浅谈柿子园隧道穿越活动断裂带施工措施

2018-05-04范上海

城市道桥与防洪 2018年4期

范上海

（中铁十六局集团有限公司第二工程有限公司，天津市 300162）

1 工程概况

成兰铁路柿子园隧道D2K76+695～D2K82+320段穿越龙门山前山断裂带，区域构造有彭县～灌县断层、映秀～北川断层、晓坝场断层等，其中彭县～灌县断层、映秀～北川断层为全新世活动断裂，在5.12地震中发生破裂。

该活动断裂带的特征为逆冲兼由旋走滑断层，为全新世活动断裂，水平和垂直活动滑动速率均为1 mm/a。断层总体走西N35-50°E，侵向N W，倾角约50°～70°。上盘为T3x泥灰岩夹砂岩的层间断裂，5.12地震最新破裂面；破碎带宽度约10～20 m。断层为5.12地震最新破裂面，物探揭示不明显，预设计里程段为D2K76+870～D2K76+990，长度为 120 m[2]。

2 活动断层的处理目标及实现目标的措施

2.1 处理目标

（1）支护结构满足施工开挖及正常运营的安全（基本功能要求）

目前技术手段通过加强支护结构能满足开挖及正常运营要求。

（2）地震时，满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”（抗震能力要求）

由于断层带的隧道抗震分析尚未完善，因此衬砌地震时的可靠性分析缺乏理论依据。根据汶川地震的调研，地下结构基本满足大震不垮的要求，但断层带衬砌破坏现象仍较严重。

（3）发震时，结构能适应部分错动变形，满足可修要求（抗断能力要求）

目前对断层带特别是活动断层带的处理，主要考虑对结构进行加强，特别是对结构刚度的加强。基于对活动断裂的认识可知，强刚度衬砌并不能保证抵御断层错动破坏，但对于错动后的可修性（快速）会造成不利影响。

2.2 实现目标的处理措施及存在的问题

（1）提高抗震能力：a.使用受力条件较好的结构轮廓，实现较容易。b.对围岩加固，注浆形成加固圈，提高围岩整体性，但加固范围确定困难，施作时质量控制较难。c.初支二衬之间设隔震层，采用一定厚度橡胶层或泡沫混凝土等，隔震材料的耐久性、可靠性要求难以提出，难以保证在使用期内不发生自身沉降，（拱墙设计时影响较小），全环设计可能涉及行车安全问题。

（2）尽可能减少破坏范围：a.加强初期支护（锚管、钢纤维喷混凝土），加强结构，在破坏时尽可能不发生垮塌，但问题在于破坏荷载确定困难，因此加强的程度确定困难，可能造成造价大大提高。b.节段间无刚性结构连接或弱刚性的连接。窄缝方案为加密常规变形缝，宽缝方案为预留较宽的剪切缝，环节间铰链方案为环节间设锚栓等保证一定的连接刚度，但能保证一定转动。问题在于防水处理复杂，窄缝方案可以按常规变形缝进行防水处理，宽缝方案防水处理复杂，（注浆封裂隙水，对渗水设管引流）。

（3）实现快速修复：a.扩大内净空，使发生错动时满足仍满足净空要求，并可作为补强空间，可配合轮廓改变进行。问题在于轨面以上预留实现容易，对轨下位移，需其他方式配合实施，预留净空量确定困难。b.节段设计同上扩挖设计。c.在破坏需拆换时，加固围岩能保证拆换时围岩稳定，降低安全风险，减少二次强度特别时减少用钢量可减少拆换难度。实现较为容易。d.加强初支，二衬采用类似管片衬砌，实现一定程度可拆换。但尚无实施实例，可拆换设计难度较大。

因此本线断层带处理应在满足基本功能要求和抗震能力要求的情况下，着重研究衬砌的快速修复特性。即处理原则：“优化轮廓，适度加强，重在可修”。

3 施工措施

3.1 扩挖

扩挖的主要设计目的是适应一定的错动，满足净空要求，理论扩挖量主要依据活动断层的错动方式及错动量确定。但考虑实际实施中，错动量难以预测。本阶段工作暂按批复要求考虑最小30 cm预留补强空间。

3.1.1 轨下（仰拱）扩挖问题

轨下结构可结合轨道专业的相关措施确定如何设置，以减少抬升错动方式破坏。否则一旦抬升将对仰拱填充进行凿除改造[5]。为减少对仰拱填充的破环，该活动断裂带由原设计的无砟轨道更改为有砟轨道。

3.1.2 水沟电缆槽问题

扩挖后，同样扩大沟槽边缘距线路中线距离。此方式有可能利于错动后减少水沟的改造工程。

3.2 双线轮廓选择

双线零加宽断面原轮廓轨面以上为圆形，净空81.37 m2。拟定断面仅分3种情况，而轨面以上轮廓均在原轮廓上放大30 cm。

（1）原轮廓全周放大30 cm，含仰拱轮廓。

（2）全周圆形，即仰拱也由轨面净空确定的圆形代替。

（3）介于前两种轮廓之间，适当抬高仰拱，可以减少仰拱开挖及仰拱填充约8 m3。

（4）加宽衬砌轮廓：一般轮廓边墙范围两边外展（拱部120°范围以下）；圆形轮廓加宽处理整体放大。双线轮廓示意见图1，双线各轮廓参数见表1。

图1 双线轮廓示意图（单位：cm）

表1 双线各轮廓参数表

双线推荐采用近圆形衬砌，主要理由：受力条件和圆形差异很小，但可大大减少仰拱开挖（8方以上），同时施作也较圆形衬砌方便（大挖深仰拱，开挖落底困难，施作质量控制难）。

3.3 铰链设计

铰链设计主要为节段设计，即通过变形缝或剪切缝等将原纵向一体的隧道结构分成较短的独立节段，节段间采用柔性连接或者不连接。根据设置方式的不同，主要有2种方案：窄缝和宽缝。

3.3.1 窄缝方案

窄缝方案即通过加密原设计在抗震设防段的变形缝实现节段设计。变形缝作为抗震的重要措施，在一般抗震设防段已有体现，本线抗震设防段按30 m/处间距设置。考虑活动断裂的错动特性，为加大衬砌对错动的适应性在活动断裂带加密变形缝，调查资料显示一般间距5～30 m/处。本阶段可暂按5 m/处设置。

设置：规范要求变形缝一般宽2～3 cm，全环设置。考虑断层带初期支护刚度也较大，于初期支护同样设置变形缝，且与二次衬砌位置一致，即同缝设置，以保证错动时位移尽可能集中于预设变形缝处。仰拱填充也同样设置变形缝可考虑与初期支护一致，采用木板隔离或充填沥青。

施作：二次衬砌变形缝按一般变形缝施作，防水措施一致。初期支护变形缝可不考虑防水要求，可以在开挖后变形缝位置插入2～3 cm厚的木板。

3.3.2 宽缝方案

建筑结构上变形缝一般宽5～12 cm，防震缝一般不小于7 cm。暂认为隧道内设置缝宽5 cm以上的变形缝为宽缝方案，一般也称为剪切缝。此时一般原设计防水措施无法适用。

宽缝方案主要考虑一般地震时，断层带错动往往大于2 cm。因此一般变形缝仍无法达到使节段间完全独立，因此加大节段间缝隙一般5～50 cm，这样错动尽可能发生在剪切缝上，而节段间结构却不发生大的破坏，可大大减少修复工作量。

设置方式：二次衬砌节段间完全独立，节段间预留5～50 cm空间，空间仅采用初期支护或设置刚度较小的结构，同样全环设置。宽缝设计示意见图2。

图2 宽缝设计示意图

3.4 减震层设置

减免震模式的基本构思是：在初期支护和二次衬砌之间设置减震装置，使原有二次衬砌―初期支护―围岩系统变为二次衬砌―减震层―初期支护―围岩系统，其目的是通过减震层将二次衬砌与初期支护隔开，从而减小和改变地震对二次衬砌结构的作用强度和方式，以便达到减小二次衬砌结构振动的目的。减震层不但要能割断初期支护对二次衬砌的约束力，而且还能吸收二次衬砌与初期支护之间反复循环的动应变或相对动位移。此外，减震层应该具有一定的弹性，保证在一次地震塑性化后，下一次地震时能继续发挥其作用。减震层设计示意见图3。