隧洞穿过活动断裂抗震防震问题研究方法探讨

吴世泽

(长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

0 引言

大型工程建设防震抗震问题历来就受工程技术人员的高度重视，在现行工程建设相关规范中，对于工程建设的防震抗震问题是采取避开活动断层的被动措施予以回避。但是，对于长线工程来说，在活动断层多、规模大、延伸长，线路无法避开的情况是在所难免的，如进藏铁路、公路、西气东送工程都不可避免地要穿过活动断裂。在这些工程中，铁路穿过活动断层时，是采用短铁轨连接，以防水平位移对长铁轨的变形破坏;输气长线工程，可采用软管浅埋，防止剪切破坏，但垂直位移在不影响运行的前提下，铁路枕木(水泥枕)下所铺的碎石可起缓冲作用❶周云等，全国工程地质发展与应用暨城市地质技术专题研讨会论文集，2012。。

但是，由于活动断层一般都有较大的规模，并且由多条断层带组成，活动期次多、地表覆盖层厚不易确定其性状和具体空间展布，活动断层在某种意义上等于潜在突发性地震灾害源或无震蠕滑地质灾害［1］。工程实践表明，活动断裂在地表和地下无论是断层的性状还是规模都有很大的差别。传统的方法是地表量测了产状后，用直线画在剖面上，在洞中出露的位置很难定性、定量。为此，本文提出了动态方法研究隧洞穿过活动断裂的防震抗震问题，分三个阶段进行，第一阶段宏观定位，通过地表探槽和钻探初步判断活动断裂与隧洞相交的宏观位置;第二阶段定性定量，根据开挖揭露的断层性状，确定最新活动断裂的出露桩号;第三阶段研究方案，通过隧洞开挖过程中施工地质编录资料研究抗震防震方案。

1 工程防震抗震设计

1.1 设防参数的选取

场地基岩地震动参数可按地震安全性评价所提供的参数进行设防，只考虑活动断层发生极限地震对工程的影响。一般距断层有一定的距离，工程地震学界常采用胡聿贤院士提出的转换方法，即利用参考地区的地震动衰减关系和地震烈度衰减关系，结合研究区的地震烈度衰减关系，采用数值求解法转换得到研究区的地震动衰减关系。在西南通常采用中国地震局地球物理研究所拟合的我国西南地区基岩水平地震动加速度峰值衰减关系的系数值和反应谱衰减关系的系数值。

计算公式为［2］:

式中:Y——动峰值加速度(cm/sec2);M——地震震级;R——工程场地到震中的距离(km)。

考虑7 级以上地震对工程的影响，一般等震线近似为椭圆形，所以地震动衰减关系常采用长、短轴的椭圆模型，对于穿过活动断层的隧洞来说，如果是所穿过的活动断层发生地震，应选用长轴计算地震动参数，断层两侧可按小区划提供的参数选取地震动参数。

1.2 抗剪断设计

抗剪断设计是长线工程穿过活动断层最复杂的问题之一，断裂在发生地震时破碎的规模、断层孕震过程中的运动规律、活动速率等，就现阶段缺少监测资料的情况下，一般按垂直与水平方向百年位错量来考虑，但是，百年位错量的精度是很低的，研究断层活动性时反算的百年位错量，在工程抗剪断设计时只能参考应用。隧洞穿过活动断层防止突发地震导致隧洞错位，常想到扩大洞室断面几何尺寸，假如错断3 m，在穿过活动断层部位将隧洞向两侧各扩宽3 m，这是理想状态下扩宽3 m 不会使隧洞产生堵塞，但是隧洞洞径沿洞轴线方向扩多长，地震时剪断部位在何处等都是未知数。断层破碎带部位抗震设计时，钢筋过密施工难度大，因此，采用动态方法研究穿过活动断层部位的防震抗震问题，也是一种符合客观实际的尝试。

2 动态方法

实践证明，长线工程穿过活动断层部位的抗震防震设计问题是西南较为突出的难题，地震小区划、地震安全性评价对活动断层的研究与工程实际需要从精度上来说，有较大的差别，因此，本文提出了动态研究方法，分宏观定位、定性定量、设计方案3 个阶段进行，具有连续性，准确性，可行性优点，目的明确，全过程为动态勘测。

2.1 宏观定位

第一阶段——宏观定位。根据已有的研究成果和卫星影像、Google 搜索活动断裂穿过的部位，进行实地调查和勘探，充分利用采石场、村村通道路开挖边坡揭露的断层特征如照片1 是剑川盆地东侧一个采石场沿断裂带挖建筑材料揭示了小金河—丽江断裂主断带产状(照片1F)，从地表看未开挖部位地形地貌没有断层的迹象，在过去的地质图上断层在此段偏离很远。镜面和擦槽清晰地显示出断层的挤压性质(照片1A1)，镜面上的构造角砾岩则表明该断裂曾经有过张性活动(照片1A2)。

照片1 开挖揭示断裂主断带特片Photo 1 Characteristics of main thrust belt

与断层垂直或斜交的冲沟、多条冲沟同步位错部位等是寻找断层的重点部位，图1 是畹町—安定断裂穿过平子亭—公养河一带时使水系同步位错，野外调查时在公养河左岸找到断层露头，与卫星影像上断裂影象是吻合的;在覆盖层厚度较大，地表无法找到断层时，可采用物探方法［3］，初步确定断层的深部特征，综合地表露头和断层走向，判断断层经过的地段，为下一步工作提供依据;水文地质图上的泉水点(特别是温泉)成带状分布的部位也是找断层的有效方法之一。总之，追踪洗动断层露头的方法较多，在此不再赘述。

在初步判断地表断层与隧洞轴线相交的位置，测量露头点的坐标、分别将露头点上在大比例尺(1∶50 000 以上)地质图上，然后布置勘探线，坑槽布置在平行于隧洞轴线穿过断层附近，由于断裂规模大，主断面不只一个，因此，坑槽开挖采取1/2 找点法，所谓1/2 找点是借鉴了测量仪器人工调平居中的一种方法。具体挖法是在断层可能出露的中间试挖，有构造迹象时继续，无构造迹象再在1/4 地段挖，直到挖出断面为止。勘探钻孔采用斜孔近似与断裂走向垂直钻进。平硐则要充分利用将来的施工支洞，在施工支洞开挖过程中及时进行地质编录，重点收集大规模断层的出露点和特征。综合各手段初步判断活动断裂带的宏观位置，以及在隧洞内可能出露的范围。

2.2 定性定量

第二阶段——定性定量。活动断层的最新活动性质、活动位移量采用高精度的仪器长期监 测是能捕捉到相关信息的，但西南活动断层多、布置的实施难度大、成本高，所以这方面的研究以前较少，汶川5·12地震后，断层活动和地震对建筑物的破坏研究逐渐较多［4］。然而，与工程结合起来研究断层活动速率，为工程设计提供依据是个复杂问题，也有个过程，尤其是地下工程穿过的活动断层，在地下、地面活动断层的活动性在不同的时期活动性质、活动量是不同的，不同的部位同一条断层其活动性也是千差万别的，更为缺少的是针对某条活动断层的监测资料，因此，断层的最新活动性定量研究，只有借助现代地震遗留下的裂缝、地震陡坎、鼓包等统计分析活动断层的最新活动性质、活动位移量，如2008年汶川5·12 地震，基岩垂直位错5.4 m［5］，而水平位错实地调查难度很大。2001年11月14 日青海省昆仑山口发生8.1 级地震，地表破裂宽3 m 左右(照片2)，具有明显的左旋水平走滑运动性质，最大左错量为7 m，垂直位错很小，一般不超过1 m;1970年1月5 日蛾山、曲江之间的通海发生7.7 级地震，具右旋水平错动性质，覆盖层最大水平错距2.2 m，遗留下来的地震鼓包高0.3 m(照片3)。从上面几个现代地震地表破裂情况看，活动断裂在基岩中的水平和垂直位错定性较好确定，但要测到断层在某次地震时发生的位移直得认真研究，尤其是历史地震所遗留的证据保留不是很完整，使判断真假位移难度较大。对于隧洞穿过的活动断层，要判断断层的活动性质、位移量只有在隧洞开挖揭露出断层的具体位置后，综合地表变形特征和位错量予以分析，得出符合客观实际的百年位错量供设计使用。

图1 畹町—安定断裂穿过平子亭—公养河—带水系同步左旋位错示意图Fig.1 Schematic diagram of synchronous sinistral dislocation

2.3 方案研究

第三阶段——研究防震抗震设计方案。活动断裂对建筑物的破坏主要有剪切破坏、振动破坏、剪切和振动破坏三种情况。对于建在岩体内的建筑物，受活动断层剪切、地震振动、剪切和振动破坏的实例就目前而言尚无相关报道。

2.3.1 剪切破坏

断裂主断带的位移对工程的剪切破坏分两种情况，其一，断层在活动过程中蠕动的位移量之代数和，断层的活动不是永远朝一个方向运动的，不同的时期是变化的，即某一段时间是左旋，发生地震后可能在某段时间内变为右旋，因此，隧洞内断层的活动位移量和地表残留的位移量是有差别的，地表的位移量是上百年乃至几万年的代数和。其二，地震时，断层在很短时间内错断的位移，断裂带的水平位移和垂直位移以及二者位移之矢量，这种位移量在基岩中遗留下可供人们判断性质的证据较多，但在同一套地层中要判断位移量是非常复杂的，这是第三阶段的难点和重点，只有在隧洞揭露出性状最差的构造岩宽度后，结合洞室稳定、考虑建筑物抗剪断的几何尺寸，如考虑洞中套软管方案，适当扩大洞径，使软管在洞内有活动余地，同时，洞室尺寸以圆形或高宽比＞2.5 的城门式断面较为理想。

2.3.2 振动破坏

断裂活动发生地震所产生的地震波对建筑物的振动破坏，一般是走滑型断裂发生地震，向两盘衰减较快，逆冲型断层下盘影响范围较大。据研究，地震与断裂的位移成正比，即位错量越大，地震的震级越大，破坏性也就越强，地下工程受损程度与建筑物尺寸有关，跨度大的建筑物受损明显，跨度小震损不明显，甚至无震损现象。因此，穿过活动断层的洞室防振动破坏的洞段越短越好，也就是说，活动断层在洞内出露的部位越准确越好，防振动破坏时洞室设计主要考虑建筑物的抗震结构，同样的断面面积，洞形设计为高宽比＞2.5 m，根据下坂地溢洪洞设计和施工实践证明衬砌厚度＞0.6 m，可适当增加拉筋，而纵向钢筋不能＜0.2 m，否则钢模内施工难度大，影响工程质量和工期，降低了抗震能力。

照片2 昆仑山口地震破裂带特征Photo 2 Fracture zone characteristics of earthquake

照片3 通海地震地表变形(裂缝、鼓包等)特征Photo 3 Surface deformation characteristics of Tonghai earthquake

2.3.3 剪切、振动破坏

主断带两侧(或上下盘)的建筑物，直接受断层错动的剪切破坏相对减弱，但受地震波的影响较大。因此，在隧洞开挖期间要详细地编录断层的性状和破碎带的宽度、构造岩的胶结程度以及断层的最新运动方向，坚硬岩石可通过断层活动留下的擦痕判断，宏观观察构造岩内有无定向排列的新矿物(照片4)，左侧照片为构造岩中石英脉定向排列特征，走向为280°，与断层呈小锐角相交，右侧两张为石英脉q1、q2放大。还可系统地取构造岩切片进行微观分析，取样、切片全过程要认真描述构造岩特征。

综上所述，在有活动断层穿过的洞段，地表调查活动断裂可能出露地段不宜用盾构施工，应选择钻爆施工，便于跟踪研究活动断层的性状、特征、出露位置等，抗震设计问题，除了防震抗震外，还要考虑洞室空间小，钢筋结构太密会增加施工难度，钢模与基岩面之间施工很困难，容易导致砼振捣不实、或延长施工期，影响砼的固结等，对工程质量会产生较大的影响，从而降低了抗震能力。

照片4 断层构造岩中石英脉定向排列特征Photo 4 Directional alignment charasteristics of quartz vein in fault tectonite

4 结论

在隧洞不可避免地要穿过活动断层的情况下，穿过活动断层段抗震防震应问题研究是活动断裂与工程地质勘察研究的难题，活动断层在地下出露空间位置、性状、抗震设计和施工方法等都是要在短时间内兑现的问题。但是，由于活动断层规模大，且由多条断层带组成，加上活动期次多、地表覆盖层厚度大不易确定其性状和具体空间展布，用传统的纯活动断层的研究方法难以解决上述问题。

根据断裂活动性研究和工程勘测设计施工的需要，提出了动态研究方法，分三个阶段进行，第一阶段通过地表调查、探槽和钻探初步判断活动断裂与隧洞相交的宏观位置;第二阶段根据隧洞开挖揭露的断层性状，确定最新活动断裂的出露桩号;第三阶段通过分析断层出露段的施工地质编录资料，研究隧洞与断裂相交部位的断裂活动位错代数和与断裂突发地震的位移量，即两种不同情况的抗剪断问题;断裂两盘破碎带剪切和地震两种情况下共同对建筑物的破坏;地震波对建筑物的破坏，地震动参数选择，提出防震抗震设计方案。

［1］徐锡伟，等.活动断层地震灾害预测方法与应用［M］.北京:科技出版社，2011.

［2］胡聿贤.地震安全性评价技术教程［M］.第二版.北京:地震出版社，2003.

［3］武汉测绘学院测量学编写组.测量学［M］.北京:测绘出版社，1979.

［4］赵伯明，等.汶川Ms 8.0 地震断层与地震灾害初步分析［J］.地震地质，2008，30(4):839－851.

［5］李细光，等.汶川Ms 8.0 地震基岩中的地表破裂［J］.地震地质，2008，30(4):989－992.