隧洞穿過活動斷裂抗震防震問題研究方法探討

吳世澤

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

大型工程建設(shè)防震抗震問題歷來就受工程技術(shù)人員的高度重視，在現(xiàn)行工程建設(shè)相關(guān)規(guī)范中，對于工程建設(shè)的防震抗震問題是采取避開活動斷層的被動措施予以回避。但是，對于長線工程來說，在活動斷層多、規(guī)模大、延伸長，線路無法避開的情況是在所難免的，如進藏鐵路、公路、西氣東送工程都不可避免地要穿過活動斷裂。在這些工程中，鐵路穿過活動斷層時，是采用短鐵軌連接，以防水平位移對長鐵軌的變形破壞;輸氣長線工程，可采用軟管淺埋，防止剪切破壞，但垂直位移在不影響運行的前提下，鐵路枕木(水泥枕)下所鋪的碎石可起緩沖作用?周云等，全國工程地質(zhì)發(fā)展與應(yīng)用暨城市地質(zhì)技術(shù)專題研討會論文集，2012。。

但是，由于活動斷層一般都有較大的規(guī)模，并且由多條斷層帶組成，活動期次多、地表覆蓋層厚不易確定其性狀和具體空間展布，活動斷層在某種意義上等于潛在突發(fā)性地震災(zāi)害源或無震蠕滑地質(zhì)災(zāi)害［1］。工程實踐表明，活動斷裂在地表和地下無論是斷層的性狀還是規(guī)模都有很大的差別。傳統(tǒng)的方法是地表量測了產(chǎn)狀后，用直線畫在剖面上，在洞中出露的位置很難定性、定量。為此，本文提出了動態(tài)方法研究隧洞穿過活動斷裂的防震抗震問題，分三個階段進行，第一階段宏觀定位，通過地表探槽和鉆探初步判斷活動斷裂與隧洞相交的宏觀位置;第二階段定性定量，根據(jù)開挖揭露的斷層性狀，確定最新活動斷裂的出露樁號;第三階段研究方案，通過隧洞開挖過程中施工地質(zhì)編錄資料研究抗震防震方案。

1 工程防震抗震設(shè)計

1.1 設(shè)防參數(shù)的選取

場地基巖地震動參數(shù)可按地震安全性評價所提供的參數(shù)進行設(shè)防，只考慮活動斷層發(fā)生極限地震對工程的影響。一般距斷層有一定的距離，工程地震學(xué)界常采用胡聿賢院士提出的轉(zhuǎn)換方法，即利用參考地區(qū)的地震動衰減關(guān)系和地震烈度衰減關(guān)系，結(jié)合研究區(qū)的地震烈度衰減關(guān)系，采用數(shù)值求解法轉(zhuǎn)換得到研究區(qū)的地震動衰減關(guān)系。在西南通常采用中國地震局地球物理研究所擬合的我國西南地區(qū)基巖水平地震動加速度峰值衰減關(guān)系的系數(shù)值和反應(yīng)譜衰減關(guān)系的系數(shù)值。

計算公式為［2］:

式中:Y——動峰值加速度(cm/sec2);M——地震震級;R——工程場地到震中的距離(km)。

考慮7 級以上地震對工程的影響，一般等震線近似為橢圓形，所以地震動衰減關(guān)系常采用長、短軸的橢圓模型，對于穿過活動斷層的隧洞來說，如果是所穿過的活動斷層發(fā)生地震，應(yīng)選用長軸計算地震動參數(shù)，斷層兩側(cè)可按小區(qū)劃提供的參數(shù)選取地震動參數(shù)。

1.2 抗剪斷設(shè)計

抗剪斷設(shè)計是長線工程穿過活動斷層最復(fù)雜的問題之一，斷裂在發(fā)生地震時破碎的規(guī)模、斷層孕震過程中的運動規(guī)律、活動速率等，就現(xiàn)階段缺少監(jiān)測資料的情況下，一般按垂直與水平方向百年位錯量來考慮，但是，百年位錯量的精度是很低的，研究斷層活動性時反算的百年位錯量，在工程抗剪斷設(shè)計時只能參考應(yīng)用。隧洞穿過活動斷層防止突發(fā)地震導(dǎo)致隧洞錯位，常想到擴大洞室斷面幾何尺寸，假如錯斷3 m，在穿過活動斷層部位將隧洞向兩側(cè)各擴寬3 m，這是理想狀態(tài)下擴寬3 m 不會使隧洞產(chǎn)生堵塞，但是隧洞洞徑沿洞軸線方向擴多長，地震時剪斷部位在何處等都是未知數(shù)。斷層破碎帶部位抗震設(shè)計時，鋼筋過密施工難度大，因此，采用動態(tài)方法研究穿過活動斷層部位的防震抗震問題，也是一種符合客觀實際的嘗試。

2 動態(tài)方法

實踐證明，長線工程穿過活動斷層部位的抗震防震設(shè)計問題是西南較為突出的難題，地震小區(qū)劃、地震安全性評價對活動斷層的研究與工程實際需要從精度上來說，有較大的差別，因此，本文提出了動態(tài)研究方法，分宏觀定位、定性定量、設(shè)計方案3 個階段進行，具有連續(xù)性，準確性，可行性優(yōu)點，目的明確，全過程為動態(tài)勘測。

2.1 宏觀定位

第一階段——宏觀定位。根據(jù)已有的研究成果和衛(wèi)星影像、Google 搜索活動斷裂穿過的部位，進行實地調(diào)查和勘探，充分利用采石場、村村通道路開挖邊坡揭露的斷層特征如照片1 是劍川盆地東側(cè)一個采石場沿斷裂帶挖建筑材料揭示了小金河—麗江斷裂主斷帶產(chǎn)狀(照片1F)，從地表看未開挖部位地形地貌沒有斷層的跡象，在過去的地質(zhì)圖上斷層在此段偏離很遠。鏡面和擦槽清晰地顯示出斷層的擠壓性質(zhì)(照片1A1)，鏡面上的構(gòu)造角礫巖則表明該斷裂曾經(jīng)有過張性活動(照片1A2)。

照片1 開挖揭示斷裂主斷帶特片Photo 1 Characteristics of main thrust belt

與斷層垂直或斜交的沖溝、多條沖溝同步位錯部位等是尋找斷層的重點部位，圖1 是畹町—安定斷裂穿過平子亭—公養(yǎng)河一帶時使水系同步位錯，野外調(diào)查時在公養(yǎng)河左岸找到斷層露頭，與衛(wèi)星影像上斷裂影象是吻合的;在覆蓋層厚度較大，地表無法找到斷層時，可采用物探方法［3］，初步確定斷層的深部特征，綜合地表露頭和斷層走向，判斷斷層經(jīng)過的地段，為下一步工作提供依據(jù);水文地質(zhì)圖上的泉水點(特別是溫泉)成帶狀分布的部位也是找斷層的有效方法之一?？傊粉櫹磩訑鄬勇额^的方法較多，在此不再贅述。

在初步判斷地表斷層與隧洞軸線相交的位置，測量露頭點的坐標、分別將露頭點上在大比例尺(1∶50 000 以上)地質(zhì)圖上，然后布置勘探線，坑槽布置在平行于隧洞軸線穿過斷層附近，由于斷裂規(guī)模大，主斷面不只一個，因此，坑槽開挖采取1/2 找點法，所謂1/2 找點是借鑒了測量儀器人工調(diào)平居中的一種方法。具體挖法是在斷層可能出露的中間試挖，有構(gòu)造跡象時繼續(xù)，無構(gòu)造跡象再在1/4 地段挖，直到挖出斷面為止。勘探鉆孔采用斜孔近似與斷裂走向垂直鉆進。平硐則要充分利用將來的施工支洞，在施工支洞開挖過程中及時進行地質(zhì)編錄，重點收集大規(guī)模斷層的出露點和特征。綜合各手段初步判斷活動斷裂帶的宏觀位置，以及在隧洞內(nèi)可能出露的范圍。

2.2 定性定量

第二階段——定性定量?；顒訑鄬拥淖钚禄顒有再|(zhì)、活動位移量采用高精度的儀器長期監(jiān) 測是能捕捉到相關(guān)信息的，但西南活動斷層多、布置的實施難度大、成本高，所以這方面的研究以前較少，汶川5·12地震后，斷層活動和地震對建筑物的破壞研究逐漸較多［4］。然而，與工程結(jié)合起來研究斷層活動速率，為工程設(shè)計提供依據(jù)是個復(fù)雜問題，也有個過程，尤其是地下工程穿過的活動斷層，在地下、地面活動斷層的活動性在不同的時期活動性質(zhì)、活動量是不同的，不同的部位同一條斷層其活動性也是千差萬別的，更為缺少的是針對某條活動斷層的監(jiān)測資料，因此，斷層的最新活動性定量研究，只有借助現(xiàn)代地震遺留下的裂縫、地震陡坎、鼓包等統(tǒng)計分析活動斷層的最新活動性質(zhì)、活動位移量，如2008年汶川5·12 地震，基巖垂直位錯5.4 m［5］，而水平位錯實地調(diào)查難度很大。2001年11月14 日青海省昆侖山口發(fā)生8.1 級地震，地表破裂寬3 m 左右(照片2)，具有明顯的左旋水平走滑運動性質(zhì)，最大左錯量為7 m，垂直位錯很小，一般不超過1 m;1970年1月5 日蛾山、曲江之間的通海發(fā)生7.7 級地震，具右旋水平錯動性質(zhì)，覆蓋層最大水平錯距2.2 m，遺留下來的地震鼓包高0.3 m(照片3)。從上面幾個現(xiàn)代地震地表破裂情況看，活動斷裂在基巖中的水平和垂直位錯定性較好確定，但要測到斷層在某次地震時發(fā)生的位移直得認真研究，尤其是歷史地震所遺留的證據(jù)保留不是很完整，使判斷真假位移難度較大。對于隧洞穿過的活動斷層，要判斷斷層的活動性質(zhì)、位移量只有在隧洞開挖揭露出斷層的具體位置后，綜合地表變形特征和位錯量予以分析，得出符合客觀實際的百年位錯量供設(shè)計使用。

圖1 畹町—安定斷裂穿過平子亭—公養(yǎng)河—帶水系同步左旋位錯示意圖Fig.1 Schematic diagram of synchronous sinistral dislocation

2.3 方案研究

第三階段——研究防震抗震設(shè)計方案?；顒訑嗔褜ㄖ锏钠茐闹饕屑羟衅茐摹⒄駝悠茐?、剪切和振動破壞三種情況。對于建在巖體內(nèi)的建筑物，受活動斷層剪切、地震振動、剪切和振動破壞的實例就目前而言尚無相關(guān)報道。

2.3.1 剪切破壞

斷裂主斷帶的位移對工程的剪切破壞分兩種情況，其一，斷層在活動過程中蠕動的位移量之代數(shù)和，斷層的活動不是永遠朝一個方向運動的，不同的時期是變化的，即某一段時間是左旋，發(fā)生地震后可能在某段時間內(nèi)變?yōu)橛倚虼?，隧洞?nèi)斷層的活動位移量和地表殘留的位移量是有差別的，地表的位移量是上百年乃至幾萬年的代數(shù)和。其二，地震時，斷層在很短時間內(nèi)錯斷的位移，斷裂帶的水平位移和垂直位移以及二者位移之矢量，這種位移量在基巖中遺留下可供人們判斷性質(zhì)的證據(jù)較多，但在同一套地層中要判斷位移量是非常復(fù)雜的，這是第三階段的難點和重點，只有在隧洞揭露出性狀最差的構(gòu)造巖寬度后，結(jié)合洞室穩(wěn)定、考慮建筑物抗剪斷的幾何尺寸，如考慮洞中套軟管方案，適當(dāng)擴大洞徑，使軟管在洞內(nèi)有活動余地，同時，洞室尺寸以圓形或高寬比＞2.5 的城門式斷面較為理想。

2.3.2 振動破壞

斷裂活動發(fā)生地震所產(chǎn)生的地震波對建筑物的振動破壞，一般是走滑型斷裂發(fā)生地震，向兩盤衰減較快，逆沖型斷層下盤影響范圍較大。據(jù)研究，地震與斷裂的位移成正比，即位錯量越大，地震的震級越大，破壞性也就越強，地下工程受損程度與建筑物尺寸有關(guān)，跨度大的建筑物受損明顯，跨度小震損不明顯，甚至無震損現(xiàn)象。因此，穿過活動斷層的洞室防振動破壞的洞段越短越好，也就是說，活動斷層在洞內(nèi)出露的部位越準確越好，防振動破壞時洞室設(shè)計主要考慮建筑物的抗震結(jié)構(gòu)，同樣的斷面面積，洞形設(shè)計為高寬比＞2.5 m，根據(jù)下坂地溢洪洞設(shè)計和施工實踐證明襯砌厚度＞0.6 m，可適當(dāng)增加拉筋，而縱向鋼筋不能＜0.2 m，否則鋼模內(nèi)施工難度大，影響工程質(zhì)量和工期，降低了抗震能力。

照片2 昆侖山口地震破裂帶特征Photo 2 Fracture zone characteristics of earthquake

照片3 通海地震地表變形(裂縫、鼓包等)特征Photo 3 Surface deformation characteristics of Tonghai earthquake

2.3.3 剪切、振動破壞

主斷帶兩側(cè)(或上下盤)的建筑物，直接受斷層錯動的剪切破壞相對減弱，但受地震波的影響較大。因此，在隧洞開挖期間要詳細地編錄斷層的性狀和破碎帶的寬度、構(gòu)造巖的膠結(jié)程度以及斷層的最新運動方向，堅硬巖石可通過斷層活動留下的擦痕判斷，宏觀觀察構(gòu)造巖內(nèi)有無定向排列的新礦物(照片4)，左側(cè)照片為構(gòu)造巖中石英脈定向排列特征，走向為280°，與斷層呈小銳角相交，右側(cè)兩張為石英脈q1、q2放大。還可系統(tǒng)地取構(gòu)造巖切片進行微觀分析，取樣、切片全過程要認真描述構(gòu)造巖特征。

綜上所述，在有活動斷層穿過的洞段，地表調(diào)查活動斷裂可能出露地段不宜用盾構(gòu)施工，應(yīng)選擇鉆爆施工，便于跟蹤研究活動斷層的性狀、特征、出露位置等，抗震設(shè)計問題，除了防震抗震外，還要考慮洞室空間小，鋼筋結(jié)構(gòu)太密會增加施工難度，鋼模與基巖面之間施工很困難，容易導(dǎo)致砼振搗不實、或延長施工期，影響砼的固結(jié)等，對工程質(zhì)量會產(chǎn)生較大的影響，從而降低了抗震能力。

照片4 斷層構(gòu)造巖中石英脈定向排列特征Photo 4 Directional alignment charasteristics of quartz vein in fault tectonite

4 結(jié)論

在隧洞不可避免地要穿過活動斷層的情況下，穿過活動斷層段抗震防震應(yīng)問題研究是活動斷裂與工程地質(zhì)勘察研究的難題，活動斷層在地下出露空間位置、性狀、抗震設(shè)計和施工方法等都是要在短時間內(nèi)兌現(xiàn)的問題。但是，由于活動斷層規(guī)模大，且由多條斷層帶組成，加上活動期次多、地表覆蓋層厚度大不易確定其性狀和具體空間展布，用傳統(tǒng)的純活動斷層的研究方法難以解決上述問題。

根據(jù)斷裂活動性研究和工程勘測設(shè)計施工的需要，提出了動態(tài)研究方法，分三個階段進行，第一階段通過地表調(diào)查、探槽和鉆探初步判斷活動斷裂與隧洞相交的宏觀位置;第二階段根據(jù)隧洞開挖揭露的斷層性狀，確定最新活動斷裂的出露樁號;第三階段通過分析斷層出露段的施工地質(zhì)編錄資料，研究隧洞與斷裂相交部位的斷裂活動位錯代數(shù)和與斷裂突發(fā)地震的位移量，即兩種不同情況的抗剪斷問題;斷裂兩盤破碎帶剪切和地震兩種情況下共同對建筑物的破壞;地震波對建筑物的破壞，地震動參數(shù)選擇，提出防震抗震設(shè)計方案。

［1］徐錫偉，等.活動斷層地震災(zāi)害預(yù)測方法與應(yīng)用［M］.北京:科技出版社，2011.

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［3］武漢測繪學(xué)院測量學(xué)編寫組.測量學(xué)［M］.北京:測繪出版社，1979.

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［5］李細光，等.汶川Ms 8.0 地震基巖中的地表破裂［J］.地震地質(zhì)，2008，30(4):989－992.