隧洞穿越活斷層抗斷技術及應用

顧小兵，楊春寶，席志斌，2

(1.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024;3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 概述

在長距離山嶺隧洞工程建設中，由于受到地形、地質等條件及總體線路布置的限制，不得不面臨隧洞穿越活動斷層帶問題。根據(jù)汶川地震的震后調查[1]，穿越斷層隧洞的震損較嚴重且集中在斷層附近，如產(chǎn)生鋼架扭曲、仰拱開裂、錯臺、襯砌開裂、錯斷、圍巖掉塊、坍塌等。美國加州舊金山灣區(qū)捷運系統(tǒng)的Berkeley Hills隧道監(jiān)測分析表明[2]，1969—1981年隧洞在監(jiān)測的67.1m寬的洞段內發(fā)生了約80mm的右旋偏移，蠕滑的速率為6～8mm/a，絕大部分的變形發(fā)生在斷層泥部位。

國家重點研發(fā)計劃“長距離調水工程建設與安全運行集成研究及應用”項目，依托云南滇中引水香爐山隧洞、新疆某工程KS輸水隧洞等工程，開展了隧洞穿越活斷層抗斷技術研究，對相關抗斷技術手段的可行性和適應性進行了分析總結。

2 穿越活動斷層隧洞抗斷措施類型

活動斷層對隧洞工程的影響主要表現(xiàn)為：發(fā)震斷層的粘滑運動及巖體振動引起的破壞(即抗震問題)，無震斷層的蠕滑運動造成的破壞(即抗斷問題)，兩者均可能對隧洞工程造成嚴重影響。國內外相關研究已開展數(shù)十年，但隧洞穿越活動斷層防護措施多還停留在理論階段，隧洞設計規(guī)范等[3- 5]相關規(guī)范中并未涉及或規(guī)范中沒有提出定量設計方法，不能定量把控工程參數(shù)和指標。國內外已建隧洞穿越活動斷層的工程案例，均從抗震和抗斷兩方面著手，采取系列主動防護及被動防護應對措施[6]。具體而言，隧洞抗斷設計方案及思路可以歸納為超挖設計、鉸接設計、消能設計及新材料應用等4種類型。

2.1 超挖設計

超挖設計根據(jù)穿越活動斷裂隧洞錯動方式及預估最大位錯量為假設，沿隧洞斷面徑向增大隧洞尺寸，當斷層錯動時，預先擴挖的面積能夠抵消因斷層錯動導致的凈空縮減，從而保證有效凈空面積，維持隧洞的正常使用功能。通常采用雙層襯砌或洞內明管設計，內外襯砌間充填多孔材料或不填充，是一種被動抗位錯設計方法。擴大橫斷面開挖面積會使得工程成本增加，適用于斷層破碎帶寬度相對較小的情況。

2.2 鉸接設計

鉸接設計即沿隧洞縱向設置一定數(shù)量的變形縫，減小隧洞節(jié)段長度，使斷層帶及其兩側一定范圍內的節(jié)段保持相對獨立，各節(jié)段間采用剛度相對較小的柔性連接。斷層錯動引起的形變量將分散至各節(jié)段，通過各節(jié)段及其縫間剛度較低的材料變形消納，同時增加了活動斷層區(qū)域內隧洞的整體柔度，降低了兩側普通襯砌節(jié)段的受力，從而使隧洞結構整體得到改善，即便因斷層粘滑或長期蠕滑作用產(chǎn)生較大的錯動變形量，隧洞的破壞也可被限定在局部區(qū)域，可降低維護和修復的代價。

2.3 消能設計

消能設計多采用柔性材料、大阻尼材料或彈性減震裝置，在隧洞二襯與圍巖之間、襯砌結構節(jié)段接頭等形變突出部位形成減震或消能層，從而減輕斷層錯位對隧洞結構影響，避免結構進入非彈性狀態(tài)或發(fā)生損壞。消能設計多與超挖設計及鉸接設計結合實施，如在超挖設計初期支護和二次襯砌中間充填多孔材料或彈性材料，如泡沫混凝土材料，形成鋼筋混凝土復合襯砌，盡可能將斷層相對錯動位移吸收消化在初期支護和中間的緩沖材料層上；在分段鉸接設計時，節(jié)段變形縫間充填柔性材料或設置柔性裝置(如波紋管、阻尼器等)。

2.4 新材料應用

隧洞穿越活斷層抗斷設計除普遍采用消能減震、隔震材料外，也在嘗試采用新材料增加隧洞自身結構抗震及抗裂性能。如采用拌有纖維材料的混凝土和加入高強聚合物的混凝土，可以明顯提高襯砌彈性、柔韌度和阻尼值，既可使襯砌結構充分吸收能力，消耗能量，也減小了襯砌的地震響應反應。此外，對混凝土裂縫自修復材料應用也有研究，如當襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫時，接入混凝土的修復膠囊能自動破裂，分泌修復膠熟劑，形成自愈合網(wǎng)絡系統(tǒng)，恢復甚至提高混凝土性能。

3 穿越活斷層輸水隧洞工程典型案例

3.1 云南滇中引水工程香爐山隧洞

香爐山隧洞屬于滇中引水工程大理Ⅰ段，沿線屬高、中山地貌區(qū)。隧洞全長62.6km，最大埋深1450m，為滇中引水工程控制性工程，為無壓輸水隧洞，設計斷面為圓，襯砌后洞徑8.3～8.5m，自北西向南東依次穿過的主要斷層(帶)共14條，其中龍蟠—喬后斷層帶(F10- 1、10- 2)、麗江—劍川斷層帶(F11- 2、F11- 3、F11- 4)及鶴慶洱源斷層(F12)均為全新世活動斷層，屬工程活動斷層。隧洞穿過的各活動斷層位錯設防建議值見表1[7]。

表1 香爐山隧洞穿過的工程活動斷層位錯設防建議值表 單位：m

香爐山隧洞3條全新世活動斷裂100年位移設防水平向量值最大可達2.20m，垂直向量值最大可達0.34m，較大位錯量使得香爐山隧洞面臨錯斷風險。根據(jù)隧洞穿越活動斷裂帶抗震抗斷研究成果，在抗斷問題上，設計采用超挖設計和鉸接設計相結合的方法，擴大隧洞直徑，內徑由8.3m擴大至8.8m，滿足垂直位錯量，保證隧洞過水斷面；減小穿越活動斷裂襯砌的分段長度，由10.0m分段減小至6.0m分段，同時設置2.5cm變形縫，以適應水平和垂直變形要求；為保證變形協(xié)調性，在活動斷裂設防范圍外端再外延40.0m。在抗震問題上，增加襯砌混凝土厚度，由非活動斷裂帶的0.6m增加至0.8m，并加強初期支護措施。

3.2 新疆某水利工程輸水隧洞

新疆某水利工程KS隧洞洞線穿越活動斷層，斷裂破碎帶寬度約100m，斷層為高角度壓扭性逆斷層。最新活動時期屬第四紀晚更新世(Q3)早、中期活斷層，平均活動速率0.06mm/a。KS隧洞為無壓輸水隧洞，設計斷面為馬蹄形，與該斷裂垂直穿過，采用鉆爆法施工。在隧洞穿越活動斷裂帶時主要采取超挖設計、分段鉸接、深層固灌等處理措施。在抗斷問題上，采取擴大隧洞斷面，洞周增加了0.95m的預留變形空間；襯砌分段長度正常洞段12m縮短6m，以適應縱向、橫向變形，同時設置減震伸縮縫，減震伸縮縫寬3cm，內填聚乙烯閉孔塑料板，中間設置可適應大變形的銅片止水帶。在抗震問題上，增加襯砌混凝土厚度，由非活動斷裂帶的0.5m增加至0.7m，加強結構配筋，并加強初期支護措施；采取間隔深層固結灌漿，提高抗震性能，起灌范圍距襯砌外側1m開始到襯砌6m結束，設置了1m厚非固結灌漿緩沖層，可減緩斷層錯動對襯砌結構的破壞作用。

4 輸水隧洞抗斷措施綜合應用

4.1 根據(jù)斷層性質制定設防目標

發(fā)震斷層黏滑型活動具有突發(fā)性，抗震措施只能減輕震損，隧洞設防應以“減輕震損、震后可修”為目標。在隧洞設計時不僅要考慮抗震措施，還應制定震后修復或重建預案，并預留必要的施工條件。如對水工輸水隧洞，除加強一次支護和二次襯砌結構強度外，應重視圍巖加固，加強圍巖固結灌漿，增加圍巖自身穩(wěn)定性，避免斷層錯斷時圍巖成為松散體，還可以減少斷層帶向洞內的滲水量，為隧洞檢修或搶險創(chuàng)造較好的工作條件。在發(fā)震時能盡快切斷發(fā)震斷裂上游來水，避免水流加劇隧洞破壞。無震斷層蠕滑型活動表現(xiàn)為持續(xù)性，隧洞設防應以“服役期內正常運行”為目標，即在工程服役期內斷層預設蠕滑位錯量的基礎上，通過必要且充分的抗斷措施消除位錯對隧洞的影響，使隧洞在服役期內正常運行，無需或僅需少量維護[8]。

4.2 綜合采取多種適用抗斷技術

輸水隧洞襯砌結構既要承擔外部圍巖壓力和高外水壓力作用，又要承受內部水壓力作用，要求襯砌結構既要承載，又要防滲排水，結構復雜。同時，輸水隧洞需要放空、斷水檢修，檢修條件差。因此輸水隧洞穿越活斷層的抗斷設計更為復雜，要求更高，在抗斷設計中往往需要采用多種技術措施相結合思路。從已建工程看，采取“超挖預留變形+設置柔性連接段” 是目前最為常用的應對思路。對于活動斷層帶范圍較大、或在勘測設計階段還不能查明斷層運動范圍，以及隧洞斷面較大的情形，采用以設置柔性連接段為主，輔以其他抗斷措施，能夠做到針對性主動設防且易于實施；對于探明活動斷層帶范圍較小，以及隧洞斷面較小的情形，則采用擴挖雙層襯砌或洞內明管設計，輔以其他抗斷措施較為合適[9- 12]。

5 結語

目前國內外對于隧洞抗錯斷措施的機理研究主要以工程經(jīng)驗和概念設計為主。穿越活斷層隧洞工程應對措施要進行適應性評價，綜合采用多種設計思路相結合的方法，以盡可能保證隧洞工程的安全。輸水隧洞除采取合理抗斷措施外，配套防水措施及運行監(jiān)測工作等也應予以充分重視。