狮子山隧洞穿越F16活动断裂带结构防震抗震关键技术

2021-12-08

中国水能及电气化 2021年11期

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北丰润 064000)

随着我国经济发展的需要和隧道工程建造在理论认识、机械制造、智能技术等方面的不断突破，新建隧道规模越来越大、地质条件越来越复杂，不可避免地要穿越活动断裂带。由于活动断裂带具有活动的特性，其运动表现为两种模式：一是地震时的岩层突发破裂；二是不伴随地震的缓慢错动[1-2]。目前国内外工程建设者主要以数值分析和模型试验为技术手段、断层参数为研究对象，研究了隧道及地下工程穿越或跨越断层在地震条件下，隧道结构的地震动力响应特征与抗减震措施。深入探讨设防震级和位错量、隧洞穿越断层设防长、结构受力破坏模式与抗震、扩挖节段及节段长度、减震层及厚度、柔性连接和结构缝型式以及围岩加固、柔性或刚性结构、双层结构等防震抗震技术[3-7]。隧洞结构防抗震技术成果总结为“超挖设计、铰接设计、隔离消能设计”[8-9]。

目前，隧洞直接穿过断层数值分析模拟的边界条件一般以地震动力响应下的断层为研究对象，而深埋、软弱围岩且具有高地应力活动断裂研究案例极少。此外，模型试验条件无法模拟“应力—围岩—结构”的动力响应。因此，在隧洞穿越活动断裂带时其结构受力和破坏极为复杂。本文以狮子山引水隧洞直接穿越F16程海—宾川活动断裂带为例，深入分析深埋、软岩围岩、高地应力和施工扰动等条件下隧洞结构位错、挤压—卸荷大变形、断裂活化等地质问题。基于“建筑抗震韧性”的隧洞结构防震抗震设计原则，以设计使用年限内的位错量作为断面扩挖设计指标，提出隧洞衬砌结构抗震设计、围岩加固、施工监测和长期监控等措施，确保隧洞穿越F16活动断裂带施工安全和结构防震抗震设计科学合理安全经济。

1 工程概况

1.1 现场工程概况

滇中引水工程狮子山隧洞位于宾川县境内，全长29.42km，断面型式为马蹄形，断面尺寸为9.2m×9.2m。DLⅡ47+078～47+133段，长55m，埋深218～232m，产状265°∠65°，跨越F16程海—宾川活动性断裂带(见图1)。岩性为断层泥、构造片岩等，岩体结构破碎，主要呈散体结构，断层带岩体呈泥包石状，泥化夹层发育普遍。地下水位高出底板67m，断层带中等透水，渗透系数为K=0.3m/d。

图1 F16活动断裂带地质纵断面

1.2 地震动参数

隧址50年内超越10%概率水平向地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期为0.45s，地震烈度为Ⅷ度。现场预测F16程海—宾川断裂带100年水平位错量为1.3～1.7m，垂直位错量0.3m，隧洞存在抗剪断问题。区域地震活动与地震构造相关，沿程海一宾川断裂带历史上曾发生过多次中—强震，最大震级为1515年的永胜7级地震。

2 F16活动断裂带对隧洞结构的影响

程海—宾川断裂带属于青藏高原东南缘大理—丽江地区滇西北裂陷带的东部边界断裂。该断裂带调节着青藏高原内部物质向东南挤出，是该区域一条显著的控震构造和发震断层，也是该区域最显著的活动断裂。其运动形式表现为：ⓐ蠕滑缓慢错动；ⓑ地震运动；ⓒ卸荷大变形。

2.1 存在隧洞结构错动破坏问题

a.蠕滑缓慢错动。F16断裂带为Q3晚更新世活动性断裂带，活动性中等，垂直、水平位移较大，主要特性表现为蠕滑运动。每年的错动量较小，但相对滑动引起的剪切破坏是一种长期积累的效应，隧洞结构应力逐渐增大至一定程度时，隧洞结构便发生变化破坏[10]。

b.地震运动。区域地震活动为中—强震，最有可能重发破坏性地震等问题，隧洞震害主要表现为：洞身段衬砌产生开裂、衬砌错台、洞身局部或整体垮塌等。

2.2 存在极严重挤压变形问题

a.构造应力。断层上盘残留较高的构造应力，岩体产生极严重挤压变形。

b.软岩大变形。F16断裂带岩性为断层泥、构造片岩等，岩体结构破碎(Rb<2MPa，Kv<0.15)，主要呈散体结构，岩体呈泥包石状，泥化夹层发育普遍。围岩强度应力比0.03，岩石强度应力比0.17。参考《铁路挤压性围岩隧道技术规范》(Q/CR9512—2019)判断F16断裂带变形潜势为强烈(见表1)。

c.卸荷大变形。先期应力荷载强，开挖后因应力释放，围岩承受的变形松弛荷载较强，另岩体遇水软化严重，易发生大变形。

表1 挤压性围岩变形等级划分标准

2.3 存在断裂活化问题

该段地下水位高出底板67m，岩体中等透水，渗透系数K=0.3m/d，外水压力折减系数βe为0.3～0.5m，涌水量qs=12.8m3/(d·m)，qmax=35.4m3/(d·m)。隧洞穿越F16断裂带处于较高的水平构造应力环境，同时受到隧洞开挖扰动的影响，卸载条件下断裂岩体应力、滑移位移的多次“突跳”使得F16断裂带频繁活化。随着隧洞开挖的推进，在断层水压与开挖扰动作用下，围岩裂隙扩展。扰动—应力—水压的叠加作用使掌子面接近断裂带时，一定范围内围岩完全松动，存在开挖揭露时涌水突泥风险。

3 防震抗震关键技术

3.1 隧洞抗剪断措施

针对如何科学地解决隧洞穿越活动断裂带抗断这一工程难题，因多数工程竣工时间距今较短，获得的监测数据有限，国际上尚未取得共识。国内外对隧洞跨活动断裂带采取的抗剪断设计主要有扩挖设计、铰接设计、隔离消能设计3种[12]。扩挖设计应用较广、施工简单、效果较好，且出现破坏后处理修复较快。

隧洞穿越F16活动断裂带采取断面扩挖设计。位错量是抗震设计依据的主要指标，国内关于隧洞的错动量定量计算公式如下[8]:

(1)

式中S——活动断裂处隧道的位错量，m；

MS——活动断裂的发震震级。

式(1)是地震条件下，对一定区域多个震害造成的位错量统计的回归分析经验公式。大量案例说明[13]，震害造成的位错达十几厘米甚至几米。在地震波作用下，衬砌几分钟内就发生错动、开裂、松动，甚至塌落等。且在非地震条件下，活动断裂段存在高地应力、软岩大变形等地质问题，其活动具有不确定性和长期性，位错量难以定量计算也具有不确定性。因此，基于“建筑抗震韧性”的隧洞结构抗震设计原则，隧洞穿越F16活动断裂带采取断面扩挖设计(见图2)，以设计使用年限内的蠕动位错量作为断面扩挖设计制定指标。

3.2 衬砌结构设计方案

3.2.1 关于衬砌结构优化

对结构型式的优化主要从两方面进行。

a.通过设置减震层能缓解断层错动位移，吸收部分位移错动对衬砌产生的外力。减震层常选用海绵橡胶板、泡沫混凝土及沥青砂等材料。关于设置减震层的设置需注意以下4点[8-9]：ⓐ增设减震层后，衬砌结构最大位移、主应力、剪应力及结构内力均产生不同程度的减小，都起到了不同程度的减震效果；ⓑ减震层与围岩弹模之比越小,减震层厚度越大,衬砌结构动应力集中系数越小；ⓒ橡胶减震层的减震效果优于泡沫混凝土；ⓓ对于结构位移的影响,减震层施加于围岩和初期支护之间的减震效果要优于施加于初支和衬砌结构之间。

b.通过设置抗位错变形缝进行减震，变形缝能够吸收错动位移，节段长度越短，衬砌的抗错断能力越强。随着变形缝间距的增大，减震效果逐渐降低。

图2 隧洞穿越F16活动断裂带支护衬砌结构典型断面(单位：mm)

地震作用下衬砌的破坏主要集中在抗震缝处，若抗震缝的设置间距过短可能导致结构破坏失稳[14]。同时，考虑衬砌结构整体性以及施工的方便，节段长度不宜过短。因此，基于“建筑抗震韧性”设定结构设计原则，在保证结构安全的情况下尽量采用较长的节段。如何合理设置衬砌节段长度，研究者基于活动断层不同倾角、宽度和位错量等参数通过数值模拟计算，提出衬砌结构设置抗震缝的最少节段数和最大节段长度的计算公式[15]。

设置的最少节段数N为

(2)

节段数最少时对应的节段长度最大长度a为

(3)

上二式中b——预设的抗震缝宽度；

L——断层破碎带宽度；

D——隧道衬砌外直径；

β——断层的倾角；

s——上下盘的相对错动量，即位错量；

a——最大节段长度。

3.2.2 隧洞穿越F16活动断裂层衬砌结构设计

隧洞穿越F16程海—宾川Q3晚更新世活动性断裂，工程抗剪断主要采取扩挖设计、缩短衬砌节段长度、加强结构缝止水等措施。活动断裂带洞段前后各布置5m洞段初期支护及二衬结构渐变段。在原断面净空基础上加大0.5m扩挖，断面型式为马蹄形，断面尺寸12.5m×12.5m，衬砌混凝土强度等级C30W8F100，厚度为0.8m，衬砌节段长度为6m，抗位错变形缝缝宽50mm，设置1.2mm厚铜片止水，采用搭接焊接或对接焊接，止水鼻直立段高度为90mm。

3.3 围岩加固措施

隧洞穿越F16活动断裂段具有围岩强度极低、地应力高、渗透压大和灾害源广的特点，为了预防塌方、突涌水等灾害发生，对围岩进行加固至关重要。

隧洞穿越断裂带进行围岩加固主要方法有围岩注浆和锚杆加固。查阅相关研究资料，围岩注浆加固效果主要可从以下三点说明[16]：ⓐ围岩加固可以减震和提高结构的安全性；ⓑ注浆层厚度越大，抗震效果越好，但厚度从4m增加至5m，减小幅值的梯度较小；ⓒ全环间隔注浆的抗震效果要优于全环接触注浆形式。

围岩挤压性程度除取决于初始地应力量值外，岩体强度的提高对减小围岩变形量值也有明显作用。工程实践证明，能起到增强岩体“强度”的“岩体改良”措施，除了费工费时的围岩注浆外，岩体锚固技术特别适用于挤压性围岩隧道工程[17]。锚杆加固技术主要有全长锚固锚杆和让压锚杆。

全长锚固锚杆的作用是以岩体内力的形式实现主动加固。通过满注于岩孔中的砂浆的黏结力实现杆体和围岩介质的共同变形。在共同变形的过程中杆体和围岩介质之间的相互作用呈现为沿锚杆杆体非均匀分布的剪切表面力形式。其锚固技术要点有：ⓐ锚杆必须有足够的长度；ⓑ全长饱满灌浆。

让压锚杆随围岩向洞内收敛、位移，锚杆在锚腔内克服腔壁的摩擦力而滑移，形成让压量，同时提供设计要求的恒定支护力，以约束围岩的自由松动变形。待围岩变形达到收敛稳定以后，将锚固锁定不动，最终形成“边支边让、先柔后刚”起到保持围岩持续稳定的效果。

隧洞穿越F16活动断裂带围岩加固措施如下：

a.超前注浆大管棚。考虑到超前大管棚开孔跟管工艺钻进长度有限、间距较密等情况，活动断裂带φ108超前注浆大管棚每循环长度L=12m，设置在拱部180°范围内，间距30cm，排距9m；搭接3m，仰角尽量控制不超15°。必须保证管壁开孔注浆，固结管棚周边一定范围松散岩体并形成固结体的搭接，防止细小、砂状断层物质流出。开挖揭露后视顶拱渗水、塌空严重程度，必要时可在顶拱增设φ42超前注浆小导管，L=4.5,间距30cm，排距3m。

b.固结灌浆。对拱圈5m深度范围进行超前围岩固结、堵水，确保顶拱部位围岩形成一定固结圈，并防止线状渗水从拱圈部位流出。灌浆结束后钻设检查孔对钻孔渗、水量进行检查，如有明显渗水、泥浆流出应进行加密补灌。

c.初期支护。支护断面见图2，开挖断面尺寸为12.5m×12.5m马蹄形，预留变形量20cm；喷20cm厚C20粗纤维混凝土、顶拱网格φ8@150mm×150mm(边墙无)；φ25系统锚杆，L=6m让压锚杆，按1.25m×1.25m梅花形布置；Ⅰ20型@50cm钢支撑，底脚加横撑，纵向φ25钢筋@100cm；在上台阶、中台阶、下台阶腰线及底脚位置分别设置钢支撑锁脚锚管(φ42，L=6m，共12根)；浇筑20cm厚C20混凝土底板硬化保护层。

3.4 施工与永久监测

3.4.1 施工监测方法

为确保隧洞穿越F16活动断裂带施工安全和结构设计科学合理、安全经济,在修建过程中进行监控量测并纳入施工工序，以实现信息化设计与施工。施工期安全监测要求如下：

a.初测收敛断面尽量靠近开挖掌子面，监测断面间距为5m。

b.隧洞围岩收敛监测的时段从掌子面附近具备收敛测点埋设条件开始，直至二次衬砌开始浇筑时为止。各收敛断面在开挖或支护后的7天内每天应观测2次；15天内每天观测1次，当掌子面距收敛断面大于2倍洞径后，每2天观测1次；变形稳定后，每周观测1次，直至围岩衬砌后停止观测。在收敛断面附近进行开挖时，开挖前后都应观测1次；在收敛断面附近加固处理时或测值出现异常时，应酌情增加观测次数。

c.监控量测结果应及时反馈，指导设计与施工。

d.开挖施工期间应有专人对掌子面及掌子面附近30m范围内进行巡视，发现异常声响、喷混凝土脱落开裂、渗水变大、水流变浑等迹象时应及时预警，启动相关应急预案。

3.4.2 永久监控系统

活动断裂带对隧洞结构及运行安全带来非常大的影响。如何评价其对隧洞结构造成的影响成了当前隧洞建设及运行期面临的难题。因此，有必要对穿越活动断裂带的隧洞结构进行长期监控，掌握活动断裂段衬砌结构服役状态，从而评价活动断裂带对隧洞的影响，及时发现风险，保障运行安全。隧洞穿越F16活动断裂段永久安全监测布置见表2和图3。