隧道穿越活动性断层处置技术的探讨

谷柏森，吴　行，韩光钦

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

隧道穿越活动性断层处置技术的探讨

谷柏森，吴行，韩光钦

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

在地下工程建设中，特别对于山区公路隧道，活动性断层的影响和破坏程度比其他类型工程更加明显。文章结合目前国内外应对隧道穿越活动性断层的主流研究思路，以某山区公路隧道为例，尝试提出一种具体可实施的综合处理措施，通过洞身超挖、衬砌节段设计、节段间柔性连接设计以及剪切缝设计等多种设计相结合，以保证隧道顺利通过断层影响带，满足隧道运营期间的安全性和耐久性要求。

隧道；活动性断层；衬砌节段；剪切缝

1　概述

活动性断层具有特殊的活动性和不稳定性，对隧道结构的破坏可分为两种基本形式：一是由地震作用引发的间歇性突然滑动，表现为极短时间内的大位移错动破坏；二是由断层自身不稳定性引发的微量持续性位移，表现为长时间微量错动累积导致结构损毁［1］。

现阶段国内外相关专业领域中，理论研究可借鉴的文献资料、工程实施可参考的技术储备都相对有限，因此针对性的工程应对措施设计仍然较少。以常规方法进行隧道设计和施工，隧道主体结构对断层的活动适应性很不理想，工程质量和运营安全将大打折扣，一旦错动超出允许值，隧道可能发生大范围损毁，甚至导致隧道整体废弃。

四川绵茂公路某拟建隧道隧址区分布有活动性断层，断层错动影响带将对该隧道产生不利影响。本文基于该隧道工程探讨处理隧道跨活动断裂带的工程新技术。

2　工程概况

拟建隧道为二级公路山岭隧道，全长925 m，最大埋深180 m，属浅埋长隧道。隧址区分布有F22和F22-1断层，均为逆冲断层，其中F22-1断层垂直于路线走向穿过隧道洞身。结合隧道地勘报告和（地质）纵断面图，隧道洞身段里程K20+540~K20+680段为F22-1断层破碎带，围岩破碎，呈碎裂状结构，富含岩溶裂隙水，工程建设条件较差。其中，K20+573~ K20+623段为断层错动带，长度为50 m。根据现场调研，隧道断层错动带预估年断层错动量约4 mm，百年总错动量为40 cm。

3　新技术措施理念

在国内外相关领域的研究和实践中，逐步形成了3种基本设计理念：

“超挖设计”理念［2］，即根据活动断层可能的错动量，预估其百年总错动量，扩大隧道断面尺寸。如图1所示。

“铰接设计”理念［2］，即尽量减小衬砌节段的长度，使得断层带及其两侧一定范围内的衬砌节段相对独立，刚性衬砌节段间采用柔性接头连接。如图2所示。

“隔离消能设计”理念［2］，即针对传统钢筋混凝土复合衬砌结构，在初期支护和二次衬砌之间增加一定厚度的柔性材料作为回填缓冲层。

图1　隧道超挖设计

图2　隧道铰接设计

国内外典型工程实例中隧道穿越活动性断层的具体技术措施选择和运用如表1所示 。

表1　隧道穿越活动性断层的技术措施

可以看出，针对活动性断层的破坏机理和不利影响，工程处理措施偏重于“以柔克刚”， 以缩减影响范围、降低破坏程度，力求隧道主体结构具有“动而不坏”的功能。

本次拟建隧道穿越活动性断层设计方案中，基于上述3种设计理念提出各项工程抗断措施。

4　处理方案设计［3-4］

该隧道抗断设计范围扩大为K20+552.1~K20+ 643.9段隧道结构，包含50 m长断层错动带和两端与一般Ⅴ级围岩过渡段。

4.1超挖设计

该隧道百年总错动量预估为40 cm，为保证隧道建筑限界使用要求，超挖尺寸确定为40 cm，即隧道内轮廓尺寸向外扩大40 cm，支护结构向外偏移40 cm。

4.2铰接设计

结合工程经验进行相关数值模拟，链式结构的衬砌节段长度在5~10 m，可以较好适应断层错动位移。考虑到现场模筑台车安装及施工便利，确定采用9 m长的衬砌节段。同时，提高二衬混凝土等级、增加二衬厚度，以适当增加衬砌节段刚度，可更好地发挥链式结构设计功能。节段间设计柔性接头进行连接。

4.3隔离消能设计

节段间柔性接头设计代替了初期支护和二次衬砌间柔性材料缓冲层。在柔性接头处，初期支护仍为连续结构，二次衬砌节段断开，增设节段剪切缝。经计算分析，剪切缝宽度在20~50 cm，隧道最大Mises应力及整体塑性应变得到较理想改善，考虑节段间防渗设计要求，剪切缝宽度取为20 cm，共设9道。节段剪切缝设计如图3、图4所示。

图3　节段剪切缝构造设计图（横截面）

需要注意，为保障工程实施中达到理想作用效果，该隧道抗断设计措施中采用了3种设计理念相结合的方法，以尽可能保证隧道工程的安全。

4.4衬砌断面的选择

山岭隧道中，衬砌常采用三心圆标准断面形式，特殊条件下采用圆形断面形式。对这两种形式断面衬砌建立模型进行专题研究［1］，以确定抗断设计中较为合理的衬砌断面形式。

图4　节段剪切缝构造设计图（纵截面）

数值模拟中运用ABAQUS模拟软件进行分析，建立相应的围岩-断层-隧道体系的有限元模型；计算中假定逆断层下盘围岩固定，上盘围岩沿断层破裂面施加错动位移，以模拟逆断层运动方式；在同等外力条件下，比较并分析衬砌跨径不变的断面形式在三心圆和正圆形两种情况下，错动位移作用中隧道结构的竖向位移、Mises应力及塑性应变等响应特征。

最终分析结果表明，圆形断面衬砌隧道与三心圆断面衬砌隧道相比，除了隧道竖向位移略有减小外，衬砌最大应力和最大等效塑性应变都有明显增加，隧道衬砌断面形状从三心圆改为圆形对隧道抗错不利。因此，设计方案中选择三心圆标准断面形式衬砌，并对三心圆的净空尺寸做了适当增大，以包含断层预估的百年错动量。

4.5新材料的运用

在链式节段设计环节，柔性接头须满足以下两种基本功能需求：

（1）接头处要具有一定的承压强度，保证与衬砌节段形成整体连接；

（2）在隧道挤压或张拉时最先破坏，吸收部分应变能，缓解主体的损毁程度。

为达到这一效果，设计中引入了轻质泡沫混凝土等材料，保证柔性接头功能需求。

4.6与常规设计的融合

本次抗断技术设计，运用了链式衬砌节段、节段剪切缝以及扩大衬砌内净空等综合措施，结构和尺寸上的改变导致新型衬砌与原设计的明显不同，因此设计须包含链式衬砌与一般Ⅴ级围岩衬砌的过渡衔接措施，将链式衬砌设计向错动影响带两端延伸合适的长度，增加针对性细部构造设计，以满足结构功能需求。过渡连接设计如图5、图6所示。

图5　不同尺寸衬砌过渡连接设计图

图6　过渡连接构造大样图

5　结论

文章基于目前国内外广泛运用的3种基本设计理念，提出某隧道穿越活动性断层的工程处理措施，通过综合分析和研究，得出以下结论：

（1）预估断层百年错动量，由此确定隧道内轮廓尺寸和衬砌支护参数，可有效延长隧道主体结构的正常使用年限。

（2）通过对三心圆断面和正圆形断面两种形式的隧道衬砌进行抗错断性能模拟分析，结果表明三心圆标准断面衬砌在错动位移作用下具有更为理想的力学响应特征，可发挥良好的抗错断功能。

（3）设计相对独立的刚性衬砌节段，通过柔性接头连接形成的链式结构，赋予隧道合适的变形灵活性以及错动适应性。

（4）柔性接头由剪切缝和初期支护构成，断层错动时，力学行为集中作用在接头部位，并最先损毁，消耗大部分应变能，避免隧道主体结构大范围或整体破坏。

（5）新的技术措施一定程度上增加了设计和施工的复杂性及难度，重点在于多项新技术的相互结合，新工艺、新材料配套及时跟进，后期实施中不断完善、调整，以保证整体效果。

［1］四川省交通运输厅公路局，江苏省交通科学研究院股份有限公司，四川绵茂公路建设投资有限责任公司.震后绵茂公路建设关键技术研究［R］. 2014.

［2］李鹏.活动断层区公路隧道抗错断结构设计的研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009：26-29.

［3］ 廖朝华，郭小红.公路隧道设计手册［M］.北京：人民交通出版社，2012：358-406.

［4］ 铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册（隧道）［M］.北京：中国铁道出版社，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，吉林九台人，工程师，主要从事隧道与地下工程的设计与理论研究工作。

（2014-08-08）