獅子山隧洞穿越F16活動斷裂帶結(jié)構(gòu)防震抗震關鍵技術

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 豐潤 064000)

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展的需要和隧道工程建造在理論認識、機械制造、智能技術等方面的不斷突破，新建隧道規(guī)模越來越大、地質(zhì)條件越來越復雜，不可避免地要穿越活動斷裂帶。由于活動斷裂帶具有活動的特性，其運動表現(xiàn)為兩種模式：一是地震時的巖層突發(fā)破裂；二是不伴隨地震的緩慢錯動[1-2]。目前國內(nèi)外工程建設者主要以數(shù)值分析和模型試驗為技術手段、斷層參數(shù)為研究對象，研究了隧道及地下工程穿越或跨越斷層在地震條件下，隧道結(jié)構(gòu)的地震動力響應特征與抗減震措施。深入探討設防震級和位錯量、隧洞穿越斷層設防長、結(jié)構(gòu)受力破壞模式與抗震、擴挖節(jié)段及節(jié)段長度、減震層及厚度、柔性連接和結(jié)構(gòu)縫型式以及圍巖加固、柔性或剛性結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)等防震抗震技術[3-7]。隧洞結(jié)構(gòu)防抗震技術成果總結(jié)為“超挖設計、鉸接設計、隔離消能設計”[8-9]。

目前，隧洞直接穿過斷層數(shù)值分析模擬的邊界條件一般以地震動力響應下的斷層為研究對象，而深埋、軟弱圍巖且具有高地應力活動斷裂研究案例極少。此外，模型試驗條件無法模擬“應力—圍巖—結(jié)構(gòu)”的動力響應。因此，在隧洞穿越活動斷裂帶時其結(jié)構(gòu)受力和破壞極為復雜。本文以獅子山引水隧洞直接穿越F16程海—賓川活動斷裂帶為例，深入分析深埋、軟巖圍巖、高地應力和施工擾動等條件下隧洞結(jié)構(gòu)位錯、擠壓—卸荷大變形、斷裂活化等地質(zhì)問題?；凇敖ㄖ拐痦g性”的隧洞結(jié)構(gòu)防震抗震設計原則，以設計使用年限內(nèi)的位錯量作為斷面擴挖設計指標，提出隧洞襯砌結(jié)構(gòu)抗震設計、圍巖加固、施工監(jiān)測和長期監(jiān)控等措施，確保隧洞穿越F16活動斷裂帶施工安全和結(jié)構(gòu)防震抗震設計科學合理安全經(jīng)濟。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)場工程概況

滇中引水工程獅子山隧洞位于賓川縣境內(nèi)，全長29.42km，斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸為9.2m×9.2m。DLⅡ47+078～47+133段，長55m，埋深218～232m，產(chǎn)狀265°∠65°，跨越F16程?！e川活動性斷裂帶(見圖1)。巖性為斷層泥、構(gòu)造片巖等，巖體結(jié)構(gòu)破碎，主要呈散體結(jié)構(gòu)，斷層帶巖體呈泥包石狀，泥化夾層發(fā)育普遍。地下水位高出底板67m，斷層帶中等透水，滲透系數(shù)為K=0.3m/d。

圖1 F16活動斷裂帶地質(zhì)縱斷面

1.2 地震動參數(shù)

隧址50年內(nèi)超越10%概率水平向地震動峰值加速度為0.2g，地震動反應譜特征周期為0.45s，地震烈度為Ⅷ度?，F(xiàn)場預測F16程海—賓川斷裂帶100年水平位錯量為1.3～1.7m，垂直位錯量0.3m，隧洞存在抗剪斷問題。區(qū)域地震活動與地震構(gòu)造相關，沿程海一賓川斷裂帶歷史上曾發(fā)生過多次中—強震，最大震級為1515年的永勝7級地震。

2 F16活動斷裂帶對隧洞結(jié)構(gòu)的影響

程?！e川斷裂帶屬于青藏高原東南緣大理—麗江地區(qū)滇西北裂陷帶的東部邊界斷裂。該斷裂帶調(diào)節(jié)著青藏高原內(nèi)部物質(zhì)向東南擠出，是該區(qū)域一條顯著的控震構(gòu)造和發(fā)震斷層，也是該區(qū)域最顯著的活動斷裂。其運動形式表現(xiàn)為：?蠕滑緩慢錯動；?地震運動；?卸荷大變形。

2.1 存在隧洞結(jié)構(gòu)錯動破壞問題

a.蠕滑緩慢錯動。F16斷裂帶為Q3晚更新世活動性斷裂帶，活動性中等，垂直、水平位移較大，主要特性表現(xiàn)為蠕滑運動。每年的錯動量較小，但相對滑動引起的剪切破壞是一種長期積累的效應，隧洞結(jié)構(gòu)應力逐漸增大至一定程度時，隧洞結(jié)構(gòu)便發(fā)生變化破壞[10]。

b.地震運動。區(qū)域地震活動為中—強震，最有可能重發(fā)破壞性地震等問題，隧洞震害主要表現(xiàn)為：洞身段襯砌產(chǎn)生開裂、襯砌錯臺、洞身局部或整體垮塌等。

2.2 存在極嚴重擠壓變形問題

a.構(gòu)造應力。斷層上盤殘留較高的構(gòu)造應力，巖體產(chǎn)生極嚴重擠壓變形。

b.軟巖大變形。F16斷裂帶巖性為斷層泥、構(gòu)造片巖等，巖體結(jié)構(gòu)破碎(Rb<2MPa，Kv<0.15)，主要呈散體結(jié)構(gòu)，巖體呈泥包石狀，泥化夾層發(fā)育普遍。圍巖強度應力比0.03，巖石強度應力比0.17。參考《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規(guī)范》(Q/CR9512—2019)判斷F16斷裂帶變形潛勢為強烈(見表1)。

c.卸荷大變形。先期應力荷載強，開挖后因應力釋放，圍巖承受的變形松弛荷載較強，另巖體遇水軟化嚴重，易發(fā)生大變形。

表1 擠壓性圍巖變形等級劃分標準

2.3 存在斷裂活化問題

該段地下水位高出底板67m，巖體中等透水，滲透系數(shù)K=0.3m/d，外水壓力折減系數(shù)βe為0.3～0.5m，涌水量qs=12.8m3/(d·m)，qmax=35.4m3/(d·m)。隧洞穿越F16斷裂帶處于較高的水平構(gòu)造應力環(huán)境，同時受到隧洞開挖擾動的影響，卸載條件下斷裂巖體應力、滑移位移的多次“突跳”使得F16斷裂帶頻繁活化。隨著隧洞開挖的推進，在斷層水壓與開挖擾動作用下，圍巖裂隙擴展。擾動—應力—水壓的疊加作用使掌子面接近斷裂帶時，一定范圍內(nèi)圍巖完全松動，存在開挖揭露時涌水突泥風險。

3 防震抗震關鍵技術

3.1 隧洞抗剪斷措施

針對如何科學地解決隧洞穿越活動斷裂帶抗斷這一工程難題，因多數(shù)工程竣工時間距今較短，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，國際上尚未取得共識。國內(nèi)外對隧洞跨活動斷裂帶采取的抗剪斷設計主要有擴挖設計、鉸接設計、隔離消能設計3種[12]。擴挖設計應用較廣、施工簡單、效果較好，且出現(xiàn)破壞后處理修復較快。

隧洞穿越F16活動斷裂帶采取斷面擴挖設計。位錯量是抗震設計依據(jù)的主要指標，國內(nèi)關于隧洞的錯動量定量計算公式如下[8]:

(1)

式中S——活動斷裂處隧道的位錯量，m；

MS——活動斷裂的發(fā)震震級。

式(1)是地震條件下，對一定區(qū)域多個震害造成的位錯量統(tǒng)計的回歸分析經(jīng)驗公式。大量案例說明[13]，震害造成的位錯達十幾厘米甚至幾米。在地震波作用下，襯砌幾分鐘內(nèi)就發(fā)生錯動、開裂、松動，甚至塌落等。且在非地震條件下，活動斷裂段存在高地應力、軟巖大變形等地質(zhì)問題，其活動具有不確定性和長期性，位錯量難以定量計算也具有不確定性。因此，基于“建筑抗震韌性”的隧洞結(jié)構(gòu)抗震設計原則，隧洞穿越F16活動斷裂帶采取斷面擴挖設計(見圖2)，以設計使用年限內(nèi)的蠕動位錯量作為斷面擴挖設計制定指標。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設計方案

3.2.1 關于襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化主要從兩方面進行。

a.通過設置減震層能緩解斷層錯動位移，吸收部分位移錯動對襯砌產(chǎn)生的外力。減震層常選用海綿橡膠板、泡沫混凝土及瀝青砂等材料。關于設置減震層的設置需注意以下4點[8-9]：?增設減震層后，襯砌結(jié)構(gòu)最大位移、主應力、剪應力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力均產(chǎn)生不同程度的減小，都起到了不同程度的減震效果；?減震層與圍巖彈模之比越小,減震層厚度越大,襯砌結(jié)構(gòu)動應力集中系數(shù)越?。?橡膠減震層的減震效果優(yōu)于泡沫混凝土；?對于結(jié)構(gòu)位移的影響,減震層施加于圍巖和初期支護之間的減震效果要優(yōu)于施加于初支和襯砌結(jié)構(gòu)之間。

b.通過設置抗位錯變形縫進行減震，變形縫能夠吸收錯動位移，節(jié)段長度越短，襯砌的抗錯斷能力越強。隨著變形縫間距的增大，減震效果逐漸降低。

圖2 隧洞穿越F16活動斷裂帶支護襯砌結(jié)構(gòu)典型斷面(單位：mm)

地震作用下襯砌的破壞主要集中在抗震縫處，若抗震縫的設置間距過短可能導致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)[14]。同時，考慮襯砌結(jié)構(gòu)整體性以及施工的方便，節(jié)段長度不宜過短。因此，基于“建筑抗震韌性”設定結(jié)構(gòu)設計原則，在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下盡量采用較長的節(jié)段。如何合理設置襯砌節(jié)段長度，研究者基于活動斷層不同傾角、寬度和位錯量等參數(shù)通過數(shù)值模擬計算，提出襯砌結(jié)構(gòu)設置抗震縫的最少節(jié)段數(shù)和最大節(jié)段長度的計算公式[15]。

設置的最少節(jié)段數(shù)N為

(2)

節(jié)段數(shù)最少時對應的節(jié)段長度最大長度a為

(3)

上二式中b——預設的抗震縫寬度；

L——斷層破碎帶寬度；

D——隧道襯砌外直徑；

β——斷層的傾角；

s——上下盤的相對錯動量，即位錯量；

a——最大節(jié)段長度。

3.2.2 隧洞穿越F16活動斷裂層襯砌結(jié)構(gòu)設計

隧洞穿越F16程海—賓川Q3晚更新世活動性斷裂，工程抗剪斷主要采取擴挖設計、縮短襯砌節(jié)段長度、加強結(jié)構(gòu)縫止水等措施?；顒訑嗔褞Ф炊吻昂蟾鞑贾?m洞段初期支護及二襯結(jié)構(gòu)漸變段。在原斷面凈空基礎上加大0.5m擴挖，斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸12.5m×12.5m，襯砌混凝土強度等級C30W8F100，厚度為0.8m，襯砌節(jié)段長度為6m，抗位錯變形縫縫寬50mm，設置1.2mm厚銅片止水，采用搭接焊接或?qū)雍附?，止水鼻直立段高度?0mm。

3.3 圍巖加固措施

隧洞穿越F16活動斷裂段具有圍巖強度極低、地應力高、滲透壓大和災害源廣的特點，為了預防塌方、突涌水等災害發(fā)生，對圍巖進行加固至關重要。

隧洞穿越斷裂帶進行圍巖加固主要方法有圍巖注漿和錨桿加固。查閱相關研究資料，圍巖注漿加固效果主要可從以下三點說明[16]：?圍巖加固可以減震和提高結(jié)構(gòu)的安全性；?注漿層厚度越大，抗震效果越好，但厚度從4m增加至5m，減小幅值的梯度較?。?全環(huán)間隔注漿的抗震效果要優(yōu)于全環(huán)接觸注漿形式。

圍巖擠壓性程度除取決于初始地應力量值外，巖體強度的提高對減小圍巖變形量值也有明顯作用。工程實踐證明，能起到增強巖體“強度”的“巖體改良”措施，除了費工費時的圍巖注漿外，巖體錨固技術特別適用于擠壓性圍巖隧道工程[17]。錨桿加固技術主要有全長錨固錨桿和讓壓錨桿。

全長錨固錨桿的作用是以巖體內(nèi)力的形式實現(xiàn)主動加固。通過滿注于巖孔中的砂漿的黏結(jié)力實現(xiàn)桿體和圍巖介質(zhì)的共同變形。在共同變形的過程中桿體和圍巖介質(zhì)之間的相互作用呈現(xiàn)為沿錨桿桿體非均勻分布的剪切表面力形式。其錨固技術要點有：?錨桿必須有足夠的長度；?全長飽滿灌漿。

讓壓錨桿隨圍巖向洞內(nèi)收斂、位移，錨桿在錨腔內(nèi)克服腔壁的摩擦力而滑移，形成讓壓量，同時提供設計要求的恒定支護力，以約束圍巖的自由松動變形。待圍巖變形達到收斂穩(wěn)定以后，將錨固鎖定不動，最終形成“邊支邊讓、先柔后剛”起到保持圍巖持續(xù)穩(wěn)定的效果。

隧洞穿越F16活動斷裂帶圍巖加固措施如下：

a.超前注漿大管棚?？紤]到超前大管棚開孔跟管工藝鉆進長度有限、間距較密等情況，活動斷裂帶φ108超前注漿大管棚每循環(huán)長度L=12m，設置在拱部180°范圍內(nèi)，間距30cm，排距9m；搭接3m，仰角盡量控制不超15°。必須保證管壁開孔注漿，固結(jié)管棚周邊一定范圍松散巖體并形成固結(jié)體的搭接，防止細小、砂狀斷層物質(zhì)流出。開挖揭露后視頂拱滲水、塌空嚴重程度，必要時可在頂拱增設φ42超前注漿小導管，L=4.5,間距30cm，排距3m。

b.固結(jié)灌漿。對拱圈5m深度范圍進行超前圍巖固結(jié)、堵水，確保頂拱部位圍巖形成一定固結(jié)圈，并防止線狀滲水從拱圈部位流出。灌漿結(jié)束后鉆設檢查孔對鉆孔滲、水量進行檢查，如有明顯滲水、泥漿流出應進行加密補灌。

c.初期支護。支護斷面見圖2，開挖斷面尺寸為12.5m×12.5m馬蹄形，預留變形量20cm；噴20cm厚C20粗纖維混凝土、頂拱網(wǎng)格φ8@150mm×150mm(邊墻無)；φ25系統(tǒng)錨桿，L=6m讓壓錨桿，按1.25m×1.25m梅花形布置；Ⅰ20型@50cm鋼支撐，底腳加橫撐，縱向φ25鋼筋@100cm；在上臺階、中臺階、下臺階腰線及底腳位置分別設置鋼支撐鎖腳錨管(φ42，L=6m，共12根)；澆筑20cm厚C20混凝土底板硬化保護層。

3.4 施工與永久監(jiān)測

3.4.1 施工監(jiān)測方法

為確保隧洞穿越F16活動斷裂帶施工安全和結(jié)構(gòu)設計科學合理、安全經(jīng)濟,在修建過程中進行監(jiān)控量測并納入施工工序，以實現(xiàn)信息化設計與施工。施工期安全監(jiān)測要求如下：

a.初測收斂斷面盡量靠近開挖掌子面，監(jiān)測斷面間距為5m。

b.隧洞圍巖收斂監(jiān)測的時段從掌子面附近具備收斂測點埋設條件開始，直至二次襯砌開始澆筑時為止。各收斂斷面在開挖或支護后的7天內(nèi)每天應觀測2次；15天內(nèi)每天觀測1次，當掌子面距收斂斷面大于2倍洞徑后，每2天觀測1次；變形穩(wěn)定后，每周觀測1次，直至圍巖襯砌后停止觀測。在收斂斷面附近進行開挖時，開挖前后都應觀測1次；在收斂斷面附近加固處理時或測值出現(xiàn)異常時，應酌情增加觀測次數(shù)。

c.監(jiān)控量測結(jié)果應及時反饋，指導設計與施工。

d.開挖施工期間應有專人對掌子面及掌子面附近30m范圍內(nèi)進行巡視，發(fā)現(xiàn)異常聲響、噴混凝土脫落開裂、滲水變大、水流變渾等跡象時應及時預警，啟動相關應急預案。

3.4.2 永久監(jiān)控系統(tǒng)

活動斷裂帶對隧洞結(jié)構(gòu)及運行安全帶來非常大的影響。如何評價其對隧洞結(jié)構(gòu)造成的影響成了當前隧洞建設及運行期面臨的難題。因此，有必要對穿越活動斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)進行長期監(jiān)控，掌握活動斷裂段襯砌結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，從而評價活動斷裂帶對隧洞的影響，及時發(fā)現(xiàn)風險，保障運行安全。隧洞穿越F16活動斷裂段永久安全監(jiān)測布置見表2和圖3。

表2 隧洞穿越F16活動斷裂段永久安全監(jiān)測斷面布置

圖3 隧洞穿越F16活動斷裂段監(jiān)測斷面儀器布置 E—滲壓計；MW—多點位移計；MG—錨桿應力計；J—測縫計；K—位錯計;S1—單向應變計；S2—二向應變計；N—無應力計；R—鋼筋計；T—溫度計；GB—鋼支撐鋼板計；Y—壓應力計

光柵光纖監(jiān)測設備除滲壓計和水位計采用分路器(一分四耦合器)并聯(lián)外，其余采用串聯(lián)(6～8個傳感器串聯(lián)一組)；光纖光柵式設備光纜通過接線盒與主光纜連接后，經(jīng)洞頂線槽或PVC保護管引出至洞外觀測站，振弦式設備電纜經(jīng)洞頂?shù)木€槽引出至洞外觀測站。

4 結(jié) 論

a.本文遵循“預留空間、優(yōu)化斷面、節(jié)段設計、運營監(jiān)測”的原則，采用“大剛度環(huán)形襯砌+預留百年位錯變形空間+組合寬變形縫”的結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)節(jié)段設計，在斷裂錯動時，破壞集中在連接部位或結(jié)構(gòu)的局部，減小結(jié)構(gòu)整體性破壞。

b.隧洞穿越F16活動斷裂時穩(wěn)定圍巖、施工風險防范、減震抗震和抑制軟巖大變形等需要進行圍巖加固，具體措施包括拱部180°φ108超前注漿大管棚，拱圈5m固結(jié)灌漿和設置長度為6m的φ25讓壓系統(tǒng)錨桿等。

c.對隧道施工過程進行實時監(jiān)測，以實現(xiàn)信息化設計與施工；對穿越活動斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)不同標段進行長期監(jiān)控，掌握活動斷裂段襯砌結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)，從而評價活動斷裂帶對隧洞的影響，及時發(fā)現(xiàn)風險，保障運行安全。