隧洞穿越活断层抗断技术及应用

2021-09-29顾小兵杨春宝席志斌

水利规划与设计 2021年9期

顾小兵，杨春宝，席志斌，2

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西太原 030024;3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 概述

在长距离山岭隧洞工程建设中，由于受到地形、地质等条件及总体线路布置的限制，不得不面临隧洞穿越活动断层带问题。根据汶川地震的震后调查[1]，穿越断层隧洞的震损较严重且集中在断层附近，如产生钢架扭曲、仰拱开裂、错台、衬砌开裂、错断、围岩掉块、坍塌等。美国加州旧金山湾区捷运系统的Berkeley Hills隧道监测分析表明[2]，1969—1981年隧洞在监测的67.1m宽的洞段内发生了约80mm的右旋偏移，蠕滑的速率为6～8mm/a，绝大部分的变形发生在断层泥部位。

国家重点研发计划“长距离调水工程建设与安全运行集成研究及应用”项目，依托云南滇中引水香炉山隧洞、新疆某工程KS输水隧洞等工程，开展了隧洞穿越活断层抗断技术研究，对相关抗断技术手段的可行性和适应性进行了分析总结。

2 穿越活动断层隧洞抗断措施类型

活动断层对隧洞工程的影响主要表现为：发震断层的粘滑运动及岩体振动引起的破坏(即抗震问题)，无震断层的蠕滑运动造成的破坏(即抗断问题)，两者均可能对隧洞工程造成严重影响。国内外相关研究已开展数十年，但隧洞穿越活动断层防护措施多还停留在理论阶段，隧洞设计规范等[3- 5]相关规范中并未涉及或规范中没有提出定量设计方法，不能定量把控工程参数和指标。国内外已建隧洞穿越活动断层的工程案例，均从抗震和抗断两方面着手，采取系列主动防护及被动防护应对措施[6]。具体而言，隧洞抗断设计方案及思路可以归纳为超挖设计、铰接设计、消能设计及新材料应用等4种类型。

2.1 超挖设计

超挖设计根据穿越活动断裂隧洞错动方式及预估最大位错量为假设，沿隧洞断面径向增大隧洞尺寸，当断层错动时，预先扩挖的面积能够抵消因断层错动导致的净空缩减，从而保证有效净空面积，维持隧洞的正常使用功能。通常采用双层衬砌或洞内明管设计，内外衬砌间充填多孔材料或不填充，是一种被动抗位错设计方法。扩大横断面开挖面积会使得工程成本增加，适用于断层破碎带宽度相对较小的情况。

2.2 铰接设计

铰接设计即沿隧洞纵向设置一定数量的变形缝，减小隧洞节段长度，使断层带及其两侧一定范围内的节段保持相对独立，各节段间采用刚度相对较小的柔性连接。断层错动引起的形变量将分散至各节段，通过各节段及其缝间刚度较低的材料变形消纳，同时增加了活动断层区域内隧洞的整体柔度，降低了两侧普通衬砌节段的受力，从而使隧洞结构整体得到改善，即便因断层粘滑或长期蠕滑作用产生较大的错动变形量，隧洞的破坏也可被限定在局部区域，可降低维护和修复的代价。

2.3 消能设计

消能设计多采用柔性材料、大阻尼材料或弹性减震装置，在隧洞二衬与围岩之间、衬砌结构节段接头等形变突出部位形成减震或消能层，从而减轻断层错位对隧洞结构影响，避免结构进入非弹性状态或发生损坏。消能设计多与超挖设计及铰接设计结合实施，如在超挖设计初期支护和二次衬砌中间充填多孔材料或弹性材料，如泡沫混凝土材料，形成钢筋混凝土复合衬砌，尽可能将断层相对错动位移吸收消化在初期支护和中间的缓冲材料层上；在分段铰接设计时，节段变形缝间充填柔性材料或设置柔性装置(如波纹管、阻尼器等)。

2.4 新材料应用

隧洞穿越活断层抗断设计除普遍采用消能减震、隔震材料外，也在尝试采用新材料增加隧洞自身结构抗震及抗裂性能。如采用拌有纤维材料的混凝土和加入高强聚合物的混凝土，可以明显提高衬砌弹性、柔韧度和阻尼值，既可使衬砌结构充分吸收能力，消耗能量，也减小了衬砌的地震响应反应。此外，对混凝土裂缝自修复材料应用也有研究，如当衬砌混凝土出现裂缝时，接入混凝土的修复胶囊能自动破裂，分泌修复胶熟剂，形成自愈合网络系统，恢复甚至提高混凝土性能。

3 穿越活断层输水隧洞工程典型案例

3.1 云南滇中引水工程香炉山隧洞

香炉山隧洞属于滇中引水工程大理Ⅰ段，沿线属高、中山地貌区。隧洞全长62.6km，最大埋深1450m，为滇中引水工程控制性工程，为无压输水隧洞，设计断面为圆，衬砌后洞径8.3～8.5m，自北西向南东依次穿过的主要断层(带)共14条，其中龙蟠—乔后断层带(F10- 1、10- 2)、丽江—剑川断层带(F11- 2、F11- 3、F11- 4)及鹤庆洱源断层(F12)均为全新世活动断层，属工程活动断层。隧洞穿过的各活动断层位错设防建议值见表1[7]。

表1 香炉山隧洞穿过的工程活动断层位错设防建议值表单位：m

香炉山隧洞3条全新世活动断裂100年位移设防水平向量值最大可达2.20m，垂直向量值最大可达0.34m，较大位错量使得香炉山隧洞面临错断风险。根据隧洞穿越活动断裂带抗震抗断研究成果，在抗断问题上，设计采用超挖设计和铰接设计相结合的方法，扩大隧洞直径，内径由8.3m扩大至8.8m，满足垂直位错量，保证隧洞过水断面；减小穿越活动断裂衬砌的分段长度，由10.0m分段减小至6.0m分段，同时设置2.5cm变形缝，以适应水平和垂直变形要求；为保证变形协调性，在活动断裂设防范围外端再外延40.0m。在抗震问题上，增加衬砌混凝土厚度，由非活动断裂带的0.6m增加至0.8m，并加强初期支护措施。

3.2 新疆某水利工程输水隧洞

新疆某水利工程KS隧洞洞线穿越活动断层，断裂破碎带宽度约100m，断层为高角度压扭性逆断层。最新活动时期属第四纪晚更新世(Q3)早、中期活断层，平均活动速率0.06mm/a。KS隧洞为无压输水隧洞，设计断面为马蹄形，与该断裂垂直穿过，采用钻爆法施工。在隧洞穿越活动断裂带时主要采取超挖设计、分段铰接、深层固灌等处理措施。在抗断问题上，采取扩大隧洞断面，洞周增加了0.95m的预留变形空间；衬砌分段长度正常洞段12m缩短6m，以适应纵向、横向变形，同时设置减震伸缩缝，减震伸缩缝宽3cm，内填聚乙烯闭孔塑料板，中间设置可适应大变形的铜片止水带。在抗震问题上，增加衬砌混凝土厚度，由非活动断裂带的0.5m增加至0.7m，加强结构配筋，并加强初期支护措施；采取间隔深层固结灌浆，提高抗震性能，起灌范围距衬砌外侧1m开始到衬砌6m结束，设置了1m厚非固结灌浆缓冲层，可减缓断层错动对衬砌结构的破坏作用。

4 输水隧洞抗断措施综合应用

4.1 根据断层性质制定设防目标

发震断层黏滑型活动具有突发性，抗震措施只能减轻震损，隧洞设防应以“减轻震损、震后可修”为目标。在隧洞设计时不仅要考虑抗震措施，还应制定震后修复或重建预案，并预留必要的施工条件。如对水工输水隧洞，除加强一次支护和二次衬砌结构强度外，应重视围岩加固，加强围岩固结灌浆，增加围岩自身稳定性，避免断层错断时围岩成为松散体，还可以减少断层带向洞内的渗水量，为隧洞检修或抢险创造较好的工作条件。在发震时能尽快切断发震断裂上游来水，避免水流加剧隧洞破坏。无震断层蠕滑型活动表现为持续性，隧洞设防应以“服役期内正常运行”为目标，即在工程服役期内断层预设蠕滑位错量的基础上，通过必要且充分的抗断措施消除位错对隧洞的影响，使隧洞在服役期内正常运行，无需或仅需少量维护[8]。

4.2 综合采取多种适用抗断技术

输水隧洞衬砌结构既要承担外部围岩压力和高外水压力作用，又要承受内部水压力作用，要求衬砌结构既要承载，又要防渗排水，结构复杂。同时，输水隧洞需要放空、断水检修，检修条件差。因此输水隧洞穿越活断层的抗断设计更为复杂，要求更高，在抗断设计中往往需要采用多种技术措施相结合思路。从已建工程看，采取“超挖预留变形+设置柔性连接段” 是目前最为常用的应对思路。对于活动断层带范围较大、或在勘测设计阶段还不能查明断层运动范围，以及隧洞断面较大的情形，采用以设置柔性连接段为主，辅以其他抗断措施，能够做到针对性主动设防且易于实施；对于探明活动断层带范围较小，以及隧洞断面较小的情形，则采用扩挖双层衬砌或洞内明管设计，辅以其他抗断措施较为合适[9- 12]。