1 引 言
随着国家对西部艰险山区的持续开发，交通隧道选址不可避免地穿越断层裂隙带及强震区。若隧道所穿越的断层为导热断层，隧道断层段衬砌结构的安全性将面临更为严峻的考验。因此，开展跨导热断层隧道的隔热减震技术研究非常必要。
由于断层段岩体破碎、软弱，热导率较高，隧道下方熔融岩浆的热量通过区域性深大断层及次级断层的热传导、热辐射传递至隧址区，形成高岩温隧道。这些作为传递热量主要通道的区域性深大断层及次级断层即为导热断层。导热断层所引起的高岩温会使隧道衬砌的附加温度应力大幅度升高，进而影响隧道的结构安全性。
目前对于跨导热断层隧道的隔热减震技术问题，相关专家、学者进行了部分研究。罗占夫等依托大瑞铁路高黎贡山隧道，对隧道围岩温度场的分布进行了分析，总结了隔热层最佳施设位置，分析了径向围岩温度和隧道轴向位置的关系；蒋 爽等分析了隧道施设隔热层对围岩温度分布的影响，对能够降低衬砌温度的措施进行了总结；邵珠山等通过建立隧道热传导方程和平衡方程的方式，对吉沃希嘎高地温隧道的温度场与应力场分布进行了研究，对其施设隔热层的隔热效果进行了归纳；李国良等对拉日铁路线中的甫当隧道、帕当山隧道和吉沃希嘎隧道的地质情况进行了分析，并总结了适宜以上隧道的隔热措施；刘喜康通过分析高岩温可能造成的影响，提出了有关尼格隧道支护结构施工及隔热层优化的针对性建议；周小涵等分析了大瑞铁路高黎贡山隧道温度场随通风时间的变化情况、温差对传热的影响以及隔热层对高地温隧道温度的影响；朱亦墨等对梅州—潮汕铁路丰顺隧道进行了现场温度和湿度监测，分析了高地温隧道温度分布规律，并总结了通风降温和铺设隔热层等多种施工降温措施；伍修刚等对强震区高岩温隧道使用不同隔热层材料的隔热减震效果进行了对比分析；崔光耀等对比研究了强震区高岩温隧道使用不同隔热减震措施和不同注浆间隔对隔热减震效果的影响。以上研究主要集中在隧道温度场分布、隔热层减震隔热效果以及同一隔热层材料不同施设方式所产生的不同效果等方面，而未进一步对不同衬砌材料下施设隔热层的隔热减震效果进行对比分析。因此，本文依托某新建隧道导热断层段工程，利用有限差分数值软件对强震区跨导热断层隧道使用不同衬砌材料时阻尼层的隔热减震效果进行研究，研究成果可为高烈度地震区跨导热断层隧道的抗震设防设计提供参考。
2 工程概况
某在建隧道所在区域地热活动极其频繁，隧道内部最高岩温可达90 ℃，环境温度最高可达56 ℃。隧道穿越沃卡地堑东断层带，断层带附近温泉活跃，高温土壤和热水等不良地质在隧道附近尤为常见。隧道围岩为坚硬易碎的岩石，围岩分级为Ⅳ级，破碎带围岩分级为Ⅴ级，基岩围岩分级为Ⅱ级。
隧道采用新奥法进行设计施工，采用曲墙式衬砌（带仰拱），衬砌结构为复合式。初期支护厚度为0.25 m，二次衬砌厚度为0.45 m。
3 计算模型及计算参数
3.1 计算模型
采用弹塑性模型、摩尔-库仑准则进行计算。隧道埋深取45 m，隧道纵向长度取200 m，隧道横向宽度取10 m，隧道高度取15 m。围岩部分模型整体高度取105 m，左右两侧宽度均取约5倍洞宽（50 m），底部基岩厚度为 20 m。断层倾角为 75°，破碎带宽度为10 m，位于模型正中心处。
进行计算时，模型上表面为自由面，模型底部及四周位移被完全约束。由实际钻孔地温资料，设置热力学边界：模型上表面初始温度取53 ℃，断层破碎带底部温度取90 ℃。以混凝土高阻尼复合结构的计算模型为例，如图1所示。
图1 计算模型
3.2 计算参数
根据综合地质勘探资料，围岩计算参数如表 1所示。
表1 计算参数
阻尼材料选用 Qtech-506 浇筑阻尼，其泊松比为 0.5，损耗因子为 0.51，硬度回弹值为 18.60，阻尼层导热系数为0.144 W/（m·℃），与混凝土附着力为1.65 MPa，均匀涂抹在初期支护与二次衬砌之间，研究其对隔热减震效果的影响。
3.3 计算工况
为研究在跨导热断层隧道采用不同措施的隔热减震效果，设计了4种工况进行对比计算分析，计算工况如表2所示。
表2 计算工况
3.4 动力参数
计算时力学阻尼选择局部阻尼，阻尼系数为0.157 1。加载方式采用常规动力加载，采用地下工程常用地震波输入方式，地震波同时从三个方向（x,y, z）由模型底部向上部传递。地震波选用汶川地震时实测加速度波（卧龙测站），持续时间为40 s。使用滤波软件对地震波进行滤波和基线校正，处理后所得地震波加速度时程曲线如图 2 所示（以 x 向为例）。
图2 地震波加速度时程曲线
3.5 测点布置
布设监测断面共12个，布设方式为以断层破碎带中心为准，破碎带前、后各设6个监测断面。其中靠近破碎带中心处左侧 D1 为下盘监测断面，右侧D2为上盘监测断面。监测断面布置如图3所示，断面内测点布置如图4所示。
图3 监测断面布置（单位：m）
图4 测点布置
4 计算结果及分析
4.1 隔热效果分析
距离断层中心处越近，隧道受导热断层温度影响就越大，其结构安全性也越差，因此取距离断层中心处最近的D2断面为例进行分析。提取D2断面工况1～4的二次衬砌结构温度值（以工况1、3为例），如图5所示。
图5 D2断面二次衬砌结构温度云图
筛选出工况1～4下D2断面在不同时步下的二次衬砌结构各测点最高温度值，列于表3中，计算并对比不同措施对二次衬砌结构温度控制效果的差异，计算结果见表4。
表3 D2断面最高温度值
表4 D2断面隔热效果
由表3、表4可知：
（1）采用衬砌加强措施（工况 3 相对于工况 1，工况4相对于工况2），即仅改变衬砌材料，无阻尼层时素混凝土衬砌的隔热效果优于钢纤维混凝土衬砌约24.99%～32.90%；有阻尼层时素混凝土衬砌的隔热效果优于钢纤维混凝土衬砌约 1.97%～2.34%。由于加入钢纤维后，衬砌结构的导热系数有所提高，使其隔热效果降低，因此钢纤维混凝土衬砌温度高于素混凝土衬砌温度。
（2）采用高阻尼复合结构措施（工况2相对于工况1，工况4相对于工况3），即衬砌结构加入阻尼层，素混凝土衬砌的隔热效果提升了0.30%～1.53%，钢纤 维 混 凝 土 衬 砌 的 隔 热 效 果 提 升 了 19.67%～23.91%。由此可知，阻尼层的加入使衬砌结构导热系数有所下降，降低了传导至衬砌的温度，提升了隔热效果。由此可知，采用高阻尼复合结构可提升衬砌结构的隔热效果。
（3）采用高阻尼复合加强结构措施（工况4相对于工况1），即同时改变衬砌材料并加入阻尼层，工况 4 的衬砌温度略高于工况 1 的衬砌温度，约为0.40%～1.86%，相比来说，隔热效果无太大变化。
4.2 结构最大主应力分析
提取工况 1～4 各监测断面二次衬砌结构的最大主应力值，以D2断面工况1、3为例，结构最大主应力云图如图6所示。
图6 D2断面二次衬砌结构最大主应力云图
筛选出工况 1～4 各监测断面在不同时步下各个测点二次衬砌结构最大主应力的最大值。以距离断层最近的D2断面为例，分别计算两种衬砌材料在采用高阻尼复合结构后对最大主应力的控制效果，计算结果如表5、表6所示。
表5 D2断面最大主应力最大值
表6 D2断面最大主应力控制效果
由表5、表6可知：
（1）采用衬砌加强措施（工况 3 相对于工况 1，工况4相对于工况2），即仅改变衬砌材料，无阻尼层时素混凝土衬砌对最大主应力的控制效果优于钢纤维混凝土衬砌，约为8.85%～38.09%，有阻尼层时素混凝土衬砌对最大主应力的控制效果优于钢纤维混凝土衬砌，约为1.97%～2.34%。这是由于钢纤维的加入使衬砌结构整体刚度有所提升，引起结构主应力的增加，因此钢纤维混凝土衬砌所受的最大主应力大于素混凝土衬砌所受的最大主应力。
（2）采用高阻尼复合结构措施（工况2相对于工况1，工况4相对于工况3），即衬砌结构加入阻尼层，素混凝土衬砌对最大主应力的控制效果提升了8.85%～38.09%，钢纤维混凝土衬砌对最大主应力的控制效果提升了1.62%～10.73%。这是由于阻尼层的加入使结构整体刚度减小，且消耗了部分地震能量，使结构所受的最大主应力下降，提升了隧道结构的减震效果。
（3）采用高阻尼复合加强结构措施（工况4相对于工况1），即同时改变衬砌材料并加入阻尼层，工况4对最大主应力的控制效果相比于工况1提升了约0.82%～8.05%。
4.3 结构最小主应力分析
提取工况 1～4 各监测断面二次衬砌结构的最小主应力值，以D2断面工况1、3为例，结构最小主应力云图如图7所示。
图7 D2断面二次衬砌结构最小主应力云图
筛选出工况 1～4 各监测断面在不同时步下各个测点二次衬砌结构最小主应力的最小值。以距离断层最近的D2断面为例，分别计算两种衬砌材料在采用高阻尼复合结构后对最小主应力的控制效果，计算结果如表7、表8所示。
表7 D2断面最小主应力最小值
表8 D2断面最小主应力控制效果
由表7、表8可知：
（1）采用衬砌加强措施（工况 3 相对于工况 1，工况4相对于工况2），即仅改变衬砌材料，无阻尼层时素混凝土衬砌对最小主应力的控制效果总体上优于钢纤维混凝土，有阻尼层时素混凝土衬砌对最小主应力的控制效果优于钢纤维混凝土衬砌，约为4.39%～39.68%。这是由于钢纤维的加入使衬砌结构整体刚度有所提升，造成结构主应力的增加。
（2）采用高阻尼复合结构措施（工况2相对于工况1，工况4相对于工况3），即衬砌结构加入阻尼层，素混凝土衬砌对最小主应力的控制效果提升了8.75%～66.96%，钢纤维混凝土衬砌对最小主应力的控制效果提升了2.23%～23.63%。这是由于阻尼层的加入使衬砌结构整体刚度有所减小，且消耗了部分地震能量，使结构所受的最小主应力下降，提升了衬砌结构的减震效果。
（3）采用高阻尼复合加强结构措施（工况4相对于工况1），即同时改变衬砌材料并加入阻尼层，工况4对最小主应力的控制效果相比于工况1提升了约4.72%～54.08%。
4.4 安全系数分析
从工况 1～4 各监测断面各测点提取计算所需的二次衬砌结构应变数据，根据现行规范的计算方法对各监测断面各测点的二次衬砌结构安全系数进行计算，并取各个监测断面的最小安全系数值进行分析。以距离断层最近的D2断面为例，计算各个工况相对于工况1的减震效果，计算结果如表9所示。
表9 各工况D2断面最小安全系数及减震效果
由表9可知，从二次衬砌结构安全系数最小值来看，工况 1～4 下 D2 断面的二次衬砌结构安全系数最小值分别为 1.739、1.820、2.065、2.420。工况 4（高阻尼复合加强结构措施）的安全系数最小值与工况1相比增加了28.14%，在所有工况中提升最为明显。由此可知，在结构减震安全性方面，工况4最优。
5 结 论
（1）由衬砌结构隔热效果可知：素混凝土高阻尼复合结构（工况2）隔热效果最优；采用钢纤维混凝土高阻尼复合加强结构措施（工况4）时，相较于工况2的隔热效果仅减小了1.97%～2.34%，两种工况隔热效果差距不大。
（2）由衬砌结构主应力减震效果可知：在主应力控制方面，钢纤维的加入提升了衬砌结构的刚度，但同样造成了主应力的增加，因此钢纤维混凝土衬砌所受主应力总体上大于素混凝土衬砌所受主应力；另一方面，由于阻尼层耗散了部分地震能量，使结构所受主应力有所下降，因此高阻尼复合结构使素混凝土衬砌和钢纤维混凝土衬砌对主应力的控制效果均有所提升。
（3）在控制衬砌结构最小安全系数方面，钢纤维混凝土高阻尼复合结构的最小安全系数最小值为2.420，与素混凝土衬砌相比增加了28.14%，减震效果提升最为明显。
（4）综合分析隔热效果、最大主应力、最小主应力及结构安全系数等指标可知，钢纤维混凝土高阻尼复合结构（工况4）的隔热减震效果最优。
摘自《现代隧道技术》