牛金山隧道穿越活動(dòng)斷層技術(shù)研究

梁文輝

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程背景

G2003太原繞城高速公路義望至凌井店段（太原北二環(huán)）是太原二環(huán)高速公路的重要組成部分，是《山西省高速公路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃》中重要組成部分，對(duì)完善國(guó)家高速公路網(wǎng)和山西省高速公路網(wǎng)有著非常重要的意義。

牛金山隧道是太原北二環(huán)的控制性工程，設(shè)計(jì)為雙向六車道分離式隧道。位于太原市陽(yáng)曲縣北家莊村東側(cè)的中山區(qū)，右洞起迄樁號(hào)為K42+158—K48+770，全長(zhǎng)6 612 m，隧道底板最大埋深350.36 m；左洞起迄樁號(hào)為Z4K42+205—Z4K48+812，全長(zhǎng)6 607 m，隧道底板最大埋深357.15 m。

2 牛金山隧道活動(dòng)斷層工程地質(zhì)條件

2.1 牛金山隧道地形地貌

根據(jù)地表形態(tài)特征，隧址區(qū)地貌單元分為黃土丘陵區(qū)和侵蝕溶蝕中山區(qū)。黃土丘陵區(qū)分布于K41+158—K43+060（Z4K42+205—Z4K43+040），表現(xiàn)為黃土梁峁?fàn)?，沖溝發(fā)育，地層主要為上更新統(tǒng)（Q3）黃土和中更新統(tǒng)（Q2）粉質(zhì)黏土夾碎石，海拔高程1 145～1 269 m，相對(duì)高差124 m；侵蝕溶蝕中山區(qū)分布于K43+060—K48+770（Z4K43+040—Z4K48+812），位于系舟山南端的中山區(qū)，由于長(zhǎng)期的侵蝕溶蝕作用，地形起伏，溝壑縱橫，地層主要為奧陶系馬家溝組石灰?guī)r夾泥灰?guī)r，海拔高程1 246～1 566 m，相對(duì)高差320 m。植被較發(fā)育，黃土丘陵區(qū)以灌木和農(nóng)作物為主，中山區(qū)以灌木和松樹為主。

2.2 活動(dòng)斷裂帶地質(zhì)情況

牛金山隧道進(jìn)口洞身穿越系舟山西麓活動(dòng)斷裂帶，該活動(dòng)斷裂帶為忻定盆地定襄凹陷的主控邊界斷裂，該斷裂北起鴨兒坑，向南越石嶺關(guān)，全長(zhǎng)30 km，斷裂走向NNW，傾向SWW，傾角65°，是一條右旋剪切的正傾滑斷裂。斷裂出露于系舟山西麓基巖與黃土梁分界線附近，斷裂東盤為古生代奧陶系灰?guī)r，西盤為第四紀(jì)沖洪積地層。由兩條正傾斷層組成，靠山側(cè)表現(xiàn)為右旋走滑特征，破碎帶寬度200余米，全長(zhǎng)30 km。未來(lái)百年發(fā)生的最大水平位錯(cuò)量為2.79±1.29 m。垂直位錯(cuò)為1.6 m，最大地殼伸長(zhǎng)量為0.75 m。斷層全新世以來(lái)的水平活動(dòng)速率為5.68 mm/a，垂直活動(dòng)速率為0.19 mm/a。路線分別以路基和隧道形式與斷裂大角度相交，與線路相交于K41+795及K42+530，該斷裂對(duì)隧道工程K42+330—K42+530、Z4K42+350—Z4K42+550有影響。

2.3 活動(dòng)斷裂圍巖巖性

活動(dòng)斷裂帶圍巖由第四系中更新統(tǒng)（Q2pl）粉質(zhì)黏土與碎石互層組成。Q2pl粉質(zhì)黏土，褐黃-褐紅色，硬塑，局部夾角礫；碎石呈中密狀，黏性土充填；圍巖穩(wěn)定性差，易坍塌。地下水出水狀態(tài)呈滴滲狀。圍巖綜合判定為V1級(jí)。

2.4 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）圖A1，牛金山隧道項(xiàng)目區(qū)屬Ⅱ類場(chǎng)地條件，基本地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。

圖1 活動(dòng)斷層與牛金山隧道位置關(guān)系圖

3 活動(dòng)斷裂隧道國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及實(shí)例

活斷層又稱活動(dòng)斷裂（Active fault），通常是指在最新的地質(zhì)時(shí)期持續(xù)活動(dòng)，并且未來(lái)仍將活動(dòng)的斷裂[1]。按斷層活動(dòng)性質(zhì)分類，活動(dòng)斷層分為正斷型、逆斷型和走滑型。

活動(dòng)斷裂意味著在地震條件下對(duì)該活動(dòng)斷裂帶影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物存在潛在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因活動(dòng)斷裂造成的顯著錯(cuò)動(dòng)對(duì)建（構(gòu)）筑物的嚴(yán)重破壞尚無(wú)有效的方法抵抗，建（構(gòu)）筑物當(dāng)需穿越活動(dòng)斷裂時(shí)往往以避讓為主，無(wú)法避讓的需布設(shè)在斷裂帶較窄的部位。

針對(duì)活動(dòng)斷裂，我國(guó)主要公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)規(guī)定見表1。

表1 我國(guó)主要公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中穿越活動(dòng)斷裂相關(guān)規(guī)定

我國(guó)隧道穿越活動(dòng)斷層最為典型工程為蘭新鐵路烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道穿越F7活動(dòng)斷層[7]，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)施工理念，多方案比選，最終確定了采用圓形斷面形式；初期支護(hù)采用雙層襯砌、預(yù)留變形量，圍巖變形逐漸釋放；二次襯砌采用鋼筋混凝土剛性結(jié)構(gòu)；擴(kuò)大內(nèi)輪廓斷面預(yù)留活動(dòng)斷層位錯(cuò)量；施工過(guò)程中采用短臺(tái)階、預(yù)留核心土、仰拱及時(shí)閉合等設(shè)計(jì)和施工理念成功控制了隧道大變形，穿越了活動(dòng)斷裂帶。

4 隧道設(shè)計(jì)思路及方案

4.1 隧道建筑限界設(shè)計(jì)

牛金山隧道設(shè)計(jì)速度100 km/h，隧道建筑限界為：凈寬0.75+0.75+3.75×3+1.00+1.00=14.75 m；凈高5.0 m。

根據(jù)建筑限界確定隧道斷面高跨比為0.69。

圖2 牛金山隧道主洞建筑限界圖（單位：cm）

圖3 牛金山隧道主洞斷面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

4.2 牛金山隧道穿越活動(dòng)斷裂帶襯砌支護(hù)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)有的活動(dòng)斷裂研究成果，充分考慮活動(dòng)斷裂帶隧道變形受力特點(diǎn)，牛金山隧道穿越活動(dòng)斷裂帶采用近圓形斷面以提高斷面高跨比、剛性結(jié)構(gòu)柔性連接、擴(kuò)大結(jié)構(gòu)斷面預(yù)留位錯(cuò)變形量、復(fù)合式襯砌支護(hù)等，同時(shí)采用合理的施工組織最大限度地降低隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

針對(duì)活動(dòng)斷裂帶采用如下措施：

a）調(diào)整隧道高跨比，將內(nèi)輪廓高跨比調(diào)整為0.72，整體開挖高跨比為0.75。

b）采用近圓形襯砌斷面，斷面內(nèi)拱圈凈空預(yù)留60 cm補(bǔ)強(qiáng)空間。

c）超前支護(hù)采用φ42小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)度3.5 m，環(huán)向間距35 cm，縱向間距2 m。

d）采用φ42注漿系統(tǒng)錨管支護(hù)，錨管長(zhǎng)度4.5 m，環(huán)縱向間距120×50 cm，梅花型布設(shè)。

e）采用加強(qiáng)型的襯砌結(jié)構(gòu)，鋼架采用I25a，縱向間距0.5 m。

f）二次襯砌采用75 cm厚C30鋼筋混凝土剛性結(jié)構(gòu)。

g）二次襯砌采用小模板支模，每6 m設(shè)置一道環(huán)向施工縫，施工縫即為抗震縫，抗震縫寬度10 cm，采用聚乙烯泡沫塑料板、雙組份聚硫密封膠等相對(duì)柔性材料將剛性結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)結(jié)構(gòu)單元。

h）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用地質(zhì)雷達(dá)并設(shè)φ89超前水平地質(zhì)鉆孔，用于探測(cè)掌子面前方斷層規(guī)模、產(chǎn)狀、地下水發(fā)育情況以及圍巖破碎情況。

i）隧道與活動(dòng)斷裂帶交叉影響范圍段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，二次襯砌緊跟掌子面，并嚴(yán)格按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工。

j）加強(qiáng)施工控制，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，施工應(yīng)嚴(yán)格遵循“重超前、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”原則和“隨挖隨支、先噴后錨”來(lái)組織施工，控制隧道拱部開挖時(shí)爆破參數(shù)，減少爆破擾動(dòng)次數(shù)，嚴(yán)格控制超欠挖。

圖4 牛金山隧道襯砌設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

如何穿越活動(dòng)斷層是我國(guó)大跨度隧道建設(shè)面臨的一大難題。國(guó)內(nèi)的隧道相關(guān)規(guī)范均未就隧道穿越活動(dòng)斷層帶的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)對(duì)措施給出明確技術(shù)方案和建議，因此如何穿越活動(dòng)斷層已成為亟待解決的問題?；诨顒?dòng)斷層對(duì)隧道工程的影響，開展了牛金山隧道穿越活動(dòng)斷層時(shí)的應(yīng)對(duì)措施研究，得到以下主要結(jié)論：

a）大跨度隧道在穿越活動(dòng)斷層時(shí)盡可能選取受力條件更好的近圓形斷面以提高斷面高跨比。

b）隧道采用強(qiáng)支撐，整體視為剛性結(jié)構(gòu)，采用小模板，縮短施工縫（抗震縫）間距，將活動(dòng)斷層內(nèi)的隧道襯砌分割成多個(gè)獨(dú)立的單元。同時(shí)每個(gè)單元之間采用強(qiáng)度剛度相對(duì)較低的材料連接，使得每個(gè)單元獨(dú)立受力，又共同分擔(dān)變形，避免隧道整體受力破壞。

c）采用擴(kuò)大斷面預(yù)留斷層錯(cuò)位變形量，保證在隧道發(fā)生變形錯(cuò)動(dòng)凈空縮減后，能保證有效凈空，不影響隧道的正常運(yùn)營(yíng)。

d）隧道穿越土質(zhì)圍巖段，襯砌采用強(qiáng)支撐，隨挖隨支，減少圍巖暴露時(shí)間，使隧道初期支護(hù)及早閉合成環(huán)，提高襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力能力，保證隧道穩(wěn)定性。