活动断裂区域隧道工程震后修复关键技术研究.pdf
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1、NO.8(Ser.299)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETYAug2023报学程铁道2023年8 月第8 期(总2 9 9)文章编号:1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 8-0 0 7 2-0 8活动断裂区域隧道工程震后修复关键技术研究戴志仁王泽宇2俊1*王胡瑞青1(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 7 1 0 0 43;2.江苏海洋大学,连云港2 2 2 0 0 5)摘要:研究目的:针对近年来强震对地下工程造成的安全影响,通过实际案例剖析,明确震害类型并提出震后隧道结构安全评估方法,明确地震引起的结构破坏范围及其程度,提出围岩劣化
2、条件下衬砌结构抗震验算思路,提出灾后隧道修复或结构补强方法,进一步从衬砌结构设计方面,提出增强隧道韧性适应大变形地层位错能力的措施。研究结论:(1)提出了活动断裂区域隧道震害三种形式,建立了隧道震害评估方法,明确结构型震害与变形型震害的分级原则;(2)基于地震引起围岩劣化与地震烈度提高,提出隧道抗震验算分析方法,明确具体抗震薄弱区域;(3)明确震后隧道整体修复方案,包含洞身临时加固方案与衬砌结构永久补强方案;(4)基于常用隧道抗错断措施存在的缺陷,从衬砌类型选择、仰拱结构与新型节段式衬砌等方面,提出更为有效的应对地层大变形需求的抗错断措施;(5)本研究成果可为震后地下工程的评估与修复提供参考。
3、关键词:活动断裂;地震;隧道;抗震;大变形;修复中图分类号:U2文献标识码:AKey Techniques and Countermeasures for Tunnel Repair Projects afterEarthquake while Tunneling through Active FaultsDAI Zhiren,WANG Zeyu?,WANG Jun,HUI Ruiqing(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.Ltd,Xian,Shaanxi 710043,China;2.Jiangsu Ocea
4、nUniversity,Lianyungang,Jiangsu 222005,China)Abstract:Research purposes:As for the safety influences on underground engineering after strong earthquake,thesafety assessment method for tunnel structure was put forward based on case analysis.The scope and extent of structuraldamage caused by earthquak
5、e was identified,and the seismic calculation method of lining structure after the degradationof surrounding rock was presented and the tunnel renovation and structural reinforcement were proposed correspondingly.Finally,the enhance measures for tunnel adaptability of large stratum deformation were p
6、ut forward in terms of the designof the second lining.Research conclusions:(1)The assessment method for tunnel hazard induced by earthquake in active fault wasestablished.The classification principle of structural and deformation type earthquake damage was made.(2)Based onthe degradation of surround
7、ing rock and the increase of earthquake intense,the seismic analysis of tunnel and thespecific seismic weak area were put forward correspondingly.(3)The overall tunnel renovation method afer earthquakewas proposed,including the temporary reinforcement method for tunnel body and the permanent reinfor
8、cement of tunnel米收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 3基金项目:2 0 1 6 年度陕西省重点科技创新团队计划项目:西安地铁修建关键技术研究创新团队(2 0 1 6 KCT-07);中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目(院科1 9-52)*作者简介:戴志仁,1 9 8 1 年出生,男,正高级工程师,一级注册结构工程师,注册土木工程师(岩土)。王泽宇俊等:活动断裂区域隧道工程震后修复关键技术研究戴志仁第8 期lining.(4)Considering the defect of anti-fault measures in common,based on the selec
9、tion of lining type,archstructure,new type of segmental lining and so on,the more effective anti-fault measures to meet the large stratumdeformation were put forward.(5)The research results can serve as references for the evaluation and repair ofunderground engineering after earthquake.Key words:act
10、ive fault;earthquake;tunnel;anti-seismic measures;large stratum deformation;tunnel renovation1研究背景近年来,随着高地震烈度地区隧道建设规模的日益扩大,特别是穿越活动断裂带隧道日益增多,隧道抗震技术面临巨大挑战。如兰新高铁大梁隧道、成都一兰州铁路隧道群、大瑞铁路高黎贡山隧道、川藏铁路等重要工程均穿越大量活动断裂带活动断裂在某种意义上为潜在突发性黏滑地震灾害源及无震(或小震)蠕滑地质灾害源。黏滑型活动断层的运动具有突发性,板块运动积聚的能量在短时间内以断裂带突然错动的形式释放,如2 0 1 2 年汶川地
11、震 2 3 与2 0 2 2 年门源地震 4,均对临近地下工程造成了严重影响。目前高烈度地震区重大工程,如在建的川藏线,已明确要求基于门源地震影响深化工程抗震设防措施。国内学者针对穿越活动断裂带隧道抗震设防技术开展了大量的研究。田四明等 5 基于门源地震,提出了隧道穿越活动断裂带隧道设防分区及抗震设防措施;赵天次等 6 针对成兰铁路建立隧道位错反应分析模型,分析了隧道衬砌结构的应力应变、损伤特点;安韶等 7 基于乌鲁木齐地铁2 号线三维有限元模型讨论了柔性接头的减灾效果;石文昊等 8 研究了强震区隧道跨越断层采用围岩注浆加固与减震层加固刚柔并济措施的有效性。综上所述,目前相关研究主要集中在断层
12、错动下隧道衬砌受力与结构稳定性等方面,对于震后隧道修复与大变形错断设防技术方面仍存在明显不足。本文基于实际工程,首先分析提出了隧道震后破坏的三种形式,即结构型震害、变形型震害以及承载能力减弱型震害,对震后隧道受损情况与安全性进行评估,明确隧道衬砌受震破坏情况及修复范围,针对地震引起隧道围岩劣化与降级的情况进行衬砌结构抗震分析,提出了洞身临时加固与衬砌结构套衬补强方案,最后基于大变形地层错断要求,提出了加强型仰拱、新型节段式衬砌以及韧性结构等应对措施,研究成果可为类似工程提供借鉴。2穿越活动断裂带隧道震害情况2.1活动断裂带地震与地表位错情况2022年1 月8 日,青海省门源县发生M6.9级地震
13、,距离兰新高铁大梁隧道最近约4.5km。地震形成的地表主裂缝通过大梁隧道出口上侧山体,地表裂缝近东西向延伸,北侧裂缝长约2 1.5km,最大位错量约3.1m。地震与隧道线位关系示意如图1 所示。F大梁隧道出口F18震中当新高铁线位大梁隧道进口图1地震与隧道线位关系示意图2.2隧道受损情况大梁隧道位于祁连山中高山区,最高海拔4430 m,最大埋深约8 0 0 m,全长6.57 km,双线隧道,线间距5m。地震导致隧道线形发生了局部偏移,在F,断层影响区域最为明显,隧道衬砌出现了严重的破坏,局部出现了整体性破坏(图2)。图2震害极严重段隧道破坏情况2023年8 月报程道铁学74根据隧道受损情况,大
14、致分为三类:震损极严重(V级破坏)、震损严重(IV级破坏)、震损中等(级破坏)。震损极严重段落是指隧道结构损毁严重,结构功能基本丧失,一般位于断层附近,需拆除重建。震损严重段落主要集中在隧道拱墙部位,多出现局部或整体掉块、钢筋裸露、贯穿裂缝等,需采取套衬整体补强。震损中等段落一般是指衬砌开裂较严重,可能会影响后期安全运营,可采用套衬进行局部补强。2.3地震对隧道结构安全性的影响分析当前我国地下工程抗震理念与抗震设计主要针对地震引起的震动破坏进行设防,而非断层发生断错引起的位错破坏。当隧道穿越活动断裂时,其断错影响主要体现在以下三个方面:第一,活动断裂位错引起的隧道线位突变无法顺接,影响限界,即
15、使变形段隧道结构依然较为完好,但仍无法使用,可将其定义为隧道变形型震害。第二,地震使隧道结构或设备受到损坏无法继续使用或影响运营阶段正常使用,可将其定义为结构破坏型震害。第三,承载能力减弱型震害。地震引起衬砌结构背后围岩劣化、承载能力降低;同时引起震区地震基本烈度重新划分,并可能提高设防烈度。因此,需考虑围岩劣化及设防烈度变化,对未显著受损段隧道结构承载安全性及正常使用状态进行检算,作为结构加强依据。3震后隧道安全评估及修复方案根据地震对隧道结构的主要影响,隧道地震灾害评估应包含两部分内容(图3):一是隧道洞身主体结构地震破坏程度的评估(包括变形破坏与震损破坏);二是对后续仍可利用段隧道结构安
16、全性的评估(围岩劣化或设防烈度提高)。地震破坏程度评估结构安全性评估1隧道结构隧道结构结构承载变形破坏震损破坏抗震检算整体偏移局部错动净空变形结构劣损结构破损结构损毁震后围岩劣化设防烈度变化1-1整体功能结构功能震后结构-丧失程度损失程度承载能力-综合定极定极明确修复、加强、拆换及重建段落非受损严重段结构承载及安全状态指导制定合理可靠整治措施,保障隧道结构震后长期运营安全图3隧道安全评估体系3.1隧道洞身主体结构安全评估3.1.1评估思路隧道洞身主体结构破坏主要包括变形破坏与震损破坏。隧道变形型震害主要由于断层穿越隧道或断层虽未穿越隧道但地震引起区域位移带动隧道整体或局部发生线位变化(即隧道整
17、体位移与隧道净空变形);隧道结构破坏型震害主要包括隧道拱墙衬砌结构破坏和隧底结构破坏3.1.2评定标准3.1.2.1隧道洞身主体结构破坏等级评定标准综合现场震害情况,分别将洞身主体结构破坏程度由重到轻分为A、B、C、D、E五级。隧道拱墙衬砌破坏等级评定标准如表1 所示,评估因素包括开裂、剥落、掉块、压溃、塌、垮塌等。3.1.2.2隧道变形破坏等级评定标准结合地震引起的隧道线位变化程度及工程修复的难易程度,将引起隧道整体功能丧失的隧道变形程度由重到轻分为A、B、C、D、E五级,各级评定标准如表2所示,评估因素包括隧道衬砌整体竖向、横向位移,净空变形等。表1隧道拱墙混凝土衬砌破坏等级评定表破坏等级
18、开裂或错动压溃、掉块或塌大面积剥落掉块;大面积塌,结A(损毁)大面积开裂错动,或错位、断裂、扭转构失稳衬砌裂缝较多,纵横交织呈网状;裂缝较少但呈纵斜向,且延展长、压溃明显,钢筋外露甚至弯曲;大B(严重破坏)宽度大、深人衬砌内部,甚至贯穿衬砌,或裂缝有明显错动;裂缝有块剥落或掉块;局部塌明显发展趋势斜向裂缝长度3m;仅一条裂缝,长度5m,宽度 3mm,未见发C(中等)展趋势;有一条及以上裂缝,主裂缝长度5m,甚至整版连续,宽度局部轻微压溃;局部剥落或小掉块3mm,有一定发展趋势;施工缝开裂,且可能掉块施工缝局部开裂;有少量离散裂缝,裂缝长度 5m,宽度 3mm,且D(轻微)边墙轻微剥落未见发展趋
19、势E(基本完好)完好或少量裂纹基本完好王泽宇戴志仁俊等:活动断裂区域隧道工程震后修复关键技术研究第8 期5表2隧道变形破坏等级评定表变形破坏等级隧道整体功能损失程度线位偏移过大,局部调线调坡无法顺接,A需进行一定程度改线,原隧道整体功能(改建)完全丧失,需大段落改扩建或拆除重建线位偏移显著,局部调线调坡并结合隧B道断面调整,方可满足限界要求,原隧道(局部扩建)整体功能丧失明显,需小段落拆换或局部改扩建线位有一定偏移,在隧道净空富余量内C进行局部调线调坡基本可满足限界要(限界调整)求,隧道整体功能大部分保留D线位偏移很小,且在轨道可调范围内,隧(偏距调整)道整体功能基本完好E线位未偏移或发生微小
20、位移,在可接受(基本不动)范围内,隧道整体功能完好3.1.2.3隧道震害等级划分根据前述隧道变形破坏等级与结构破坏等级分类情况,基于矩阵法得出隧道地震破坏等级情况,将隧道震害程度由轻到重分为I、I、I V、V五级,如表3所示。表3隧道地震破坏等级确定变形等级EDCBAE1IVVDIVVCVVBVIVIVIVVAVVVVV结合隧道整体功能丧失情况及结构破坏情况,隧道震害程度及处理措施建议如表4所示。其中,V、V级破坏是需要进行结构修复及补强处理的,级及以下进行局部修复或处理即可恢复隧道正常功能。表4隧道地震破坏等级划分破坏行车处置功能影响等级安全影响措施整体功能完好,结1基本不影不处理或构设施完
21、好或轻基本完好响局部处理微受损继续发展整体功能完好,结局部修补可能危及轻微构设施部分受损恢复功能行车安全危及行车结构受损明显中等安全或断道结构修复IV整体功能丧失明及补强断道严重破坏显,结构损坏严重V整体功能完全丧断道拆除重建毁坏失,结构损坏失效3.1.3评估结论3.1.3.1隧道结构震害整体情况隧道拱墙A级破坏(损毁)共9 处/长48 0 m;拱墙B级破坏(严重破坏)共1 6 处/长1 0 3m;剩余绝大多数震害均为C级(中等)及以下,结构基本完好,通过局部补强、修补或正常维护可继续使用。3.1.3.2隧道结构变形破坏隧道线位调整后的水平偏距为30 1 45.4cm,长约2 8 9 m,部分
22、段落已侵限,变形破坏等级为A级。其他段落线路水平偏距均小于30 cm,即使考虑既有结构损伤采取套衬等加强措施净空仍满足要求,变形破坏等级为C级及以下。由以上可知,IV、V 级破坏主要集中在拱墙A级与B级损毁段,以及线位A级变形段,总长度为58 3872m,此范围内隧道需采取结构补强措施。3.2隧道结构抗震验算3.2.1计算工况与计算假定由于地震作用后围岩经过振动及挤压变形等作用,导致松弛、劣化,地震后大梁隧道有31 0 m的级围岩劣化为IV级围岩,46 8 m的IV级围岩劣化为V级围岩。同时考虑结构还应具有一定的地震安全余,因此针对衬砌结构分别进行围岩荷载、围岩荷载+地震荷载作用下结构安全检算
23、,计算工况及计算假定如下:第一,围岩松弛但围岩级别不变,荷载全部由二次衬砌承担。第二,围岩受损且围岩参数劣化,考虑围岩级别降低一级,且围岩荷载全部由二次衬砌承担。第三,若围岩松弛、劣化造成结构安全系数不满足要求,检算增加套衬后结构安全。计算时围岩参数分别选取规范中的中值/下限值,地震作用采用地震安评场地基本烈度8 度的基础上,考虑设防烈度提高一度(9 度)进行分析,即计算工况中包含了围岩压力最大、地震荷载最大、二衬承担比例最高的最不利组合,以深埋级围岩为例。3.2.2计算模型与结果分析地震震级高,震源距离近,造成局部深埋隧道结构破坏,深埋隧道采用时程分析法计算。根据震后场地沿线地震动加速度0.
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