引用本文
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CAO Jun, CUI Zhen, ZHANG Xiangyu, ZHANG Jiawei. Method and model experiment of resisting dislocation of tunnel based on the brittle buffer concept[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2024, 64(7): 1116-1125.  
基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法及模型试验
曹俊1,2, 崔臻1,2, 张翔宇1, 张佳威1    
1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071;
2. 中国科学院大学，北京 100049
收稿日期：2024-01-05
基金项目：国家重点研发计划“川藏铁路”重点专项2023年度青年科学家项目(2023YFB2390400)；云南省重大科技专项计划项目(202102AF080001)；国家自然科学基金资助项目(52079133，52379112)；水利部重大科技项目(SKS-2022103)
作者简介：曹俊(1999—)，男，硕士研究生
通讯作者：崔臻，研究员，E-mail：zcui@whrsm.ac.cn
摘要：针对许多隧道面临的穿越活动断层挑战，该研究提出一种基于脆性缓冲理念的隧道抗错断方法。通过设计并实施模型试验，验证脆性缓冲结构在抗错断方面的有效性。研究结果表明：当断层发生错动时，采用脆性缓冲结构的隧道设计理念是可行的。通过观察破坏模式发现，脆性缓冲材料的粉碎和衬砌的部分脱空作用可有效分散局部剪切破坏，显著降低断层带区域衬砌的损坏程度。在上盘区域，拱顶处的脆性缓冲结构被压碎，与此同时，拱底处脱空。下盘区域的拱顶处脱空，而拱底的脆性缓冲结构被压碎。这种变形模式有效分散了断层位置的局部剪切变形，显著减轻了衬砌的损坏。在50 mm厚缓冲结构的保护下，即使错动位移达到100 mm，相当于实际情况下的4 m位移，衬砌模型表现出的损坏较小，突显了脆性缓冲结构在保护隧道结构完整性方面的强大性能。此外，从应变监测数据分析可以看出，衬砌的应变峰值并不出现在断层破碎带内，而是迁移至离断层位置较远的区域，显著减轻了断层破碎带内的应变集中现象。该研究为跨越活动断层带的隧道设计提供了重要的理论依据和实践指导，为抗错断方案的选择提供了参考。
关键词：隧道工程    活动断层    模型试验    脆性材料    
Method and model experiment of resisting dislocation of tunnel based on the brittle buffer concept
CAO Jun1,2, CUI Zhen1,2, ZHANG Xiangyu1, ZHANG Jiawei1    
1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: [Objective] Tunnels are integral to transport infrastructure and often face the formidable challenge of traversing active fault zones during construction. The active fault zones indicate potential geological disturbances, leading to structural damage and posing a severe threat to tunnel safety. Therefore, this study aims to propose a method of resisting dislocation of tunnel based on the brittle buffer concept to enhance the structural integrity of tunnels when confronted with displacements induced by fault activities. The method involves strategically filling the space between the primary and secondary linings with brittle and compressible materials, which serve as buffers to absorb and mitigate localized displacements caused by fault activities, thus protecting the tunnel from substantial damage. [Methods] To rigorously study and validate the effectiveness of the proposed brittle buffer structure in resisting fault displacements, a comprehensive indoor model experiment was designed and implemented. Scaling down the size according to a 40:1 geometric similarity ratio and using similar materials for the surrounding rock, lining, and buffer structures, tunnel model was cast in the laboratory, simulating fault movements within the model box. The analysis focused on the deformations and failure characteristics of the models under different fault loads, confirming the effectiveness of the brittle buffer structure. [Results] Observations of tunnel deformation and failure modes after fault movements revealed distinct patterns. In the hanging wall of the fault, the brittle buffer structure at the arch top was crushed, accompanied by void formation at the arch bottom. Meanwhile, in the footwall of the fault, the arch top exhibited voiding, whereas the brittle buffer structure at the arch bottom was crushed. This deformation pattern effectively dispersed local shear deformations at the fault location, markedly mitigating damage to the lining. Impressively, under the protection of a 50-mm buffer structure, the lining model showed minimal damage even with a 100-mm displacement, equivalent to a substantial 4-m displacement in practical design scenarios, underscoring the robust performance of the brittle buffer structure in preserving the structural integrity of the tunnel. Furthermore, this study delved into strain monitoring data analysis and revealed a considerable shift in the peak strain of the lining away from the fault crush zone. This strategic relocation of strain concentrations to areas farther from the fault indicated a substantial reduction in strain intensity within the fault zone and confirmed the efficacy of the brittle buffer structure in dispersing and minimizing localized damage. [Conclusions] The results confirm the practical feasibility and effectiveness of incorporating a brittle buffer structure in tunnel designs for scenarios involving fault-induced displacements. This design exhibits exceptional performance in resisting fault-induced displacements, particularly suitable for tunnels crossing fault locations with significant estimated displacements. The outcomes of this study provide a crucial theoretical foundation and practical guidance for tunnel designs that cross active fault zones. This research contributes to the selection of antidisplacement solutions in tunnel engineering, paving the way for innovative approaches to address seismic challenges in tunnel construction.
Key words: tunnel engineering    active fault    model experiment    brittle materials    

随着社会进步，公众对交通便捷性的需求日益增长。近年来，为缓解地表交通负担，开发地下空间成为新趋势，地下工程与隧道建设成为关注焦点。在不均匀相对位错的条件下，隧道的衬砌结构可能因剪切、拉伸等多种因素遭受损害，这不仅影响隧道的正常功能，更对隧道的安全构成威胁。尤其是当隧道在断层区域内发生黏滑错断时，往往会使衬砌产生剧烈剪切破坏。例如：2021年，青海省门源地震导致跨冷龙岭断层的兰新高铁大梁隧道结构严重破坏[1-2]。在隧道穿越活动断层时，若无相应工程措施应对活动断层的错动，尤其是大位移错动，则会造成隧道结构的严重破损，严重威胁行车及生命财产安全。因此，消除大位移活动断层错动对隧道结构的严重威胁是隧道工程建设的重大技术难题。在隧道跨活断层抗错断结构设计方面，诸多学者开展了大量研究工作，目前较为常用的跨断层隧道抗断方法包括“铰接设计” “超挖设计” “隔离消能设计”[3-5]。

有学者通过模型试验、数值模拟等方法研究以上抗错断方法的效果。在柔性连接设计方面，刘学增等[6-8]通过室内模型试验研究柔性连接和变形缝对隧道的影响。杜修力等[9]、周光新等[10]讨论了走滑断层作用下铰接体系隧道的破坏机制。闫高明等[11]、Yan等[12]采用数值模拟方法研究铰接隧道的衬砌损伤模式。Zhang等[13]通过模型试验对比分析常规隧道结构与柔性铰接隧道结构的力学行为差异。还有部分学者[14-18]通过模型试验与数值模拟研究柔性铰接隧道的铰接形式、节段长度、接缝宽度等因素对隧道力学响应和破坏特性的影响。此外，Shahidi等[19]基于Koohrang-Ⅲ隧道提出一种在活动断层区域内设计柔性连接的方法，并计算验证了其可行性与优越性。范雪宁等[20]在南水北调西线调水工程中提出，在穿越活断层处采用柔性复合衬砌结构，以适应断层错动。在缓冲层设计方面，李守刚[21]采用室内模型试验的方法研究减震层对跨断层隧道的减错效果。

大量研究表明，铰接设计、扩挖设计、隔离消能设计均具有良好的抗错断能力，在工程中已具有初步应用，并取得了良好效果，但是也存在一些问题，例如：铰接设计隧道错断后，路面标高突变，节段间将呈锯齿状；扩挖设计隧道错断后，路面也发生位错，灾后修复工作量较大，难以快速恢复交通。因此，可在现有基础上继续改良，提高抗错断工作性能，取得更好的防灾减灾效果。基于上述讨论，本研究提出一种脆性缓冲抗错断结构。脆性缓冲结构指在断裂带影响区域进行扩挖，在扩挖断的初衬与二衬之间填充脆性材料，脆性材料在受到断层荷载后迅速破坏，为断层产生的位移留出变形空间。脆性缓冲结构旨在减轻隧道结构受错断的影响，减小灾后修复难度。本研究主要针对脆性缓冲结构进行模型试验验证。

1 试验装置与工作原理

本研究模型试验装置采用自主研发模型试验设备，如图 1所示。试验装置由模型箱、加载系统和支撑框架组成，可施加倾滑断层荷载。其中，模型箱为长方体，长宽高分别为200、125、125 cm，被动侧箱体预留有观察口，方便内窥镜进出。按照是否移动，模型箱分为主动侧与固定侧。可以通过衬砌放置倾斜角度实现不同倾角的倾滑型断层错动，并通过伺服系统控制错动位移。

图 1 模型试验装置
图选项

2 试验设计 2.1 相似材料

根据试验设备和场地尺寸的限制，本次缩尺模型试验采用的几何长度相似比为CL=40。由于浇筑工艺的限制，用于浇筑衬砌的相似材料需具备一定的流动性，以达到顺利浇筑的目的。因此，隧道衬砌模型的密度相似比为Cρ=1.5，弹性模量相似比为CE=60，根据上述基础相似比，利用相似原理列出π项计算式，推导出其他相关力学参数的相似比，应变相似比为Cε=1，应力相似比为Cσ=60。

在模型试验中，考虑围岩等级为Ⅲ级围岩，破碎带围岩分类为Ⅳ级。隧道截面形状设计为马蹄形。通过阅读相关文献及反复力学相关试验的测试，将模型试验中围岩的相似材料选择为粉煤灰、黄沙、机油和硅藻土，质量比为100∶75∶25∶47；将破碎带的相似材料选择为粉煤灰、黄沙、木屑、机油和硅藻土，质量比为100∶74∶35∶20∶47；将衬砌的相似材料选择为由石膏、硅藻土、水搅合拌制而成，质量比为7∶3∶9。衬砌、破碎带、围岩材料的重度γ、弹性模量E、Poisson比ν、抗压强度F、黏聚力c、内摩擦角ϕ参数如表 1—3所示。

表 1 衬砌的相似材料参数
类别 γ/(kN·m-3) E/GPa ν F/MPa
原型 24.00 30.00 0.20 14.300
模型理论值 16.00 0.50 0.20 0.238
实际材料值 16.30 0.41 0.24 0.512
表选项

表 2 破碎带的相似材料参数
类别 γ/(kN·m-3) E/GPa c/MPa ϕ/(°)
原型 17.00 0.650 0.200 22.0
模型理论值 11.33 0.011 0.004 22.0
实际材料值 13.70 0.022 0.003 21.3
表选项

表 3 围岩的相似材料参数
类别 γ/(kN·m-3) E/GPa c/MPa ϕ/(°)
原型 25.00 2.000 0.600 27.0
模型理论值 16.70 0.033 0.010 27.0
实际材料值 17.00 0.025 0.009 33.0
表选项

脆性缓冲材料的相似材料使用发泡石膏块。发泡石膏由双氧水进行发泡，由石膏、硅藻土、1.5%H2O2溶液制备，其质量比为7∶3∶9。为控制发泡速率，使用二氧化锰为催化剂。所制得的发泡石膏块的抗压强度约为0.08 MPa，弹性模量约为5.00 MPa，材料参数如表 4所示，应力应变曲线如图 2所示，制备流程如图 3所示。

表 4 脆性缓冲材料的相似材料参数
类别 γ/(kN·m-3) E/GPa ν F/MPa
原型 12.00 300.000 0.20 4.000
模型理论值 8.00 5.000 0.20 0.070
实际材料值 6.40 5.000 0.24 0.080
表选项

图 2 发泡石膏的应力应变曲线
图选项

图 3 发泡石膏的制备流程
图选项

2.2 试验工况

本研究拟对脆性缓冲抗错断结构进行模型试验研究：在脆性缓冲结构下，分析衬砌的破坏机理，验证脆性缓冲结构的抗错断可行性。设置隧道模型的长度为140 cm，在模型中放置直径为0.5 mm、间距为5 mm的单层钢丝网，以模拟二衬中的钢筋网。模型设置有2处变形缝，变形缝处用泡沫胶连接，由于钢筋不贯通，因此，变形缝处的抗弯及抗拉能力均被极大地削弱。断层的最大错动位移为10 cm，设置的缓冲结构厚度为5 cm，缓冲结构的设置范围为50 cm，错动速率为1 mm/min，错断方式为75°逆断层错动，如图 4所示。

图 4 衬砌模型示意图
图选项

2.3 监测方式

本试验主要监测围岩压力变化、衬砌开裂过程、衬砌整体变形及衬砌应变。操纵液压伺服系统开始错动，错动速率为5 mm/min，每错动10 mm进行一次详细记录，通过探入工业内窥镜监测衬砌的内部破坏情况，使用动态应变箱采集应变数据。监测系统如图 5所示。

图 5 模型试验监测系统
图选项

2.4 试验步骤

跨活断层隧道抗错断模型试验包括衬砌模型与缓冲材料的制作与养护、围岩相似材料的配置与填筑、衬砌模型与监测系统的布置、断层错动传播。

衬砌模型养护完成后，用红色颜料在关键断面做标记，并用数字印章标记关键断面编号，以便在关键位置粘贴应变片。围岩材料填筑时，注意分层夯实，每填充约10 cm围岩材料进行一次夯实处理，并用环刀取样，以检验压实度。围岩材料填充至50 cm后，将隧道模型放置于模型箱中间，并制造扩挖区域，以填充脆性缓冲材料，扩挖宽度为50 cm，包括衬砌2#~5#断面在内。将应变片接至动态应变箱，预留内窥镜出入口，继续填充围岩，直至120 cm处。在试验中，每错动10 mm进行一次详细监测记录。错动位移达到100 mm后，刨除围岩材料，拍照记录隧道模型的破坏形态。跨活断层隧道抗错断模型试验的关键步骤如图 6所示。

图 6 跨活断层隧道抗错断模型试验的关键步骤
图选项

3 试验结果与分析 3.1 围岩压力变化规律

逆断层错动时，上盘抬起，而位于上盘范围内的隧道衬砌结构阻止隧道底面以下上盘围岩的向上运动，上盘拱底围岩与仰拱发生挤压，增大了上盘范围隧道底面的围岩压力。同时，下盘区域隧道有被抬升趋势，而隧道顶部围岩阻碍隧道向上抬升，使得下盘区域围岩与隧道顶部发生挤压。隧道拱底与拱顶的围岩压力如图 7所示(其中，Q为围岩压力，L为隧道距其上盘端部的长度)，5#断面的拱底与围岩之间的压力最大，3#断面的拱顶与围岩之间的压力最大。

图 7 隧道周围的围岩压力分布
图选项

3.2 隧道结构内部破坏特征

使用内窥镜实时监测衬砌内部的破坏状况。错动40 mm内，没有明显破坏；错动至60 mm时，变形缝位置张裂，裂口大约为1 cm；错动100 mm时，裂口大约为1.5 cm；错动80 mm时，5#、6#断面仰拱内侧受拉产生细小纵向裂纹，如图 8所示。由此可见，在50 mm厚的脆性缓冲结构下，当错动位移在40 mm之内时，隧道衬砌在脆性缓冲结构的保护下不产生明显破坏。由此表明，在适当的错动位移范围内，脆性缓冲结构可有效减轻断层活动对隧道结构的影响，保障道路运行的安全性与连续性。

图 8 不同错动位移下脆性缓冲结构隧道衬砌内部的破坏特征
图选项

3.3 隧道整体变形特征

错动结束后，谨慎开挖上覆围岩，尽量保持衬砌错动后的原始状态。初衬变形明显，如图 9所示，将初衬层拆除后暴露出脆性缓冲结构，发现逆断层上盘仰拱与下盘拱顶区域的缓冲材料被压碎，且越靠近断层核心，缓冲材料被破坏得越严重，同时，下盘仰拱与上盘拱顶区域脱空，为断层的位移留出了变形空间。其缓冲材料破坏形态如图 10—11所示。

图 9 初衬破坏形态
图选项

图 10 缓冲块破坏形态
图选项

图 11 拱底缓冲块破坏形态
图选项

从图 12中可以看出，脆性缓冲结构具备预想的抗错断能力，在断层核心位置，衬砌没有明显破坏，上盘区域变形缝拱顶处有一定开裂，仰拱处受挤压，下盘区域变形缝拱顶处挤压破坏，拱底处受拉开裂。通过脆性缓冲结构将原本集中于断层核心的剪切应力迁移，错动位移由更大范围的衬砌区域与变形缝所吸收，显著提升了隧道整体结构对错断的抵抗能力。

图 12 隧道衬砌的最终破坏形态
图选项

3.4 隧道应变分布规律

在断层错动前，本试验将数据采集仪的隧道结构应变值清零，在断裂错动后，提取各断面的隧道拱顶、仰拱、拱肩与拱脚的纵向应变与关键断面的环向应变。

在断层错动作用下，隧道纵向应变沿纵向的变化曲线如图 13所示。图中数据以受拉为正，以受压为负。在逆断层作用下，脆性缓冲结构隧道的应变最大截面为2#断面与6#断面，其他监测断面的应变较小。随着错动位移的不断增大，2#断面与6#断面的应变明显增加，当错动位移大于60 mm时，出现应变峰值。上述情况表明，在脆性缓冲结构保护下，隧道的最大应变并不出现在断层的核心位置，而是向断层两端迁移，这与隧道破坏状态相呼应。此外，由图 13可知，应变并不一定随错动位移的增大而不断增大，原因是变形缝的开裂与围岩的开裂使得衬砌释放了一定变形，从而使得监测的应变值降低。

图 13 不同错动位移下隧道衬砌的纵向应变规律
图选项

隧道外侧的环向应变如图 14所示。图中数据以受拉为正，受压为负。

图 14 隧道关键断面的环向应变
图选项

在逆断层错动过程中，远离断层核心的断面的变形形态与断层核心位置断面的变形形态相似，断层错动致使隧道有上下挤压趋势，因此，隧道拱肩环向受拉，拱顶、拱底环向受压。由于隧道拱顶与拱底外侧均环向受压，因此，隧道内部反之受拉，当超过其屈服极限时，将导致隧道5#~6#断面拱顶与拱底内侧出现如图 8(d)所示的纵向裂纹。在断层核心附近，3#、4#、5#断面的环向应变相对较小，离断层核心较远的2#、6#断面的环向变形最大。

4 结论

本研究提出了一种脆性缓冲结构抗错断的方法，并通过模型试验验证了脆性缓冲结构抗错断的有效性：脆性缓冲结构可有效分散并转移断层核心处的剪切力，显著降低衬砌结构的损害。脆性材料的属性使得其在承受突发荷载时容易破碎散开，及时丧失强度，为围岩的位移提供一定变形空间，从而保护隧道的结构完整性。同时，在脆性缓冲结构设防下，衬砌的应变峰值迁移至离断层位置较远的区域，显著减轻了断层破碎带内的应变集中现象。

与以发泡橡胶为缓冲层进行的模型试验相比，橡胶缓冲层设防下，衬砌内部仍然出现明显的破坏。本研究采用的脆性缓冲方法表现出更为有效的抗错断性能，为隧道抗错断解决方案提供了参考。

尽管本研究取得了积极的结果，但模型试验数据仅可作为定性参考。由于相似材料误差的存在，以及试验技术的限制，暂时不能将数据用于工程中定量分析。缓冲材料的其他结构形式及与之配套的缓冲材料正在进行深入研究，例如：可考虑将SAP(super absorbent polymer)混凝土作为脆性缓冲材料。SAP混凝土是一种以SAP为造孔剂制备的蜂窝状混凝土。SAP吸水膨胀、失水收缩的性质决定其可用来形成孔洞，大孔径的蜂窝混凝土不仅可产生较大的变性，还具备较高的脆性，相关研究是后续研究的主要内容。

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