隧道穿越活動性斷層處置技術(shù)的探討

谷柏森，吳　行，韓光欽

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

隧道穿越活動性斷層處置技術(shù)的探討

谷柏森，吳行，韓光欽

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017）

在地下工程建設(shè)中，特別對于山區(qū)公路隧道，活動性斷層的影響和破壞程度比其他類型工程更加明顯。文章結(jié)合目前國內(nèi)外應(yīng)對隧道穿越活動性斷層的主流研究思路，以某山區(qū)公路隧道為例，嘗試提出一種具體可實施的綜合處理措施，通過洞身超挖、襯砌節(jié)段設(shè)計、節(jié)段間柔性連接設(shè)計以及剪切縫設(shè)計等多種設(shè)計相結(jié)合，以保證隧道順利通過斷層影響帶，滿足隧道運營期間的安全性和耐久性要求。

隧道；活動性斷層；襯砌節(jié)段；剪切縫

1　概述

活動性斷層具有特殊的活動性和不穩(wěn)定性，對隧道結(jié)構(gòu)的破壞可分為兩種基本形式：一是由地震作用引發(fā)的間歇性突然滑動，表現(xiàn)為極短時間內(nèi)的大位移錯動破壞；二是由斷層自身不穩(wěn)定性引發(fā)的微量持續(xù)性位移，表現(xiàn)為長時間微量錯動累積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損毀［1］。

現(xiàn)階段國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域中，理論研究可借鑒的文獻資料、工程實施可參考的技術(shù)儲備都相對有限，因此針對性的工程應(yīng)對措施設(shè)計仍然較少。以常規(guī)方法進行隧道設(shè)計和施工，隧道主體結(jié)構(gòu)對斷層的活動適應(yīng)性很不理想，工程質(zhì)量和運營安全將大打折扣，一旦錯動超出允許值，隧道可能發(fā)生大范圍損毀，甚至導(dǎo)致隧道整體廢棄。

四川綿茂公路某擬建隧道隧址區(qū)分布有活動性斷層，斷層錯動影響帶將對該隧道產(chǎn)生不利影響。本文基于該隧道工程探討處理隧道跨活動斷裂帶的工程新技術(shù)。

2　工程概況

擬建隧道為二級公路山嶺隧道，全長925 m，最大埋深180 m，屬淺埋長隧道。隧址區(qū)分布有F22和F22-1斷層，均為逆沖斷層，其中F22-1斷層垂直于路線走向穿過隧道洞身。結(jié)合隧道地勘報告和（地質(zhì)）縱斷面圖，隧道洞身段里程K20+540~K20+680段為F22-1斷層破碎帶，圍巖破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，富含巖溶裂隙水，工程建設(shè)條件較差。其中，K20+573~ K20+623段為斷層錯動帶，長度為50 m。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，隧道斷層錯動帶預(yù)估年斷層錯動量約4 mm，百年總錯動量為40 cm。

3　新技術(shù)措施理念

在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究和實踐中，逐步形成了3種基本設(shè)計理念：

“超挖設(shè)計”理念［2］，即根據(jù)活動斷層可能的錯動量，預(yù)估其百年總錯動量，擴大隧道斷面尺寸。如圖1所示。

“鉸接設(shè)計”理念［2］，即盡量減小襯砌節(jié)段的長度，使得斷層帶及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的襯砌節(jié)段相對獨立，剛性襯砌節(jié)段間采用柔性接頭連接。如圖2所示。

“隔離消能設(shè)計”理念［2］，即針對傳統(tǒng)鋼筋混凝土復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，在初期支護和二次襯砌之間增加一定厚度的柔性材料作為回填緩沖層。

圖1　隧道超挖設(shè)計

圖2　隧道鉸接設(shè)計

國內(nèi)外典型工程實例中隧道穿越活動性斷層的具體技術(shù)措施選擇和運用如表1所示 。

表1　隧道穿越活動性斷層的技術(shù)措施

可以看出，針對活動性斷層的破壞機理和不利影響，工程處理措施偏重于“以柔克剛”， 以縮減影響范圍、降低破壞程度，力求隧道主體結(jié)構(gòu)具有“動而不壞”的功能。

本次擬建隧道穿越活動性斷層設(shè)計方案中，基于上述3種設(shè)計理念提出各項工程抗斷措施。

4　處理方案設(shè)計［3-4］

該隧道抗斷設(shè)計范圍擴大為K20+552.1~K20+ 643.9段隧道結(jié)構(gòu)，包含50 m長斷層錯動帶和兩端與一般Ⅴ級圍巖過渡段。

4.1超挖設(shè)計

該隧道百年總錯動量預(yù)估為40 cm，為保證隧道建筑限界使用要求，超挖尺寸確定為40 cm，即隧道內(nèi)輪廓尺寸向外擴大40 cm，支護結(jié)構(gòu)向外偏移40 cm。

4.2鉸接設(shè)計

結(jié)合工程經(jīng)驗進行相關(guān)數(shù)值模擬，鏈式結(jié)構(gòu)的襯砌節(jié)段長度在5~10 m，可以較好適應(yīng)斷層錯動位移?？紤]到現(xiàn)場模筑臺車安裝及施工便利，確定采用9 m長的襯砌節(jié)段。同時，提高二襯混凝土等級、增加二襯厚度，以適當(dāng)增加襯砌節(jié)段剛度，可更好地發(fā)揮鏈式結(jié)構(gòu)設(shè)計功能。節(jié)段間設(shè)計柔性接頭進行連接。

4.3隔離消能設(shè)計

節(jié)段間柔性接頭設(shè)計代替了初期支護和二次襯砌間柔性材料緩沖層。在柔性接頭處，初期支護仍為連續(xù)結(jié)構(gòu)，二次襯砌節(jié)段斷開，增設(shè)節(jié)段剪切縫。經(jīng)計算分析，剪切縫寬度在20~50 cm，隧道最大Mises應(yīng)力及整體塑性應(yīng)變得到較理想改善，考慮節(jié)段間防滲設(shè)計要求，剪切縫寬度取為20 cm，共設(shè)9道。節(jié)段剪切縫設(shè)計如圖3、圖4所示。

圖3　節(jié)段剪切縫構(gòu)造設(shè)計圖（橫截面）

需要注意，為保障工程實施中達到理想作用效果，該隧道抗斷設(shè)計措施中采用了3種設(shè)計理念相結(jié)合的方法，以盡可能保證隧道工程的安全。

4.4襯砌斷面的選擇

山嶺隧道中，襯砌常采用三心圓標準斷面形式，特殊條件下采用圓形斷面形式。對這兩種形式斷面襯砌建立模型進行專題研究［1］，以確定抗斷設(shè)計中較為合理的襯砌斷面形式。

圖4　節(jié)段剪切縫構(gòu)造設(shè)計圖（縱截面）

數(shù)值模擬中運用ABAQUS模擬軟件進行分析，建立相應(yīng)的圍巖-斷層-隧道體系的有限元模型；計算中假定逆斷層下盤圍巖固定，上盤圍巖沿斷層破裂面施加錯動位移，以模擬逆斷層運動方式；在同等外力條件下，比較并分析襯砌跨徑不變的斷面形式在三心圓和正圓形兩種情況下，錯動位移作用中隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移、Mises應(yīng)力及塑性應(yīng)變等響應(yīng)特征。

最終分析結(jié)果表明，圓形斷面襯砌隧道與三心圓斷面襯砌隧道相比，除了隧道豎向位移略有減小外，襯砌最大應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變都有明顯增加，隧道襯砌斷面形狀從三心圓改為圓形對隧道抗錯不利。因此，設(shè)計方案中選擇三心圓標準斷面形式襯砌，并對三心圓的凈空尺寸做了適當(dāng)增大，以包含斷層預(yù)估的百年錯動量。

4.5新材料的運用

在鏈式節(jié)段設(shè)計環(huán)節(jié)，柔性接頭須滿足以下兩種基本功能需求：

（1）接頭處要具有一定的承壓強度，保證與襯砌節(jié)段形成整體連接；

（2）在隧道擠壓或張拉時最先破壞，吸收部分應(yīng)變能，緩解主體的損毀程度。

為達到這一效果，設(shè)計中引入了輕質(zhì)泡沫混凝土等材料，保證柔性接頭功能需求。

4.6與常規(guī)設(shè)計的融合

本次抗斷技術(shù)設(shè)計，運用了鏈式襯砌節(jié)段、節(jié)段剪切縫以及擴大襯砌內(nèi)凈空等綜合措施，結(jié)構(gòu)和尺寸上的改變導(dǎo)致新型襯砌與原設(shè)計的明顯不同，因此設(shè)計須包含鏈式襯砌與一般Ⅴ級圍巖襯砌的過渡銜接措施，將鏈式襯砌設(shè)計向錯動影響帶兩端延伸合適的長度，增加針對性細部構(gòu)造設(shè)計，以滿足結(jié)構(gòu)功能需求。過渡連接設(shè)計如圖5、圖6所示。

圖5　不同尺寸襯砌過渡連接設(shè)計圖

圖6　過渡連接構(gòu)造大樣圖

5　結(jié)論

文章基于目前國內(nèi)外廣泛運用的3種基本設(shè)計理念，提出某隧道穿越活動性斷層的工程處理措施，通過綜合分析和研究，得出以下結(jié)論：

（1）預(yù)估斷層百年錯動量，由此確定隧道內(nèi)輪廓尺寸和襯砌支護參數(shù)，可有效延長隧道主體結(jié)構(gòu)的正常使用年限。

（2）通過對三心圓斷面和正圓形斷面兩種形式的隧道襯砌進行抗錯斷性能模擬分析，結(jié)果表明三心圓標準斷面襯砌在錯動位移作用下具有更為理想的力學(xué)響應(yīng)特征，可發(fā)揮良好的抗錯斷功能。

（3）設(shè)計相對獨立的剛性襯砌節(jié)段，通過柔性接頭連接形成的鏈式結(jié)構(gòu)，賦予隧道合適的變形靈活性以及錯動適應(yīng)性。

（4）柔性接頭由剪切縫和初期支護構(gòu)成，斷層錯動時，力學(xué)行為集中作用在接頭部位，并最先損毀，消耗大部分應(yīng)變能，避免隧道主體結(jié)構(gòu)大范圍或整體破壞。

（5）新的技術(shù)措施一定程度上增加了設(shè)計和施工的復(fù)雜性及難度，重點在于多項新技術(shù)的相互結(jié)合，新工藝、新材料配套及時跟進，后期實施中不斷完善、調(diào)整，以保證整體效果。

［1］四川省交通運輸廳公路局，江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，四川綿茂公路建設(shè)投資有限責(zé)任公司.震后綿茂公路建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究［R］. 2014.

［2］李鵬.活動斷層區(qū)公路隧道抗錯斷結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009：26-29.

［3］ 廖朝華，郭小紅.公路隧道設(shè)計手冊［M］.北京：人民交通出版社，2012：358-406.

［4］ 鐵道部第二勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊（隧道）［M］.北京：中國鐵道出版社，1999：475-486.

Probe into Disposal Technology of Highway Tunnel Across Active Fault

Gu Baisen，Wu Hang，Han Guangqin
（JSTI Group, Nanjing 210017, China）

As for the underground construction projects, especially for highway tunnel, the impact and extent of the damage active faults was more obvious than other types of projects. Combining with the current domestic and international research ideas response to tunnel through the active faults of the mainstream, this paper put forward a specific actionable comprehensive treatment for a highway tunnel. It combined a variety of designs including the over-excavation of tunnel trunk, lining section design, segmental flexible connection design and etc, so that the tunnel could pass the fault zone smoothly and meet safety and durability requirements during tunnel operation.

tunnel; active faults; lining section; cutting deformation joint

U452.2

B

1672-9889（2015）04-0064-04

谷柏森（1978-），男，吉林九臺人，工程師，主要從事隧道與地下工程的設(shè)計與理論研究工作。

（2014-08-08）