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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(jìn)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(shù)的選取及設(shè)計、隧道襯砌的設(shè)計、加載方案。對取得的襯砌應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。結(jié)果表明:不同位錯量下隧道襯砌拱腰的縱向應(yīng)變分布規(guī)律一致，隧道襯砌應(yīng)變和位錯量成正相關(guān);破碎帶兩側(cè)不同盤處的隧道襯砌的應(yīng)變呈現(xiàn)反對稱分布;應(yīng)變最大位置處即在斷層破碎帶處。

關(guān)鍵詞:相似常數(shù);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(xiàn)象越來越普遍，地震活動不斷加強，導(dǎo)致斷層活化引起地下工程破壞的情況越來越突出。很多學(xué)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(jìn)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(jī)制研究。信春雷等［2］通過分析圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的地震加速度響應(yīng)，震動應(yīng)變響應(yīng)以及隧道結(jié)構(gòu)的震后破壞形態(tài)，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(shè)置的套管式可變形抗減震措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究。劉學(xué)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(jù)具體隧道相關(guān)地質(zhì)資料，分析斷層不同錯動位移對隧道結(jié)構(gòu)受力影響，圍巖對隧道壓力分布情況以及隧道塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。李小軍等［4］用有限元方法對斷層基巖錯動引發(fā)上覆土層破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬，展示場地土層破裂形成和擴(kuò)展特征，以及場地地表出現(xiàn)破裂并不一定形成土層貫通破裂的地震現(xiàn)象。王崢崢等［5］根據(jù)試驗條件和振動臺性能，確定模型系統(tǒng)的相似關(guān)系，由室內(nèi)配比試驗確定相似材料;根據(jù)試驗特點，設(shè)計模型箱。根據(jù)跨斷層隧道的數(shù)值結(jié)果，優(yōu)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(yù)測模型的情況，基于不排水條件下上覆土體的變形機(jī)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(chǔ)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(yīng)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(shè)計及地震安全性評價工作提供依據(jù)。何川等［9］采用振動臺模型試驗及數(shù)值計算的方法，研究了圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)特性、地層變形和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律等。國內(nèi)外跨斷層隧道的研究主要側(cè)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(chǔ)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(jù)。

1模型設(shè)計

1.1相似常數(shù)的確定物理模型試驗中，相似常數(shù)是原型與模型之間的橋梁，關(guān)系到所選擇的模型能否真實反映原型中的物理力學(xué)性質(zhì)(密度、彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變等)。因此，合適的相似常數(shù)的確定，更加有利于我們研究原型的物理、力學(xué)以及結(jié)構(gòu)特性。根據(jù)物理力學(xué)模型的相似指標(biāo)與單值條件，為了真實地反應(yīng)自重應(yīng)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(guān)系換算，體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)中自重應(yīng)力場的影響。同時，為滿足原型與模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和莫爾強度包絡(luò)線相似，選擇了應(yīng)變相似比為1，即Cε=1。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)相似理論，結(jié)合試驗設(shè)備能力、試驗復(fù)雜程度、試驗成本和試驗周期等因素的綜合權(quán)衡，選取幾何相似比Cl=100。由原型和模型的物理方程、應(yīng)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(dǎo)出物理模型試驗的其他相似關(guān)系如表1所示。

1.2材料配比的優(yōu)化依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70—2004)和巖石力學(xué)參數(shù)手冊，可以確定圍巖模型材料配比的物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)合相似常數(shù)可以推導(dǎo)出相應(yīng)的模型參數(shù)，如表2所示。根據(jù)袁宗盼［10］得到的正交配比試驗結(jié)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(guī)律，參考本次圍巖模型材料參數(shù)指標(biāo)，得到最佳試驗配比，再對最佳材料配比得到的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。可得到試驗中材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，基本上滿足模型試驗所需指標(biāo)值，材料及其配比如表3所示。

1.3圍巖尺寸設(shè)計基于對邊界條件、尺寸效應(yīng)以及結(jié)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(guān)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(jié)構(gòu)。模型箱四周用螺栓錨固，便于拆卸，內(nèi)壁粘貼硬質(zhì)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(jié)構(gòu)模型材料有金屬、塑料和石膏等。根據(jù)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(xué)性質(zhì)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(shù)據(jù)采集

2.1加載裝置根據(jù)試驗的具體情況及試驗條件，試驗選用千斤頂進(jìn)行加載。該方式為集中力加載，采用兩臺機(jī)械式千斤頂。該千斤頂?shù)囊?guī)格為20t，其最低高度300mm，起升高度500mm，調(diào)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(xiàn)活動盤傾斜的情況。

2.2監(jiān)測點的布置根據(jù)袁宗盼［10］對跨斷層隧道錯動響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行的數(shù)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(yīng)變片，對其縱向應(yīng)變變化進(jìn)行監(jiān)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(yīng)變片，用于監(jiān)測隧道襯砌縱向應(yīng)變，其分布位置如圖4所示。所有的應(yīng)變片測試結(jié)果均通過DH3818型靜態(tài)應(yīng)變測試儀(20通道)進(jìn)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(cè)，并連接到DH3818型靜態(tài)應(yīng)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(cè)對稱位置布置了兩個百分表，用以提高加載的準(zhǔn)確性，也可以嚴(yán)格控制活動盤水平的移動，避免其在移動過程中發(fā)生傾斜。

2.3數(shù)據(jù)采集選取最大錯動距離為16mm，平均每1mm采集1次應(yīng)變數(shù)據(jù)，一共16級，在加載時應(yīng)盡量均勻施加荷載減少受力不均帶來的影響。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示，左盤為錯動盤，右盤為固定盤，通過兩個機(jī)械式千斤頂進(jìn)行加載。隧道左拱腰位于圖中左側(cè)，隧道右拱腰位于圖中右側(cè)。

3試驗結(jié)果及分析

每級加載過程中，通過DH3818型靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行采集，結(jié)果如表4和5所示。由表4和5可以看出:在同一應(yīng)變片位置，隨著加載量的增大，應(yīng)變數(shù)值也逐步增大;同一加載級，應(yīng)變數(shù)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(yīng)變的關(guān)系。左、右拱腰的曲線走勢大致一致，并且拱腰的應(yīng)變均出現(xiàn)了正值和負(fù)值。襯砌左拱腰的正應(yīng)變最大值較右拱腰小，負(fù)應(yīng)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(yīng)變隨斷層位錯量的增大而變大，且測點左右襯砌的應(yīng)變是相反的。位錯量較小時襯砌應(yīng)變增幅較小，位錯量大時襯砌應(yīng)變增幅較大，且呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系。再以隧道軸線為橫坐標(biāo)，左盤的端部為坐標(biāo)原點，以襯砌應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)建立平面直角坐標(biāo)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(cè)的襯砌應(yīng)變值均為異號。同一位錯量下靠近斷層處襯砌應(yīng)變最大，隨距離斷層處越遠(yuǎn)襯砌應(yīng)變越小。在同一位置處位錯量越大應(yīng)變越大，且靠近隧道斷層處應(yīng)變最大。

4結(jié)論

1)隧道襯砌拱腰的縱向應(yīng)變分布規(guī)律基本相同。應(yīng)變值為正，表明處于受拉狀態(tài);應(yīng)變值為負(fù)，表明處于受壓狀態(tài)。由此可得隧道在左盤內(nèi)右拱腰受拉，左拱腰受壓;在右盤內(nèi)與此相反。即在隧道襯砌左右拱腰對應(yīng)位置處的應(yīng)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(dǎo)致隧道襯砌在平面上發(fā)生彎曲變形。2)應(yīng)變峰值的分布規(guī)律基本相同，主要分布在斷層破碎帶附近。右拱腰的拉壓應(yīng)變峰值絕對值主要分布在SR4和SR5附近;左拱腰的拉壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)變時，在另一盤就受到壓應(yīng)變。斷層破碎帶處的圍巖強度較低，地殼運動導(dǎo)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(yīng)變更大;隨著遠(yuǎn)離破碎帶，隧道受到的應(yīng)變減小。

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作者：張云飛 陳新民 袁宗盼 單位：南京工業(yè)大學(xué)