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[摘 要]公路隧道作为公路的一个特殊路段，其管状结构决定了洞内外亮度悬殊、污染严重、噪声大等缺点，降低了道路的通行能力，威胁到车辆的行车安全。文章结合该公路隧道断层破碎带结构施工进行了简要的探讨。
[关键词]公路隧道 结构施工 断层破碎带
中图分类号：U4 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）22―0483―01
一、引言
断层引起的工程地质力学问题众多，断层的变化现象多种多样，常导致工程岩体失稳，因此系统研究断层区域的应力、地质、工程、环境条件及其对隧道开挖的影响规律及防治对策，以满足我国交通工程的需要及适应西部大开发基础设施建设的需求。隧道工程由于受选线等各方面因素的制约，不可避免地需要穿越一些地质不良地段，穿越断层或通过断层影响区是一个复杂而普遍的问题。采用三维有限元法建立土体结构体系进行地震性能分析，探讨地震作用下断层破碎带隧道结构体系的应力与位移变化规律；以及根据断层破碎带处围岩的实际情况在设计过程中采取相应的措施，确保工程质量及施工安全。
二、工程简介
某公路隧道位于地势雄伟陡峻，沟谷纵横处，受地质褶皱构造的控制和流水剥蚀切割作用。该隧道范围内断层比较发育，主要分布在隧道进出口两端，共有7条，断层走向均与隧道轴线相交。本次模拟计算三维隧道分析的模型选在F3断层区域，该区域长约40m，模型范围横向取80m，垂直方向取70m，纵向80m。根据勘察设计及相关参考资料，确定该隧道标准段结构分析的材料特性如表1所示。
三、模型的建立
本次模拟计算中选用3种计算模型进行对比分析，3种模型分别为：（1）无抗震缝模型；（2）2条环向抗震缝，抗震缝间距40m，抗震缝宽度0.2m模型；（3）3条环向抗震缝，抗震缝间距20m，抗震缝宽度0.2m模型。计算模型采用SOLID45单元构建3-D实体结构，该单元具有8个节点，有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。抗震缝采用八节点三维曲面节理单元，各对应节点具有相同的坐标。在用有限元法进行近场波动分析时，边界条件通常采用人工边界条件，且波动穿过人工边界时不会产生反射效应。模拟隧道8度抗震，研究3种模型下隧道主体结构的变形与应力变化规律。
分析中参考著名的1940年5月18日美国ElCentro地震波，震级M=7.1，最大加速度为3.26m/s2，持续时间为30s。为减少计算周期，采用一种与ElCentro记录等效的人工构成的短时间正弦扫描Johnson/Epstein地震记录，按50年基准期、超越概率2%（大震）风险水平对该记录做适当修正，使之在频谱、幅值和历时方面与该场地相适应。
四、计算结果及分析
通过对3种模型即无抗震缝、2条抗震缝（抗震缝间距40m）、3条抗震缝（抗震缝间距20m）进行比较，可以进一步看到，隧道主体结构的拱顶、拱腰、最大跨度处、拱底以及仰拱5个控制点处的水平横向加速度以及水平横向位移的峰值各不相同，即使在同一个部位处的3种计算模型下也存在较大的差异，故本次选取了3个计算断面，其中断面-1、断面-2围岩参数为Ⅵ级，断面-3围岩参数为V级。断层破碎带处，隧道衬砌的水平横向位移、水平横向加速度和主应力明显比非断层破碎带处要大。围岩地质条件越好的地段，受到的震害程度越小，而在围岩交替变化的部位及断层破碎带附近，地震中受到的应力较大，易发生破坏，所以在围岩材料变化处或断层破碎带处，隧道的衬砌应设置变形缝，减小衬砌应力。拱顶处水平横向加速度最大，仰拱及拱底处水平横向加速度峰值较小。无抗震缝与2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，水平横向加速度峰值变化不是太明显；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向加速度峰值较前两种模型减小8%～10%左右，而且从隧道衬砌各控制点来看，拱顶处加速度峰值减小，拱底及仰拱处加速度峰值增大，整体加速度峰值趋于平缓。拱顶处水平横向位移最大，仰拱及拱底处水平横向位移峰值较小。无抗震缝与2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，水平横向位移峰值变化不是太明显；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向位移峰值较前两种模型明显变大。在隧道的拱顶部位，水平横向位移、水平横向加速度和主应力都比较大，说明拱顶部位为抗震设计的薄弱环节。T=1.511s时，2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，隧道整体衬砌的水平横向位移最大；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向位移最小，此时水平横向位移比40m抗震缝间距时减少了10%左右，比无抗震缝时减少了8%左右。
五、注浆加固及加强初期支护措施
设计中，根据模型计算结果及现场的实际情况设置20m间距抗震缝，并考虑到断层破碎带围岩松散，对初期支护施加的压力较大，在设计过程中对松散的围岩进行注浆加固，提高围岩的自承能力。根据岩土力学及弹塑性理论，确定注浆范围为塑性变形区域，根据基尔希公式及摩尔-库仑条件，确定注浆区域的大小为6.5m。因断层破碎带含水，为保证注浆质量，采用水玻璃及水泥双液浆，水泥浆水灰比为1：1，水玻璃浓度为35Beˊ。考虑到隧道断面大小及围岩稳定性因素，初期支护方案为：超前小导管+钢支撑+系统锚杆+双层钢筋网+喷射混凝土；超前小导管采用Φ42mm钢管，长度4.0m，环向间距30cm，钢支撑采用I18型钢，间距为0.6m，喷射混凝土为C20混凝土，厚度为22cm。施工中建议采用环形导坑留核心土施工方法。施工进尺控制在0.6m，核心土与导坑距离控制在6～8m。
六、结束语
隧道穿越斷层或通过断层影响区是一个复杂而普遍的问题，由于断层破碎带隧道施工及结构的受力条件复杂，文章结合某公路隧道，分析在断层破碎带处设置抗震缝与无抗震缝条件下该隧道主体结构的水平横向位移、水平横向加速度和主应力的变化特点。根据断层破碎带处围岩的实际情况设计中采取相应的措施，确保工程质量及施工安全。
参考文献
[1] JTJ026-90，公路隧道设计规范[S].
[2] 白山云，蒋树屏，等.岩溶地质特长隧道的关键技术问题及对策[C].
[3] 赵玉光，申玉生.高速公路双连拱隧道信息化管理技术[J].
[关键词]公路隧道 结构施工 断层破碎带
中图分类号：U4 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）22―0483―01
一、引言
断层引起的工程地质力学问题众多，断层的变化现象多种多样，常导致工程岩体失稳，因此系统研究断层区域的应力、地质、工程、环境条件及其对隧道开挖的影响规律及防治对策，以满足我国交通工程的需要及适应西部大开发基础设施建设的需求。隧道工程由于受选线等各方面因素的制约，不可避免地需要穿越一些地质不良地段，穿越断层或通过断层影响区是一个复杂而普遍的问题。采用三维有限元法建立土体结构体系进行地震性能分析，探讨地震作用下断层破碎带隧道结构体系的应力与位移变化规律；以及根据断层破碎带处围岩的实际情况在设计过程中采取相应的措施，确保工程质量及施工安全。
二、工程简介
某公路隧道位于地势雄伟陡峻，沟谷纵横处，受地质褶皱构造的控制和流水剥蚀切割作用。该隧道范围内断层比较发育，主要分布在隧道进出口两端，共有7条，断层走向均与隧道轴线相交。本次模拟计算三维隧道分析的模型选在F3断层区域，该区域长约40m，模型范围横向取80m，垂直方向取70m，纵向80m。根据勘察设计及相关参考资料，确定该隧道标准段结构分析的材料特性如表1所示。
三、模型的建立
本次模拟计算中选用3种计算模型进行对比分析，3种模型分别为：（1）无抗震缝模型；（2）2条环向抗震缝，抗震缝间距40m，抗震缝宽度0.2m模型；（3）3条环向抗震缝，抗震缝间距20m，抗震缝宽度0.2m模型。计算模型采用SOLID45单元构建3-D实体结构，该单元具有8个节点，有塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。抗震缝采用八节点三维曲面节理单元，各对应节点具有相同的坐标。在用有限元法进行近场波动分析时，边界条件通常采用人工边界条件，且波动穿过人工边界时不会产生反射效应。模拟隧道8度抗震，研究3种模型下隧道主体结构的变形与应力变化规律。
分析中参考著名的1940年5月18日美国ElCentro地震波，震级M=7.1，最大加速度为3.26m/s2，持续时间为30s。为减少计算周期，采用一种与ElCentro记录等效的人工构成的短时间正弦扫描Johnson/Epstein地震记录，按50年基准期、超越概率2%（大震）风险水平对该记录做适当修正，使之在频谱、幅值和历时方面与该场地相适应。
四、计算结果及分析
通过对3种模型即无抗震缝、2条抗震缝（抗震缝间距40m）、3条抗震缝（抗震缝间距20m）进行比较，可以进一步看到，隧道主体结构的拱顶、拱腰、最大跨度处、拱底以及仰拱5个控制点处的水平横向加速度以及水平横向位移的峰值各不相同，即使在同一个部位处的3种计算模型下也存在较大的差异，故本次选取了3个计算断面，其中断面-1、断面-2围岩参数为Ⅵ级，断面-3围岩参数为V级。断层破碎带处，隧道衬砌的水平横向位移、水平横向加速度和主应力明显比非断层破碎带处要大。围岩地质条件越好的地段，受到的震害程度越小，而在围岩交替变化的部位及断层破碎带附近，地震中受到的应力较大，易发生破坏，所以在围岩材料变化处或断层破碎带处，隧道的衬砌应设置变形缝，减小衬砌应力。拱顶处水平横向加速度最大，仰拱及拱底处水平横向加速度峰值较小。无抗震缝与2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，水平横向加速度峰值变化不是太明显；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向加速度峰值较前两种模型减小8%～10%左右，而且从隧道衬砌各控制点来看，拱顶处加速度峰值减小，拱底及仰拱处加速度峰值增大，整体加速度峰值趋于平缓。拱顶处水平横向位移最大，仰拱及拱底处水平横向位移峰值较小。无抗震缝与2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，水平横向位移峰值变化不是太明显；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向位移峰值较前两种模型明显变大。在隧道的拱顶部位，水平横向位移、水平横向加速度和主应力都比较大，说明拱顶部位为抗震设计的薄弱环节。T=1.511s时，2条抗震缝（抗震缝间距40m）时，隧道整体衬砌的水平横向位移最大；3条抗震缝（抗震缝间距20m）时，水平横向位移最小，此时水平横向位移比40m抗震缝间距时减少了10%左右，比无抗震缝时减少了8%左右。
五、注浆加固及加强初期支护措施
设计中，根据模型计算结果及现场的实际情况设置20m间距抗震缝，并考虑到断层破碎带围岩松散，对初期支护施加的压力较大，在设计过程中对松散的围岩进行注浆加固，提高围岩的自承能力。根据岩土力学及弹塑性理论，确定注浆范围为塑性变形区域，根据基尔希公式及摩尔-库仑条件，确定注浆区域的大小为6.5m。因断层破碎带含水，为保证注浆质量，采用水玻璃及水泥双液浆，水泥浆水灰比为1：1，水玻璃浓度为35Beˊ。考虑到隧道断面大小及围岩稳定性因素，初期支护方案为：超前小导管+钢支撑+系统锚杆+双层钢筋网+喷射混凝土；超前小导管采用Φ42mm钢管，长度4.0m，环向间距30cm，钢支撑采用I18型钢，间距为0.6m，喷射混凝土为C20混凝土，厚度为22cm。施工中建议采用环形导坑留核心土施工方法。施工进尺控制在0.6m，核心土与导坑距离控制在6～8m。
六、结束语
隧道穿越斷层或通过断层影响区是一个复杂而普遍的问题，由于断层破碎带隧道施工及结构的受力条件复杂，文章结合某公路隧道，分析在断层破碎带处设置抗震缝与无抗震缝条件下该隧道主体结构的水平横向位移、水平横向加速度和主应力的变化特点。根据断层破碎带处围岩的实际情况设计中采取相应的措施，确保工程质量及施工安全。
参考文献
[1] JTJ026-90，公路隧道设计规范[S].
[2] 白山云，蒋树屏，等.岩溶地质特长隧道的关键技术问题及对策[C].
[3] 赵玉光，申玉生.高速公路双连拱隧道信息化管理技术[J].