川藏铁路隧道穿越活动断裂带工程措施探讨

张 景，李国良，杨木高，刘国庆，陈敬军，朵生君

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

在建川藏铁路紧邻印度板块与欧亚板块强烈挤压的喜马拉雅东构造结，在相邻两大板块的碰撞、推挤作用下，区域内构造变形十分强烈，活动断裂和褶皱广泛发育，是我国地壳活动最强烈的地区之一[1]。世界范围内隧道工程震害统计资料显示，隧道结构处于活动断裂带区域内时，常出现衬砌坍塌、钢筋断裂、整环错断等严重震害[2]。川藏铁路雅安至林芝段隧道共72座，隧线比约83%，其中，长度超过10 km的隧道达35座，全线隧道工程将多次穿越深大活动断裂，其抗错断、抗震等设计面临巨大挑战[3-4]。

针对隧道穿越活动断裂带工程措施已有一定研究基础，李鹏[5]以西藏波密扎木至墨脱公路工程为依托，通过三维有限差分数值计算，分析了扩挖、铰接、消能3种隧道抗断设计理念及实施效果；熊炜等[6]根据渭河盆地正断层的结构特征及活动形式，采用有限元方法模拟了正断层环境下公路隧道衬砌的受力变形，针对断层错动量、断层倾角、隧道埋深及隧道与断层的交角4个主要因素，计算并归纳出衬砌结构破坏模式；何川等[7]对汶川地震中跨越断层破碎带隧道震害进行梳理，通过振动台模型试验及数值计算，对穿越断层破碎带隧道的动力响应及震害机理进行了研究；刘学增等[8-10]通过室内模型试验，对不同倾角正断层黏滑作用下隧道的破坏形态进行研究，得出不同断层角度下隧道结构的破坏机理；耿萍等[11]研究了穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下纵横向动力响应特性，据此研究了穿越断层破碎带隧道合理抗震设防长度；信春雷等[12]开展了跨断层隧道不同抗减震措施振动台试验研究，提出跨断层隧道结构设置减震缝或可变形结构可有效减小结构内力，同时指出隧道结构拱脚、仰拱是抗震加固的重点部位。

综上所述，当前隧道穿越活动断裂带的研究成果多集中在理论分析、数值模拟及室内试验研究等方面，研究多以结构响应规律、破坏机理为主，针对工程措施研究所采用的对象多为较理想化数学模型或经高度简化的相似模型，所提出的各项措施在工程上实用性未经检验。

首先，针对国内外隧道穿越活动断裂带的典型案例进行调研，将其采用的工程措施进行总结与分类；同时，对比分析了装配式盾构隧道、沉管隧道所采用的新型柔性接头结构，针对川藏铁路活动断裂特点，提出对川藏铁路隧道穿越活动断裂带工程措施及基本设计参数，并提出下一步研究建议。

1 川藏铁路隧道穿越活动断裂带概况

川藏铁路雅安至林芝段主要有龙门山、澜沧江、怒江3条一级构造边界断裂，甘孜-理塘、金沙江、雅鲁藏布江3条二级构造边界断裂，沿线断裂、褶皱密集发育，以深大活动断裂为主控构造。是现今地球上构造活动最强烈、地貌演化最快的地区之一。线路自东向西依次穿越龙门山断裂带、鲜水河断裂带、理塘断裂带、金沙江断裂带、嘉黎断裂带等主干/分支断裂，川藏铁路雅林段隧道穿越活动断裂带概况如图1所示。隧道工程穿越全新世活动断裂带共6条[13](表1)，均为走滑型断裂，除嘉黎-迫龙藏布断裂带以右旋走滑为主外，其余5条均为左旋走滑，其中部分兼具逆冲或正断分量。活动断裂蠕滑以水平错动为主，年均蠕滑错动最大8.5 mm，未来强震中预计最大突发位错量5～6 m，隧道结构安全性将面临极大考验，是川藏铁路长大隧道工程建设亟待解决的难题。

图1 区域断裂与线路位置关系[13]

表1所示工点以通麦隧道穿越嘉黎—迫龙藏布活动断裂(F48)最具代表性。该断裂带为全新世活动断裂，晚更新世末以来的年均活动速率为2～3 mm，最新活动性质以右旋走滑为主，兼有逆冲分量，未来存在突发大震的可能，未来可能突发最大水平位错量5～6 m(右旋走滑)。通麦隧道出口段DK1166+395～DK1166+810(415 m)以39°小角度通过该断裂，断层破碎带及影响带内以混杂岩、碎裂岩、断层泥砾、蚀变岩等为主，本段纵断面及钻孔岩芯照片如图2所示，受活动断裂带挤压、揉搓作用，断裂带内围岩破碎剧烈，蚀变带内围岩破碎程度更甚，已呈泥沙状，于隧道结构受力非常不利，施工风险较高。

表1 川藏铁路雅林段隧道工程穿越活动断裂带概况[13]

图2 通麦隧道穿越嘉黎迫龙藏布活动断裂(F48)纵断面

2 国内外典型工程案例调研与分析

2.1 典型工程案例调研

2.1.1 土耳其Bolu隧道

土耳其Bolu公路隧道穿越North Anatolian走滑断层，修建中采取“铰接设计”思想来减少活动断裂错动对隧道整体安全性产生影响。设计中沿隧道纵向将其分为长4.4 m的节段，节段之间采用刚度较小的衬砌进行连接，如仅采用40 cm厚喷射钢纤维混凝土，不设置二次衬砌等措施，以期断裂带错动引发的结构破坏集中于节段之间低刚度连接部位，从而减轻衬砌主体结构破坏[14]。

2.1.2 美国克莱尔蒙特输水隧道

美国加利福尼亚南部克莱尔蒙特输水隧道穿越Hayward走滑活动断层(预测年均错动量4.5～6.4 mm)，对穿越活动断裂带段的隧道断面适当进行扩挖，并每间隔1.5 m设置1个宽0.3 m剪切变形缝，变形缝处隧道纵向钢筋断开，提高输水管道外隧道适应断层错动变形的能力，内部的输水管道可随着外部隧道错动而变形，维持其使用功能[15]。克莱尔蒙特隧道柔性连接设计及隧道结构变形如图3所述。

图3 克莱尔蒙特隧道铰接设计及隧道衬砌结构变形示意(单位：m)

2.1.3 伊朗Koohrang-III输水隧道

伊朗Koohrang-III输水隧道以85°大角度穿越Zarab活动断层，该断层为正断层，预计百年累积蠕滑量0.37 m。该隧道设计采用分段式衬砌结构，节段之间设塑性铰连接。设计理念与前述克莱尔蒙特输水隧道类似，一般衬砌节段采用1.6 cm厚钢制衬砌，外包1层45 cm厚钢筋混凝土衬砌，节段之间的连接结构采用1.6 cm厚钢制衬砌，外包45 cm厚素混凝土衬砌，衬砌结构横、纵断面如图4所示[16]。

图4 伊朗Koohrang-III输水隧道穿越断裂带衬砌示意[16]

2.1.4 乌鞘岭隧道

兰新铁路兰武二线乌鞘岭隧道在穿越活动断层段首次采用扩挖设计理念，具体做法是在F7活动性断层(左旋逆走滑断层，预测年均水平错动量2.08～2.5 mm，垂直错动量0.06～0.027 mm)内部采用内轮廓直径为8.76 m的圆形衬砌，内轮廓净高满足接触网悬挂空气绝缘距离要求，同时预留了百年位移量(按水平25 cm，垂直5 cm设计)，二次衬砌采用钢筋混凝土结构；沿隧道纵向每隔25 m设置1道变形缝[17]。乌鞘岭隧道活动断裂带衬砌断面设计如图5所示。

图5 乌鞘岭隧道活动断裂带设计断面(单位：mm)[17]

2.1.5 高黎贡山隧道

大瑞铁路高黎贡山隧道分别穿越镇安活动断裂及勐冒活动断裂，二者均属龙陵—澜沧断裂，该断裂的年均水平滑动1.07～2.59 mm，其未来百年内最大右旋位移量估计值为(2.51±0.66)m，为晚更新世—全新世活动断裂[18]。考虑隧道运营期内受断层蠕滑错动作用，为隧道内净空预留出错动变形及维护加固空间，此隧道预留变形量35 cm，隧道每隔20 m设1道抗震缝[19]。

2.1.6 西安地铁穿越地裂缝

西安市地裂缝活动一般表现为正断层特性，通过分析地裂缝年平均活动速率和历史最大活动量，预测地裂缝百年最大位移值为50 cm。通过研究提出：正交条件下地铁隧道在地裂缝活动地段的设防宽度为60 m，其中，上盘为35 m，下盘为25 m；沿隧道纵向地裂缝两侧地层变形规律呈现台阶状突变变形，地铁隧道穿越地裂缝采取分段设缝以适应地裂缝的变形，分段长度按地裂缝影响程度，分别取10，15 m[20]。

2.2 工程案例汇总分析

国内外隧道穿越活动断裂带工程措施汇总如表2所示。目前，穿越活动断裂带普遍采用思路为：首先，根据活动断裂带活动速率，估算隧道服役期间最大位移量，据此对隧道断面进行适当扩挖放大；在隧道纵向上以一定间隔设置变形缝，增大结构纵向柔度，使隧道具有跟随活动断裂带变形的能力，以期结构受断裂带错动作用时结构破坏集中于抗震缝处，从而减小衬砌整体受损。

表2 穿越活动断裂带典型隧道工程措施汇总

2.3 隧道穿越活动断裂带工程措施总结

综合既有研究成果及工程案例，可将隧道穿越活动断裂带工程措施总结如下。

2.3.1 强化支护

断层破碎带内围岩受挤压、揉搓、蚀变作用，通常呈破碎状，且时常伴有高压断层裂隙水。从施工安全及结构正常受力角度出发，常通过超前管棚、注浆加固等强化措施改善围岩物理力学性能，提高围岩自稳性；针对支护结构，常采用轻质高强的钢纤维混凝土、聚合物混凝土等衬砌结构，减轻自重的同时提高结构承载能力。

2.3.2 扩挖断面

活动断裂带最显著的特征是在非地震工况下缓慢累积的蠕滑量及一次强震中的突发位错量，其中，蠕滑量年均数毫米，服役期内累积的错动量多为几十厘米；而强震中的突发位错量通常可达数米。穿越活动断裂带隧道采取断面扩挖措施，主要为应对服役期内累积的蠕滑量。设计中指根据预测活动断裂带年均错动量，扩大隧道断面尺寸，尽可能保证隧道拥有足够的内净空而不致丧失使用功能，同时也为结构修复补强预留了空间，其原理示意如图6所示。

图6 扩挖设计示意

2.3.3 柔性连接

柔性连接设计或称“铰接设计”，其原理是将隧道结构在其纵向上分成尽可能较短的衬砌节段，并通过柔性结构(如变形缝)将衬砌节段连接起来，由于连接处结构刚度较小，断层错动时各衬砌节段能保持相对独立，即使出现结构损坏，也尽可能地将损坏部位集中于连接部位，从而保证主体衬砌安全(图7)。柔性连接与断面扩挖结合使用，是目前隧道穿越活动断裂带最普遍的做法。

图7 柔性连接示意

工程上而言，实现柔性连接的措施有多种途径：变形缝(抗震缝)是矿山法隧道最常用的方式，其通常做法是隧道二次衬砌在该部位断开，缝内施作背贴或中埋式止水带。当活动断裂带错动量较大时，传统变形缝的变形能力不能满足隧道变形需求。

预制拼装结构是实现柔性连接的另一种方式，其最大特点是采用螺栓等连接件将预制块体拼装成环，再从纵向上拼装成隧道结构(图8)。环向、纵向大量接头连接件，使接头部位刚度相比管片本体的刚度大大降低，预制拼装结构其本身便是一种柔性结构，适应地层变形的能力较强，正因如此，盾构隧道震害相对于整体式衬砌结构隧道而言较轻。

图8 拼装式结构示意

柔性接头是一种新型柔性连接结构型式，已在盾构及沉管隧道中应用。柔性接头最容易实现的方式是钢管片加弹性垫圈(图9)。研究表明，聚氨基甲酸酯制成的弹性垫圈在较高的后期荷载依然展现出弹性性能，即使在高应力下也不会破坏，当荷载卸载后，恢复变形能力较强[21]。

图9 弹性垫圈及钢管片 [21]

可挠性接头是为应对地震时地层位移而开发的新型环间接头型式，以钢管片或带有钢端壳的混凝土衬砌为基础，在连接处设置止水带和受力筋(图10)。接头处靠Ω形止水带进行止水，并于接缝内填充柔性嵌缝材料，在接头外表面涂有防腐涂层以保证结构构造的耐久性。此连接方式在地层剪切错动中具有较好的变形能力，常在隧道地层刚度突变或结构型式变化较大的连接部位。

图10 可挠性管片环[22]

沉管隧道柔性接头(图11)主要由钢端壳、GINA止水带、Ω形止水带、预应力连接钢索、剪切键等组成[23]。柔性接头的刚度很小，抗震能力和抵抗温度应力、不均匀沉降应力等能力均较强。

图11 沉管隧道柔性接头示意[23]

上述拼装结构、弹性垫圈、可挠性管片环、沉管隧道采用的柔性连接方式多用于城市地下空间或近海海底隧道。对于长大深埋铁路隧道而言，在复杂地应力场及恶劣围岩环境共同作用下，其适用性还有待进一步探讨。

2.3.4 减震消能

隧道结构减震消能的基本思路是在衬砌与围岩之间设隔震材料或装置，其目的是利用减隔震层消耗一部分自围岩传递给衬砌结构的地震能量，从而达到减轻结构震害的目的，如图12所示。目前，常见的隧道减震层材料为泡沫混凝土、沥青系材料、高分子合成材料等，其减震消能机理、动力响应特性、施作工艺等尚处于试验研究阶段；所用材料的耐久性，特别是复杂围岩环境下的耐久性问题仍有待检验；同时，高昂的造价也是制约其推广应用的因素之一，因此，采用减震消能措施以应对活动断裂问题的铁路隧道，尚无可参考实例。

图12 减震消能设计示意

3 川藏铁路隧道穿越活动断裂带措施探讨

考虑到川藏铁路隧道穿越活动断裂带蠕滑位错量大、隧址区地震频次高、地震烈度大等特点，为保证隧道施工、运营阶段结构安全并维持其正常使用功能，应根据活动断裂带的活动性质及预测年均错动量，综合上述各设计理念，采取相应的工程措施。本节以典型工点通麦隧道穿越活动断裂带段为例，对川藏铁路穿越活动断裂带工程措施进行探讨。

F48断裂带内及影响带内以混杂岩、碎裂岩、断层泥砾、蚀变岩等为主，围岩破碎、自稳能力差，因此，对于断层破碎带及其影响带内的衬砌断面设计应予强化，强化范围包括断层破碎带全长(415 m)+断层破碎带两侧各50 m范围。首先，采用管棚、小导管等进行超前注浆加固；初期支护采用早高强钢纤维喷射混凝土封闭成环迅速发挥支护作用，同时搭配型钢钢架进行强化支护；二次衬砌采用加强配筋的钢筋混凝土衬砌。

考虑到F48断裂带晚更新世末以来的年均活动速率为2～3 mm，在隧道服役期(100年)内预计累积位错量最大30 cm，设计中以此为隧道断面扩挖的基准，同时为后期维修补强预留一定空间，总扩挖量按60 cm计；因圆形隧道断面具有更好的力学性能，川藏铁路活动断裂带衬砌断面可采用圆形或加深仰拱的类圆形断面。为增强隧道纵向柔度，提高其跟随断层错动的变形能力，在隧道纵向上每间隔一定距离设置变形缝，变形缝间距可结合隧道二衬模板台车长度设置，使其施作更具易操作性。在断层破碎带边界面两侧围岩物理力学性质、地层活动性差异均较大，此处隧道受位错作用更加剧烈，结构更易损坏，因此，在断层破碎带边界两侧一定范围内应适当加密变形缝。由于活动断裂带处变形缝须有较强的变形能力，因此，安装常规型号止水带的窄变形缝难以应对过大的错动变形需求。活动断裂带衬砌必须采用能够安装大变形量止水带的宽变形缝，缝内采用聚乙烯、沥青等材料进行嵌缝处理，川藏铁路穿越活动断裂带变形缝基本构型与常规变形缝对比如图13所示。此外，减震消能材料应积极开展理论分析及试验研究，如衬砌背后铺设部位、材料用量、铺设工艺等均应通过现场试验确定。

图13 活动断裂变形与常规变形缝对比示意

4 结论

川藏铁路隧址区内构造运动剧烈，断层、褶皱广泛发育，隧道工程穿越6条深大活动断裂，这些深大活动断裂均以走滑运动为主，部分兼具逆冲或正断分量，活动断裂蠕滑以水平错动为主，年均蠕滑量最大达8.5 mm，隧道结构安全性将面临极大考验，是川藏铁路长大隧道工程建设亟待解决的难题。经调研、类比研究，主要结论如下。

(1)当前隧道穿越活动断裂带工程措施可总结为强化支护、扩挖断面、柔性连接、减震消能，其中，前3种措施最易实现且相对经济，因而应用最为普遍，减震消能设计尚未有成熟工程经验。

(2)针对川藏铁路板块运动活跃、蠕滑位错量大的特点，穿越活动断裂带隧道需综合采取强化、扩挖、分段、减震等设计理念，初步提出川藏铁路穿越活动断裂带隧道扩挖量、节段长度等基本设计参数，以及宽变形缝的基本构型。

(3)对于目前的设计措施，认为仍有以下几点需进一步研究：

①活动断裂带隧道变形缝的结构形式、材料仍需细化，以确保变形缝在错动变形下有足够的变形能力，同时不致丧失防水功能，考虑到断层破碎带内地下水量较大，还应考虑变形缝具有一定的地下导水、排水功能；

②借鉴城市地铁盾构、沉管隧道等预制拼装式衬砌的柔性接头结构，开发适用于深埋铁路山岭隧道的特殊接头构造；

③对于减震消能理念，除应探明其设防范围、材料构成、施作工艺外，还应着重提高其在复杂恶劣围岩环境下，特别是热、力、液多耦合长期作用下的耐久性，以满足隧道全寿命周期内的有效性。