木工程专业,工学学士,主要从事隧道工程设计研究工作,E鄄mail:4678653@qq.com。

isincreasedby4郾8to14郾2times,andthe

maximumdecreaseis11郾7%.While,thecontactpressureisincreasedby1郾4and5郾6times,andthemaximumdecreaseis11郾9%.Thedamageof

[8]摇中华人民共和国住房和城乡建设部.芋、郁级铁路设计规范:[9]摇国家铁路局.铁路桥涵设计规范:TB10002—2017[S].北京:中国

铁道出版社,2017.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁计规范:GB50157-[11]刘宗峰.流场能量牵引在铁路桥梁防风设计中的应用[J/OL].铁

道标准设计:1-6[2019-03-15].https:椅doi.org/10郾13238/j.issn.1004-29郾201807020006

2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.GB50012—2012[S].北京:中国计划出版社,2012.

蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼蕼

doi.org/10郾13238/j.issn.1004-29郾201808240002.

[12]刘宗峰.旅游轨道交通桥梁设计特点分析———以张家界市旅游轨

道交通为例[J/OL].铁道标准设计:1-6[2019-03-15].https:椅

[13]雷张文,杨晓东,张璨.超大坡道齿轨传动车辆重量管理算法研究[14]陈淮,曾庆元.桥上列车横向摇摆力的随机分析[J].桥梁建设,[15]周四思.《铁路桥涵设计基本规范》若干问题的说明[J].铁道标

准设计,2006(3):5057.2002(2):15.

[J].电力机车与城轨车辆,2018,41(5):2024,37.

第12期李守刚—减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

107

theliningofthesectionacrossfaultanditsadjacentsectiondecreasesobviously,whichhasagoodeffectonpreventingtunnelliningfromdislocation.

Keywords:railwaytunnel;fault;shockabsorptionlayer;seismicjoint;modeltest

摇摇地震和断层错动对跨断层隧道的影响很大,是引起隧道破坏的主要因素[1]。集集地震[2]、汶川地震[35]震后调查均显示断层破碎带区隧道衬砌发生了严重的破坏,是跨断层隧道的重点防护区域,已有诸多学者进行了相关的研究。信春雷等[67]对跨走滑断层隧道的抗减震措施进行振动台模型试验,研究跨走滑断层隧道的地震破坏特征;何川等[8]运用现场调研、模型试验和数值模拟相结合的手段,对隧道穿越断层破碎带的震害机理进行了研究;耿萍等[910]通过数值模拟与振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道的合理设防长度。而对于断层错动,主要是由于断层的蠕滑错动引起隧道结构的错断,即隧道的抗断问题。目前在穿越活断层时隧道的抗断防护措施主要有设置减震缝和减震层,其中对于设置减震缝的研究较多。刘学增等[1113]通过一系列模型试验研究变形缝与断层倾角对跨断层隧道的影响;王道远等[14]通过模型试验对减错缝位置对黏滑断层隧道的减错效果的影响进行了研究;李学锋等[15]运用数值模拟的方法对变形缝间距对跨断层隧道内力的影响进行了研究;在减震层设置方面,崔光耀等[1617]对黏滑断层隧道减错措施参数对减错效果的影响进行了分析。

以上研究成果对跨断层隧道在地震或断层错动作用下隧道衬砌的防护具有重要的指导意义,然而对同时设置减震缝和减震层后隧道抗错断效果,却研究较少。结合敦(敦煌)格(格尔木)铁路阔克萨单线隧道,采用模型试验的方法,研究跨断层隧道同时设置减震缝和减震层后隧道衬砌的变形、衬砌与围岩间的接触压力以及衬砌的破坏特征,为跨断层区的隧道设计提

供参考。

1摇依托工程概况与试验方案1郾1摇依托工程概况

敦煌至格尔木铁路阔克萨隧道位于甘肃省阿克塞县,全长524m,最大埋深约为55m,穿越F2、F3断层。该断层为全新世活动断层,滑动速率为水平0郾16mm/a、垂直2郾4mm/a,预测未来100年的突发位错量为水平6郾2m、垂直2郾8m,对隧道工程影响较大。阔克萨隧道为单线铁路隧道,采用复合式衬砌,其中初支为C25的喷射混凝土,厚22cm,设置系统锚杆,锚杆长3m,钢架(H175)间距为0郾6m,二衬为C40的钢筋混凝土,厚度为35cm。1郾2摇工况设置

2组试验,每组试验均在衬砌横断面上设置环向应变片来测试断层错动过程中隧道横断面的受力情况,在围岩与衬砌之间设置微型压力传感器来测试断层错动过程中围岩与衬砌之间的接触压力变化情况,探讨减震层对跨断层隧道的抗错断效果。1郾3摇试验装置

2郾5m,宽1郾5m,高1郾5m,由不动盘和活动盘(上盘)两部分组成,其中不动盘部分长1郾3m,活动盘部分长1郾2m,不动盘由24个准26mm膨胀螺栓固定,活动盘由活动底座和钢管承载,如图1(a)、图1(b)所示。活动盘(上盘)底部安装4个50kN的千斤顶,通过千斤顶的升降来模拟断层的错动,如图1(c)所示。

断层模型试验箱设计如图1所示。模型箱长分别进行了仅设置减震缝和减震缝+减震层的

图1摇断层错动模型试验箱

摇

1郾4摇相似材料

根据依托工程隧道的断面尺寸和模型箱条件,确

定几何相似比CL=30。依据相似定律,确定模型的相似比如表1所示。

108

表1摇试验主要物理量的相似关系

物理参数应变应力弹性模量泊松比质量密度内摩擦角长度线位移角位移面积截面抵抗矩惯性矩

相似比14511郾513030190027000810000

铁道标准设计第63卷

以及十多次的正交试验反复筛选,最终确定围岩相似材料的配比如表3所示。

表3摇围岩相似材料配比

试验材料及质量配比/%粉煤灰68

河砂25郾2

机油6郾8

弹性模

密度(籽)黏聚力(C)内摩擦角量(E)

/MPa(渍)/(毅)/(g·cm-3)值/kPa1郾3

3郾45

26郾7

8郾98

试验结果

原型中隧道采用复合式衬砌,初支为C25喷射混凝土、二衬为C40钢筋混凝土,在衬砌模型制作中初支和二衬一起考虑。

根据经验,石膏的性质和混凝土比较接近,均属脆性材料,且石膏可塑性较强,取材容易,适合制作模型。因此,衬砌采用石膏进行制作。石膏的弹性模量约为(0郾6~1郾0)伊103MPa,根据相似比及正交试验,最终确定膏水比为1郾55颐1,弹性模量为744郾4MPa。1郾5摇模型制作

48cm,节段之间设置减震缝,减震缝使用5mm厚的橡胶条通过504胶粘合,使各节段粘结成一个长隧道模型,减震层采用海绵橡胶板模拟,所采用海绵橡胶的厚度为10mm,减震层与衬砌之间设置聚乙烯膜模拟防水板。制作完成后的节段模型与整体模型如图2所示。

模型中衬砌厚20mm,衬砌分段制作,每段长度为

TB10003—2016《铁路隧道设计规范》[18]中吁级围岩参数的取值范围和相似比情况,得出原型与模型的物理力学参数取值范围如表2所示。

表2摇围岩原型与模型物理力学参数

围岩级别原型模型

黏聚力

(C)/kPa50~2001郾1~4郾4

内摩擦角(渍)/(毅)20~2720~27

弹性模量(E)/MPa1000~200022郾2~44郾4

容重(酌)/(kN·m-3)17~2011郾3~13郾3

[1920]

阔克萨隧道跨断层段主要为吁级围岩,参考

综合前人试验中广泛采用的围岩相似材料

图2摇隧道模型

摇

1郾6摇断层破碎带模拟

断层破碎带处围岩条件较差,主要特点是破碎、松散、易变性、遇水强度低等。通常可采用细砂、粉煤灰及云母片的混合料进行模拟。由于试验主要研究断层错动对隧道结构的影响,因此试验采用两层PVC塑料板中涂黄油来模拟断层的黏滑错动。如图3所示。1郾7摇量测系统

试验主要观测隧道衬砌在黏滑断层错动过程中的受力情况与破坏特征,因此在模型试验中主要测量了隧道衬砌模型的环向应变和隧道衬砌与围岩之间的接触压力。整个隧道衬砌共布置8个监测断面,每个监

摇

图3摇涂抹黄油后的PVC板

测断面距变形缝的距离为10cm,传感器布置断面和横断面监测点布置位置如图4(a)、图4(b)所示。使用的测试元件为Bx120-8AA型电阻应变片和0郾5MPa微型压力传感器,如图4(c)所示。环向应变片在

第12期李守刚—减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

109

衬砌拱顶、左边墙和仰拱位置内外表面各布置1片,纵向应变片在右边墙内外表面各布置1片,微型压力盒

布置在衬砌监测点的外表面。

图4摇测试断面和测点布置(单位:cm)

摇摇由勘察资料知该断层未来100年的错动量垂直方向为2郾8m,根据相似比进行换算后可得垂直方向的错动量为9郾33cm,因此采用千斤顶加载时抬升量控制在9郾33cm。2摇试验结果分析

2郾1摇断层错动对衬砌受力特征的影响

为了研究断层错动对衬砌结构受力特性的影响,提取了断层错动前后各测试断面监测点的应变峰值以及接触压力峰值,计算了断层错动前后各监测断面监5和图6所示。

测点处的应变差值和接触压力差值,其变化规律如图

图5摇断层错动前后环向应变差

摇

图6摇断层错动前后接触压力差

摇

摇摇从图5和图6可以看出,不论是设置减震缝还是减震缝和减震层相结合,断层错动均对跨断层衬砌节段(节段域)以及与之相连的衬砌节段的受力有较大影响。其中以于号断面和盂号断面上的环向应变和接触压力最大。随着距断层距离的增大,衬砌上的环向应变和接触压力逐渐减小,到与跨断层节段间隔的节段(节段郁)时,衬砌受力和接触压力基本趋于稳定,受断层错动的影响减弱。减震缝与减震层相结合对跨

断层隧道的抗错具有一定的减弱作用。与只设置减震缝相比,减震缝+减震层情况下衬砌环向应变的降低幅度为1郾7%~13郾9%,以距断层较近处的监测断面降低最多。减震层对接触压力的降低作用较为明显,接触压力的降低幅度为7郾5%~31%,其中以与断层较近处的监测断面处降低幅度较大。

定义断层错动影响系数为(错动后变量-错动前变量)/错动前变量,其变化如图7和图8所示。

110

铁道标准设计第63卷

图7摇断层错动环向应变影响系数

摇

图8摇断层错动接触压力影响系数

摇

从图7和图8可以看出,断层错动使隧道的受力明显增大。其中只设置减震缝时环向应变的增大倍数在4郾9~15郾1,接触压力的增大倍数在1郾9~5郾8;减震14郾2,接触压力的增大倍数在1郾4~5郾6;与只设减震缝相比,环向应变最大降低了11郾7%,接触压力最大降低了11郾9%。影响最大的区域为与跨断层节段相连的区域。

2郾2摇断层错动引起地表和衬砌的破坏特征

断层错动过程中,两种工况在跨越断层位置处地表均出现了裂缝,如图9所示。所不同的是,只设减震缝工况时地表裂缝较多,而减震缝+减震层工况时产生的裂缝较少,只有1条主要裂缝。由此可以看出,减震层可以减小地层位移,从而降低对地表的破坏程度。缝与减震层相结合时环向应变的增大倍数在4郾8~

坏特征如图10、图11所示。

图10摇节段域衬砌裂缝分布

摇图9摇断层错动后地表裂缝分布

断层错动后,两种工况下跨断层衬砌(节段域)和与之相连的衬砌(节段玉、芋)均发生了不同程度的破坏,其中以节段域衬砌破坏最为严重,节段芋次之,破

1条宽度为2mm的纵向裂缝,贯穿整个衬砌模型,将模型拱顶一分为二,且在拱脚和边墙位置处发生了错段,破坏严重;当设置减震层后,节段域衬砌在拱顶处也出现了1条贯通裂缝,但裂缝宽度较小,且在边墙和

不设减震层时,节段域衬砌在拱顶位置处出现了

第12期李守刚—减震层对跨断层隧道抗错断效果的模型试验研究

111

图11摇节段芋衬砌裂缝分布

仰拱交界位置处只产生了纵向裂缝,并没有发生错断。同样,节段芋衬砌节段在设置减震层时其裂缝条数和宽度均小于不设减震层时的情况。说明减震层的设置对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果。3摇结论

通过对跨断层隧道设置减震缝、减震缝+减震层的两种工况在断层错动时衬砌的受力和破坏情况的模型试验研究隧道节段以及与之相连的节段受断层错动的影响均较(1)在设置和不设置减震层情况下,得出以下主要结论。

,跨越断层的大,是跨断层隧道抗错断的重点设防部位(2)设置减震层后,衬砌的环向应变和接触压力

。

均有所减小,环向应变减小1郾7%~13郾9%,接触压力减小7郾5%~31%,接触压力减小的幅度较应变减小的幅度大增大(3)4郾9在不设置减震层时。

~15郾1倍,接触压力增大,断层错动引起衬砌应变

1郾9~5郾8倍;设置减震层后,断层错动引起衬砌应变增大4郾8~14郾2倍,接触压力增大节段衬砌破坏情况明显减弱(4)设置减震层后1郾4~5郾6,倍跨断层节段以及与之相连的。

,减震层的设置对跨断层隧道衬砌防错断具有较好的效果(5)经过模型试验与理论分析。

计中采用了加固围岩、设置柔性接头和超挖的,阔克萨隧道在设

3种设计理念。其中隧道衬砌每隔18m设置1道变形缝,并采用准42mm小导管进行径向注浆,加固圈为开挖轮廓线外3郾7m。

参考文献:

[1]摇刘学增响的试验研究,王煦霖[J].,林亮伦土木工程学报.60毅倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影

,2014,47(2):121128.[2]摇究陈正勋[J].,岩石力学与工程学报王泰典,黄灿辉.山岭隧道受震损害类型与原因之案例研,2011,30(1):4557.[3]摇通大学学报高波,王峥峥,2009,44(3):336,袁松,等.汶川地震公路隧道震害启示341,374.

[J].西南交[4]摇崔光耀害特征研究,刘维东[J].,倪嵩陟现代隧道技术学报,等.汶川地震各地震烈度区公路隧道震

,2014,51(6):16.

[5]摇崔光耀形成机理,伍修刚分析[,王明年J].中国,等地.汶川地震区跨断层带公路隧道震害

质灾害与防治学报,2018,29(2):

[6]摇108信春雷113.

震措施研究,高波[J].,闫高明振动工程学报,等.跨走滑断层隧道地震破坏特征与抗减

,2016,29(4):694703.

[7]摇信春雷台试验,研高波究,[周佳媚J].岩,石等力.跨断层隧道设置常规抗减震措施振动

学与工程学报,2014,33(10):2047[8]摇何川2055.

土工程学报,李林,张景,2014,36(3):427,等.隧道穿越断层破碎带震害机理研究434.

[J].岩

[9]摇耿萍究[J].,何悦岩石力学与工程学报,何川,等.穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度研

,2014,33(2):358365.

[10]耿萍动台模型试验,唐金良,权乾龙[J].中南大学学报,等.穿越断层破碎带隧道设置减震层的振

(自然科学版),2013,44(6):

[11]2520

刘学增2526.

型试验,研郭彪究,[李学锋J].岩,石等力.变形缝对跨断层隧道抗错断影响的模

学与工程学报,2015,34(S2):3837[12]刘学增3843.

验分析,[J].王煦霖同济大学学报,林亮伦.45毅(自然科学版倾角正断层黏滑错动对隧道影响试

),2014,42(1):4450.[13]刘学增响的模型,王煦霖试验研,林亮伦究[J]..75毅岩石倾角正断层黏滑错动对公路隧道影

力学与工程学报,2013,32(8):

[14]1714

王道远1720.

果影响分析,袁金秀[J].,王记平铁道工程学报,等.黏滑断层隧道减错缝位置对减错效

,2018,35(11):6671.

[15]李学锋道内力的影响,代志萍[J].,谷雪影隧道建设,等.活断层错动位移下变形缝间距对隧

(中英文),2014,34(3):237

242.

[16]崔光耀效果的影响分析,伍修刚,王明年[J].震灾防御技术,等.黏滑断层隧道减错措施参数对减错

,2018(3):502511.[17]崔光耀减震模,型伍修刚试验,研王明年究[J].,等岩.高烈度地震区黏滑断层隧道减震层

土工程学报,2017,39(11):2125[18]国家铁路局2131.

铁道出版社.,2016.

铁路隧道设计规范:TB10003—2016[S].北京:中国

[19]申玉生[J].岩石力学与工程学报,高波,王英学.强震区山岭隧道洞口段结构动力特性分析[20]王道远,崔光耀,袁金秀,2009,28(S1):31313136.

效果模型试验研究[J].,岩土工程学报等.断裂黏滑错动下隧道减错措施作用

,40(8):15151520.