摘要
为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.
在我国广泛分布着活动断层.活动断层既是强震的主要危险源,也是引发地表变形及地下结构严重破坏的重大工程风险源.相关研究表
在现有研究中,众多学者基于模型试验方法,分析断层错动下隧道结构变形破坏特征.刘学增
在精细化数值模拟方面,郭翔宇
在理论解析方面,李瀚源
目前,跨断层隧道力学响应研究多以山岭隧道连续式结构或分段设置柔性接头的结构形式为主,对于城市地铁盾构隧道,由于其隧道结构形式、隧道周围地层条件与山岭隧道存在显著区别,故断层错动下城市浅埋盾构隧道的结构变形破坏特征存在诸多不确定性.然而在现有研究中,针对上跨隐伏断层盾构隧道力学响应及变形破坏特征的成果较为匮乏,隐伏断层错动下盾构隧道结构破坏形式及薄弱环节尚需深入研究.
有鉴于此,以济南地铁4号线区间盾构隧道上跨千佛山断裂带工程为背景,采用自主设计的断层错动模拟试验装置,开展几何比例为1∶25的跨断层盾构隧道室内模型试验,研究隐伏断层错动下盾构隧道结构变形特征及损伤破坏规律.研究成果可为地铁盾构隧道上跨隐伏断层的结构设计及灾害防护提供借鉴与参考.
1 模型试验设计
1.1 依托工程概况
在建济南地铁4号线省体育中心站-泉城公园站区间隧道穿越千佛山断裂带,区间隧道采用盾构法施工,断层运动属性为正断层,断层面倾角为70°~80°,断层基岩上覆土层主要包括素填土、碎石、胶结砾石及全风化闪长岩.区间隧道临近泉城公园,周边场地岩溶强发育,存在高承压性岩溶水,对区间盾构隧道的防水性能要求较高.
区间盾构隧道以上跨形式通过千佛山断裂带,隧道顶覆土厚度约为10 m,该区间隧道穿越地层主要为碎石和全风化闪长岩,岩体风化呈砂土状,岩体完整程度为极破碎.盾构隧道管片外径为6.4 m,内径为5.8 m,管片环宽1.5 m,厚度为0.3 m,设计采用C50混凝土,管片环缝之间设置16根6.8级螺栓,管片环与环之间采用通缝拼装方式.区间盾构隧道上跨隐伏断层的地质纵断面如

图1 盾构隧道上跨隐伏断层的地质纵断面
Fig. 1 The geological profile of shield tunnel overpassing buried fault
1.2 断层加载试验装置及工作原理
断层错动加载试验装置如

图2 断层错动加载试验装置
Fig. 2 Fault dislocation loading test device
1.3 模型试验相似材料
根据模型试验箱尺寸及模型材料特性,以长度相似比CL=1∶25、重度相似比Cp=1∶1作为基础相似比,其他相似比设计根据基础相似比,并基于量纲分析理论推导得出,其中弹性模量相似比CE=1∶25,泊松比相似比Cμ=1∶1,应变相似比Cε=1∶1,应力相似比Cσ=1∶25,土压力相似比CP=1∶25,管片配筋量相似比CAs=1∶625,环缝接头抗拉刚度相似比CKt=1∶625.
1.3.1 模型管片制作
试验以石膏模拟盾构隧道,具体制作方法为:将水、石膏及硅藻土按照一定配比浇筑试块,通过单轴抗压强度试验测定石膏强度,最终确定为水∶普通石膏∶硅藻土的质量比=1∶1∶0.1.石膏管片与实际隧道管片的物理力学参数如
参数类别 | 弹性模量/GPa | 泊松比 | 单轴抗压强度/MPa |
---|---|---|---|
原型 | 34.5 | 0.25 | 32.4 |
模型 | 1.46 | 0.24 | 1.33 |
石膏管片外径为26 cm,厚度为1.4 cm,环宽6 cm,分别对应原型隧道外径6.5 m、管片厚度0.35 m及环宽1.5 m.在石膏管片内放入直径0.8 mm的细铁丝网,铁丝网间距为1 cm,近似模拟管片钢筋.管片环向接头采用内外侧开槽的方式近似模
1.3.2 环缝接头模拟及管片拼装
以往学
(1) |
式中:n和n'分别为原型及模型隧道接头螺栓数量;Et和分别为原型及模型隧道螺栓弹性模量;At和分别为原型及模型隧道螺栓截面积;LP和分别为原型及模型隧道螺栓有效长度.
石膏管片环缝共设置8个纵向接头板,若选用钢材作为接头片材,则片材厚度应为0.12 mm,实际选材比较困难.根据调研,HDPE(高密度聚乙烯)片材的弹性模量较小,通过材料的室内拉伸试验测得HDPE片材的弹性模量约为850 MPa.试验最终选用的厚度1.5 mm、长度20 mm、宽度15 mm的HDPE接头模型板可满足接头刚度等效要求.模型隧道接头片材与实际隧道环缝接头的抗拉刚度如
参数类别 | 材料类型 | 弹性模量/GPa | 接头尺寸 | 抗拉刚度/ (kN· |
---|---|---|---|---|
原型 | 钢材 | 206 | M27螺栓 | 4 717.86 |
设计 | 钢材 | 206 | 厚0.12 mm | 7.549 |
模型 | HDPE | 0.85 | 厚1.5 mm | 7.549 |
模型隧道制作流程如

图3 模型隧道管片制作及拼装
Fig. 3 Fabrication and assembly of model tunnel segments
1.3.3 模型土制备
参考已有研究成

图4 模型土制备流程
Fig. 4 Preparation process of model soil
参数 类别 | 弹性模量/MPa | 重度/(kN· | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/kPa |
---|---|---|---|---|
原型 | 50 | 20.2 | 35.0 | 50 |
模型 | 2.68 | 18.9 | 33.2 | 2.2 |
1.4 监测方案
试验监测项目主要包括隧道竖向位移、管片直径收敛变形、环缝接头变形、管片横向应变以及地层接触压力等.在石膏管片内部安装位移传感器监测隧道竖向位移及管片竖向收敛变形.在管片拱顶、拱底及拱腰外侧粘贴应变片监测管片环横向受力.在隧道拱顶及拱底埋设微型土压力盒,监测隧道与地层之间接触压力.通过粘贴在接头板上的应变片测量环缝接头纵向应变,并根据接头应变反算接头张开量.具体的试验监测断面布置及监测仪器如

图5 模型试验监测断面及测点分布(单位:mm)
Fig. 5 Monitoring section and measuring point distribution of model test(unit:mm)

图6 试验监测仪器
Fig. 6 Instruments for test monitoring
1.5 试验实施
本试验包含6个关键实施步骤,具体为:
1)模型管片制作及拼装.浇筑模型管片结构,养护完成后进行切槽与打孔,然后进行逐环拼装.
2)模型土的制备及分层夯实.将模型土分层填入模型箱中,每层装填10 cm并分层压实.
3)传感器粘贴及放置模型隧道.在模型隧道上粘贴应变片与土压力盒,将隧道放入模型箱内.并继续分层填入模型土,当达到预定高度后,停止填料,静置24 h以上.
4)传感器安装及调试.在管片内部安装位移传感器,调试传感器数据.
5)开始试验并记录数据.为了保证试验满足准静态加载要求,试验过程中控制液压油缸加载速率为0.5 mm/mi
6)试验结果观察.开挖部分土体,观察模型管片的变形破坏特征.
需要说明的是,模型试验断层倾角为75°,模型断层最大错动量为2 cm,对应实际50 cm的错动量.试验主要操作流程如

图7 模型试验主要实施流程
Fig. 7 Main implementation process of model test
2 试验结果分析
2.1 隧道管片环纵向变形分析

(a) 拱顶竖向位移

(b) 拱底竖向位移
图8 盾构隧道竖向位移沿轴向分布曲线
Fig. 8 Displacement distribution curve of shield tunnel along the axial direction
此外,管片拱顶和拱底的垂向位移变化均小于基岩错动位移,说明断层基岩与隧道之间的土层对隧道具有一定保护作用,在一定程度上降低了断层错动对隧道结构的不利影响.

图9 盾构隧道直径收敛变形与断层错动量关系
Fig. 9 Relationship between diameter convergence deformation of shield tunnel and fault dislocation
2.2 管片环缝接头变形分析

(a) 拱顶环缝接头

(b) 拱底环缝接头
图10 管片环缝接头板沿轴向变形分布曲线
Fig.10 Deformation distribution curve of segment joint plate along the axial direction
此外,随着断层错动量增大,盾构隧道环缝接头的变形增量逐渐减小,这主要是由于此时的环缝接头石膏已产生局部破坏,从而导致接头HDPE片材的拉应变增量减小.
2.3 管片-围岩接触压力分布规律分析

(a) 隧道拱顶围岩压力分布

(b) 隧道拱底围岩压力分布
图11 隧道-围岩接触压力沿轴向分布曲线
Fig.11 Distribution curve of tunnel-surrounding rock contact pressure along the axial direction
根据以上分析可知,在正断层错动下,断层延长线与隧道交界处附近隧道拱顶及拱底围岩压力存在围岩挤压区与围岩松散区,其中拱底围岩压力受断层的影响更大.随着断层错动量增大,断层上盘隧 道拱底所受地层挤压作用持续减小.此外,试验最终得到的峰值围岩压力为22.2 kPa,对应实际工况的 0.56 MPa,表明此时隧道结构与地层之间并未发生严重挤压现象,主要原因是断层强迫位移在向地表传播过程中影响范围逐渐变大,影响程度逐渐减小,同时隧道周围土质地层对结构的变形限制作用较小.因此,对于跨活动断层城市浅埋盾构隧道,隧道受到地层挤压作用的影响相对有限.
2.4 管片结构环向应变响应分析

(a) 拱顶外侧环向应变

(b) 拱腰外侧环向应变

(c) 拱底外侧环向应变
图12 隧道管片环向应变与断层错动量关系
Fig.12 Relationship between circumferential strain of tunnel segment and fault dislocation
在主要影响区内,管片拱顶及拱底外侧应变值为负,表明该处结构外侧受压、内侧受拉;拱腰外侧应变值为正,表明该处结构外侧受拉、内侧受压.在断层错动2 cm时,断面D管片的最大拉压应变分别为736 με和926 με,此时管片环向应变较大,存在纵向开裂的风险.在次要影响区内,最终加载步的管片环向最大拉压应变分别为178 με和147 με,远小于相似材料石膏的极限压应变,说明上述部位管片横向受力较小,管片发生横向压溃的风险较低.
2.5 模型隧道变形破坏特征分析
试验加载结束后,将土层挖开得到已产生明显变形的模型隧道,如

图13 盾构隧道纵向变形
Fig. 13 Longitudinal deformation of shield tunnel
观察模型隧道局部变形,发现在断层延长线附近的隧道拱顶、拱底均产生了环缝张开及错台变形,如

图14 隧道管片环缝接头变形特征
Fig. 14 Deformation characteristics of tunnel segment joint

(a) 管片环缝接头拉裂破损

(b) 管片结构纵向裂缝
图15 隧道管片及接头损伤破坏形式
Fig. 15 Damage failure forms of tunnel segments and
circumferential joints
3 讨 论
3.1 隧道变形破坏规律
根据第2节试验结果可知,断层错动下盾构隧道的主要破坏特征包括环缝接头石膏拉裂破损及管片纵向裂缝,同时环缝接头易产生较大的张开及错台变形.由于管片环缝接头刚度远小于管片本体刚度,且断层强制位移作用在向地表传播的过程中削弱了其对隧道的剪切作用,故盾构管片发生斜向剪切破坏的风险较低,上述隧道的变形破坏特征与跨断层矿山法隧道的结构斜向剪切破坏模式存在显著差
此外,试验中环缝接头位置的石膏模型并未产生局部压溃及掉块现象,推断跨正断层城市浅埋盾构隧道发生管片压溃破坏的风险相对较低,盾构隧道整体以环缝接头张拉破坏为主,上述现象与Kiani
根据模型试验得到的盾构隧道变形破坏特征,沿隧道轴向可以将盾构隧道划分为拱底受拉区、拱顶受拉区及环向受力区,如

图16 正断层错动下模型隧道变形破坏素描图
Fig. 16 The sketch of deformation and failure of model tunnel under normal faulting
3.2 隧道变形破坏控制指标
在盾构隧道横向变形性能研究方面,董正方
从管片破坏形态分析,本试验管片纵向裂缝主要分布在拱底内侧及拱腰外侧,仅为单条纵向裂缝,裂缝发展程度较浅,根据王士民
在盾构隧道纵向承载力研究方面,Wang
在本试验中,当断层位错动量达到2 cm时(对应原型50 cm断层错动量),换算为原型的隧道环缝峰值张开量为9 mm,已经远超出管片接缝防水限制指标,接头混凝土发生严重拉裂破损,严重影响隧道的运营安全.此外,由于接头相似材料尚无法满足接头塑性变形阶段的相似等效理论,故试验得到的管片环缝变形量偏小.
综上所述,本文建议将管片环缝接头变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.
3.3 对盾构隧道结构设计的建议
目前,国内外的隧道设计规范规定隧道以避让活动断层为主,且均未明确提出跨断层隧道结构设计方法及应对措施.结合本试验研究成果,在盾构隧道结构设计方面提出如下建议:
1)本试验盾构隧道受断层错动的影响范围约为4D(D为隧道外径),在#9~#14环管片环缝接头处发生明显拉裂破损,而在实际工程中,盾构隧道的变形破坏范围受断层运动属性、断层错动量、断层与隧道垂直距离等因素的影响.因此,在进行盾构隧道结构设计时,应结合具体工程,重点加强断层附近盾构隧道环缝接头承载力与变形验算.
在应对措施方面,可将该范围内的管片替换为钢纤维混凝土管片或钢管片,或对螺栓手孔位置的衬砌结构进行局部补
2)由于在断层错动下,盾构隧道横向承载力远大于纵向承载力,管片并未发生横向失稳破坏,因此可以按照高于本地区抗震设防烈度一度的抗震设防烈度进行管片结构横向承载力验算,并适当提高管片钢筋数量与等级.当盾构管片横向变形不满足设计要求时,可采用钢板加固措施进行结构补强.
4 结 论
通过开展隐伏正断层错动对地铁盾构隧道影响的模型试验,揭示了盾构隧道上跨隐伏断层的结构变形与损伤破坏特征,明确了盾构隧道的薄弱环节,主要结论如下:
1)在正断层错动下,隧道纵向差异变形呈现非线性增加趋势,环缝接头变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,换算为原型的环缝峰值张开量为9 mm,远超过地铁盾构隧道接缝防水限值.
2)隧道与地层之间接触压力主要位于断层延长线与隧道交界面附近,且存在围压松散区与围岩挤压变形区,试验最终得到的峰值围岩压力为 22.2 kPa,对应实际工况的0.56 MPa,表明地层对隧道的挤压作用相对有限.
3)管片环向受力整体呈现“横鸭蛋形”,位于断层延长线附近的管片环向应变较大,断层延长线与隧道交界处(#12~#15环)管片结构径向收敛变形较为严重,该处管片易发生纵向开裂.
4)盾构隧道的主要破坏特征包括环缝接头石膏拉裂破损及管片纵向裂缝,同时管片环缝变形量较大,盾构隧道发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.结合盾构隧道横纵向承载力特性,建议将管片环缝接头变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.
5)在进行盾构隧道结构设计时应重点加强环缝接头承载力与变形验算,为了提高盾构隧道抗错断性能,建议将断层错动影响区内的管片替换为钢纤维混凝土管片或钢管片,或补强纵向螺栓手孔位置的衬砌结构,并设置适应接缝大变形及防水性能可靠的柔性连接件.
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