长距离隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系和布置设计

张雨霆, 王义深, 赵利鹏，黄书岭，何 骁，李建贺

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010； 2.云南省滇中引水工程有限公司 质量安全和技术管理部，昆明 650000； 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

“十四五”规划拟实施的包括滇中引水、引江补汉、引汉济渭等重大引调水工程建设，是推进国家水网联通的重大战略需求。修建长距离输水隧洞则是上述地处中西部的引调水工程实现水资源调度和配置的重要手段。这些隧洞将穿越包括活动断裂带在内的复杂地层，对隧洞长期安全性构成威胁。围绕隧洞穿越活动断裂的抗错断问题，已有学者开展针对性研究，并取得一系列成果。曲桂有[1]对掌鸠河引水工程厂口隧洞穿越普渡河断裂带的围岩和支护响应开展了监测分析；崔光耀等[2]开展了汶川地震后的公路隧道震害调查与震害特征研究，总结了跨断层带隧道破坏特征；王道远等[3]利用震害调查资料，发现软弱围岩段易于发生二衬垮塌震害，并提出“回填注浆+交错设缝”的处治措施；马亚丽娜等[4]基于地基梁假定，研究了跨活断裂隧洞纵向变形及内力响应特性；熊炜等[5]采用数值方法，对隧洞穿越正断层时的断层错动量、倾角、隧道埋深以及隧道与断层的交角等因素进行分析，并归纳对衬砌破坏模式的影响。赵坤等[6]也采用数值方法，对位于活动断层带内的隧道衬砌铰接设计参数进行分析论证；刘学增等[7]采用模型试验方法，研究了逆断层黏滑错动对公路隧道影响；信春雷等[8]也采用模型试验方法，研究了走滑断层隧道采用套管式可变形抗减震措施的有效性；王旺盛等[9]对引调水工程的深埋长隧洞主要地质问题进行梳理，认为应重视研究隧洞穿越活动性断裂的抗断问题。综上可知，既有的隧洞穿越活动断裂方面的研究，多围绕错动作用对隧洞衬砌的破坏特征和影响机理，以及隧洞抗错断措施和评价等方面展开。获取隧洞穿越活动断裂带洞段的各种响应量，是准确客观评价隧洞各种抗错断措施有效性和可靠性的前提。查阅文献分析发现，目前还少有学者针对监测仪器的布置方式和类型开展了研究工作。

针对该课题，本文提出了过活动断裂带隧洞结构安全监测的“五适应”设置原则，并以滇中引水工程香炉山隧洞为对象，逐一明确了隧洞穿越活动断裂时的监测项目、监测内容、监测重点关注区域、监测仪器和布置时机，可为隧洞过活动断裂带的安全监测布置设计提供借鉴。

2 过活动断裂带隧洞结构安全监测设置原则

现有研究[10]表明，当隧洞穿越活动断裂带时，勘察和设计规范均建议以避让为主，且满足一定避让距离；针对无法避让情形，也多以原则性规定为主，既未涉及隧洞过活动断裂的抗错断措施，也没有建议与隧洞监测相关的内容。同时，虽然国内外目前已有多个隧洞穿越活动断裂的工程实例[11-13]，形成了隧洞抗错断的应对理念和具体措施，但还鲜有研究抗错断措施的监测设置原则和布置方法。因此，针对该情况，有必要首先研究并提出过活断裂带隧洞结构安全监测的设置原则。

综合现行规范、活动断裂带特性、隧洞结构特性、抗错断措施和隧洞施工方法等直接影响隧洞穿越活动断裂的多种因素，提出过活动断裂带隧洞结构安全监测布置的“五适应”原则，具体为：

(1) 与现行规范或技术标准相适应原则。表1为现行安全监测规范[14-15]针对水工隧洞设置的监测项目，包含变形、渗流、应力应变和温度等内容。作为水利水电工程建筑物，过活动断裂的隧洞结构安全监测方案，也应与现有规范规程相适应，即拟设置的监测内容应尽量在规范所列的监测项目中，从而方便将抗错断监测项目纳入隧洞工程的总体安全监测方案。

表1 水工隧洞变形监测项目Table 1 Monitoring items for hydraulic tunnel deformation

(2) 与活动断裂带活动特征相适应原则。活动断裂带的活动特征包括活动类型、运动模式和工程活动性，取决于所在地质单元的构造特征及地质历史。

从活动类型看，活动断裂可分为黏滑型和蠕滑型。蠕滑型活动断裂表现为长时间持续性无震错动，隧洞结构的破坏为逐渐发生，通过设置相关监测仪器，能够捕捉到隧洞结构在蠕滑作用下从开始受荷到发生破坏的全过程响应。黏滑型活动断裂表现为发震时的突然错动，破坏力强，多座隧洞的震后调查表明，穿越断层带的衬砌结构破坏较为常见，抗震措施只能减轻破坏影响，无法避免震损破坏。因此，对于受到活动断裂黏滑影响的隧洞，结构本身的力学响应时间短、破坏力强，监测仪器很可能在失效破坏前，因采样频率设置无法记录到足够数据，或在开始记录数据前就被破坏。综上对比，可知蠕滑型活动断裂监测的可实施性更强，应重点研究与此类活动断裂的监测方案。

从运动模式看，活动断裂可分为正滑型、逆滑型、走滑型和复合型。不同类型的运动模式对隧洞结构形成不同受荷条件，力学响应也差异明显。如美国加州Berkeley Hills隧道[16]穿越的Hayward断层带为正滑兼右旋走滑型，隧道衬砌在8 a观测中，出现了较多的轴向压剪裂纹，即以压破坏和剪切破坏为主(图1)。因此，活动断裂监测应与其运动模式相适应，设置旨在监测压剪型结构响应的仪器。

图1 美国加州Berkeley Hills隧道因Hayward断层带 蠕滑产生的衬砌裂缝素描(立面图)[16]Fig.1 Sketch of fractures on lining structures in Berkeley Hills Tunnel crossing Hayward fault zone (vertical view)[16]

从工程活动性看，活动性较强的断裂带在隧洞使用年限内所发生的位错更大，对隧洞结构的形变作用荷载相对更加明显，需要匹配适应性更强的抗错断措施，由此监测措施也相应地需具备更大的量程，活动性较弱的断裂带则相反。

综上可知，隧洞过活动断裂带的监测与活动特征相适应，主要体现为应重点分析蠕滑型活动断裂监测，与隧洞力学响应特征和破坏类型相适应，以及与活动性强弱相匹配等3个方面。

(3) 与隧洞结构变形规律和破坏特征相适应原则。在活动断裂的影响下，隧洞结构的变形和破坏呈现与一般情形完全不同的特点。例如设置剪切缝是隧洞衬砌的常见抗错断手段，在走滑型活动断裂的影响下，隧洞衬砌结构的变形方向和变形量与活动断裂的变形趋势密切相关，完全不同于隧洞开挖后围岩向洞内变形的一般规律。因此，针对过活动断裂带隧洞结构的安全监测，应建立在查明活动断裂特定活动模式所引起的隧洞结构变形规律和破坏特征的基础上，重点在主要变形破坏区域布置监测仪器；并根据结构破坏特征，选择对应监测内容，例如当衬砌为剪切破坏时，可布置位错计，衬砌为拉压破坏时，可布置测缝计。

(4) 与抗错断措施相适应原则。现有研究表明[10]，隧洞较常采用的抗错断措施包括扩挖断面、设置铰接段或剪切缝、复合衬砌隔离消能等。不同型式的抗错断措施在承受活动断裂带的形变作用时，受力机理不同。因此过活动断裂带的隧洞结构安全监测应更具针对性，与抗错断措施相适应。

(5) 与隧洞开挖施工方法相适应原则。隧洞一般采用钻爆法开挖和隧道掘进机(TBM)掘进施工开挖。钻爆法施工和TBM掘进法施工工艺不同，选用的衬砌结构型式和施作时机也可能不同。例如钻爆法开挖一般以现浇混凝土衬砌为主，TBM掘进则既可以采用浇筑混凝土，也可以采用预制管片；双护盾TBM掘进则进一步要求随掌子面推进同步施加衬砌管片。活动断裂安全监测应考虑上述差异给监测项目及其实施时机带来的影响，与隧洞开挖施工方法相适应。

3 工程应用

本节以滇中引水工程香炉山隧洞为研究对象，详细给出上述提出的过活动断裂带隧洞结构安全监测设置原则在实际工程中的应用。

3.1 香炉山隧洞概况

滇中引水工程是云南省有史以来投资最大、建设难度最高的水利工程。香炉山隧洞的单洞线路最长，达62.6 km。隧洞的最大埋深为1 450 m，埋深一般为600～1 200 m，67.4%洞段的埋深>600 m，34.2%洞段的埋深>1 000 m。隧洞沿线的工程地质条件复杂，面临软岩大变形、硬岩岩爆、涌突水和断层破碎带垮塌等多种工程问题。根据隧洞施工方法、围岩分类和断层活动性等情况，隧洞的衬后直径在8.3～8.8 m之间。

3.2 隧洞穿过活动断裂带的基本情况

3.2.1 活动断裂基本特征

根据相关研究成果[17]，香炉山隧洞沿线共有龙蟠—乔后、丽江—剑川、鹤庆—洱源3条活动断裂带，均为全新世活动断裂带，活动性分别表现为左旋走滑兼正滑、左旋走滑兼逆滑、左旋走滑，其他参数见表2。本文分析时，采用“未来百年最大地表位错量设防参数”的上限值输入计算模型。

表2 香炉山隧洞穿越的活动断裂带的基本指标Table 2 Basic indices of the active fracture zone crossed by Xianglushan tunnel

3.2.2 活断断裂带区域的初始地应力条件

活动断裂及其影响带实测地应力结果显示3个主应力量值主要呈现“水平向大主应力>铅直向应力>水平向小主应力”的关系，表现为走滑型应力状态。受断裂的活动性质影响，断裂带内的最大水平主应力方向平行或小角度相交于断裂走向。

3.2.3 活动断裂带区域的地层岩性特征

龙蟠—乔后断裂共包括3条分支断裂，并以西支断裂规模最大，断裂带内构造岩以碎粒岩和角砾岩为主，且宽度超过100 m，倾角约60°；丽江—剑川断裂带共包括3条主要分支断裂，并以东支断裂为主，断裂带内构造岩为碎粒岩和角砾岩，构造岩带的地面宽度约100 m，倾角约70°；鹤庆—洱源断裂带与隧洞呈近垂直相交，构造岩以碎粒岩、碎粉岩及角砾岩为主，岩带宽约30 m，倾角约70°。上述断裂带的宽度，是综合地表勘察和钻孔信息确定的。

3.3 断裂带蠕滑作用下隧洞结构变形破坏规律

3.3.1 初始计算条件

采用数值分析方法评价断裂带蠕滑作用下的隧洞结构变形特征和破坏规律。根据表2，选取香炉山隧洞沿线活动性最明显的丽江—剑川断裂带东支断裂F11-3(图2)作为研究对象，对应桩号为DL24+900—DL25+005。计算模型(见图3)的建模范围跨度约800 m，从1 800 m高程到地表。顺水流方向范围：如图2所示建立产xOz坐标系，顺水流方向为正x向，竖直向上为正z向，-x向边界设置在距坐标原点上游400 m，+x向边界设置在距坐标原点下游500 m。y正向根据右手定则确定，±y边界沿隧洞洞轴线分别外推450 m，即x和y向的跨度均为900 m。计算模型共计划分了1 090 538个单元和739 624个节点。计算结果中所示的坐标系均与此坐标系相同。

图2 丽江—剑川断裂带东支断裂F11-3建模范围Fig.2 Modeling range of east branch F11-3 of Lijiang-Jianchuan fault zone

图3 计算分析模型Fig.3 Computational meshes

根据表3对计算模型内的不同地层岩性取值。其中，主断带为V类围岩，上下盘影响带分别为Ⅳ类玄武岩和泥质灰岩，其力学参数根据工程类比和试算分析等方法优化取值所得[18]。

表3 围岩力学参数取值Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock mass

如图4(a)所示，计算模型中包含了上盘影响带、主断带和下盘影响带共3个区间。同时，区分了是否考虑抗错断措施的方案。如图4(b)所示，抗错断措施以设置铰接段为主，设置的范围为整个计算分析模型范围内的隧洞衬砌结构，即覆盖了上盘影响带、主断带和下盘影响带。

图4 计算模型范围内的隧洞衬砌结构Fig.4 Tunnel lining structures in computational meshes

3.3.2 本构模型和分析过程

对于围岩体，采用摩尔-库伦模型。对于隧洞衬砌结构，采用塑性损伤模型，该模型由Lubliner等[19]提出，并由Lee等[20]改进。同时定义：①压剪，即单元压应力已超过材料的峰值抗压强度，强度演化过程由强化阶段进入弱化阶段；②压损，即对于已进入压剪状态的单元，其压应变超过混凝土的极限压应变。

采用同步在上盘和下盘影响带施加水平向和垂直向速率边界条件的方式模拟活动断裂带的蠕滑运动。同时，记录主断带两端监测点的相对水平向变形和相对垂直向变形，作为水平向位错量和垂直向位错量。

3.3.3 隧洞围岩变形分布特征

图5为考虑了抗错断措施的活动断裂带围岩变形等值线。在沿洞轴线方向上，主断带范围内的洞周围岩变形分布在-241～543 mm之间，呈现上下盘影响带之间的距离缩短、主断带长度被压缩的变形特征；在水平面内垂直洞轴线方向上，主断带范围内的洞周围岩变形分布在-1 180～604 mm之间，呈现上盘一侧朝-Y向、下盘一侧朝+Y向的左旋走滑变形特征；在铅直方向上，主断带范围内的洞周围岩变形分布在-340～435 mm之间，呈现上盘一侧上升、下盘一侧下降的逆滑变形特征。 从3个方向的围岩变形分量等值线分布特征可知，在主断带和影响带内，围岩变形等值线总体较为均匀，但在主断带和影响带的过渡区域，围岩变形等值线在局部出现陡变，表明上述区域受到蠕滑运动作用影响相对显著。

注：图中数值表示变形，单位为mm。图5 活动断裂带围岩变形分布规律Fig.5 Deformation distribution of surrounding rock mass in active fault zone

从各分量的等值线分布可知，铰接段附近的围岩变形梯度要大于普通衬砌节段附近的围岩变形梯度，表明围岩错动变形主要在铰接段附近消纳。

3.3.4 衬砌结构破坏过程

由图6可知，当不考虑隧洞抗错断措施时，随着活动断裂带水平错动量的不断增大，衬砌结构首先在上盘影响带和主断带的交汇区域出现压损，然后在下盘影响带和主断带的交汇区域附近出现压损，进而在主断带中部出现压损。最后，上述3个区域的衬砌破损区继续发展，直至相互贯通。根据图1的原位观测结论，可知未设置抗错断措施的衬砌结构在活动断裂逆滑作用下，在主断带边缘部位易发生压剪破坏。图6的计算结果较好地吻合这一结论，表明所采取的计算初始条件及活动断裂分析方法是合理的。

图6 不考虑抗错断措施时的衬砌结构破坏过程Fig.6 Failure process of lining structures in the absence of anti-fault measures

由图7可知，当考虑衬砌结构设置的铰接段抗错断措施后，随着活动断裂带的错动量不断增加，隧洞衬砌节段基本保持弹性和压剪状态，仅在设置铰接段的邻近区域出现局部衬砌破损，且当水平错动量达1.3 m时，衬砌结构仍然基本保持正常状态。这表明设置铰接段的抗错断措施起到了较好的抵御效果。

图7 考虑抗错断措施时的衬砌结构破坏过程Fig.7 Failure process of lining structures in the presence of anti-fault measures

3.4 蠕滑作用下隧洞结构变形破坏的重点区域分析

上述计算结果表明，设置铰接段后，隧洞结构变形剧烈和破坏显著的区域均集中出现在铰接段本身，以及相邻的衬砌区域。从安全监测角度分析，这些区域应作为隧洞结构的监控重点部位，需进一步开展更为精细的结果统计，从而为监测方案布置提供准确依据。

3.4.1 沿洞轴线方向的铰接段压缩量分析

统计每个铰接段和衬砌节段的轴向压缩量，结果如图8所示，可知衬砌节段的轴向压缩量总体较小，且沿洞轴向分布较为均匀。铰接段的轴向压缩量总体大于衬砌节段，且沿洞轴向分布差异较大，表明采取抗错断措施后，导致衬砌结构发生压损破坏(图6)的活动断裂压缩变形被铰接段消纳，起到了保护衬砌节段的效果。进一步地，压缩量最为显著的部位出现在主断带与两侧影响带的交汇区域，表明该部位应作为隧洞结构压缩变形的监测重点。

图8 沿洞轴线方向的铰接段压缩量分布Fig.8 Compressive magnitudes of joint section along longitudinal direction of tunnel

3.4.2 垂直洞轴线方向的铰接段变形量分析

进一步分析压缩变形最为显著区域的横断面隧洞结构变形规律。上盘影响带-主断带交汇区域断面内的左侧边墙、顶拱和底板部位变形指向洞内侧，右侧中下部区域的边墙变形指向围岩内部(图9(a))；下盘影响带-主断带交汇区域断面内的右侧边墙、顶拱和底板部位变形指向洞内侧，左侧中上区域的边墙变形指向围岩内部(图9(b))。由此可见，上述围岩变形分布特征，是隧洞围岩向洞内变形的一般规律叠加了活动断裂蠕滑错动影响的综合反映。

图9 上盘影响带、下盘影响带与主断带交汇区域隧洞 结构变形Fig.9 Structural deformation of the intersection area of upper impact zone and lower impact zone with main fault zone

3.5 基于“五适应”设置原则的隧洞过活动断裂带安全监测体系研究

基于上述采用数值分析方法获得的断裂带蠕滑作用下隧洞结构变形破坏规律，提出符合过活动断裂隧洞结构安全监测“五适应”原则的安全监测方案。

首先，基于与现行规范或技术标准相适应原则，确定安全监测方案的监测项目。计算分析表明，活动断裂带蠕滑运动对隧洞结构造成的影响主要体现在引起附加变形和驱使衬砌结构破坏两方面，故应以表1所列的变形监测和应力应变监测为主要安全监测类型，并进一步选择隧洞围岩变形、接缝及裂缝开合度、混凝土应力应变、钢筋应力、围岩压力、围岩与支护结构接触压力为备选监测项目。

其次，根据与活动断裂带活动特征相适应的原则，确定安全监测方案的监测内容。计算分析表明，在左旋走滑兼逆滑断裂带蠕滑运动作用下，隧洞围岩主要呈现沿洞轴方向的压缩变形，衬砌结构也以压损为主要破坏形式，故应进一步明确以接缝剪切压缩量、混凝土受压应力应变、钢筋压应力等量测指标为主要监测内容。相应地，若隧洞围岩主要呈现沿洞轴方向的拉伸变形，衬砌结构也以拉损为主要破坏形式，则相关监测内容应以受拉量测指标为主要监测内容。

再次，基于与隧洞结构变形规律和破坏特征相适应的原则，确定安全监测方案的重点关注区域。计算分析表明(图8)，在左旋走滑兼逆滑断裂带蠕滑运动作用下，影响带和主断带交汇区域沿洞轴向的压缩变形最为显著。进一步地，在上盘影响带、下盘影响带与主断带交汇区域内，上盘影响带-主断带交汇区域的左侧边墙、顶拱和底板部位，下盘影响带-主断带交汇区域的右侧边墙、顶拱和底板部位，则是断面内发生显著变形的区域(图10)，应作为监测方案的重点关注区域。

图10 蠕滑作用下的隧洞重点关注区域Fig.10 Concerned area of tunnel under creep effect

然后，基于与抗断措施相适应原则，确定隧洞过活动断裂带结构安全监测的具体仪器。根据计算对比(图6、图7)，设置铰接段后，衬砌节段得到有效保护，大部分位错变形由铰接段消纳，衬砌节段仅在与铰接段相邻的部位出现了局部破损。因此在围岩变形和接缝开合度监测方面，主要在铰接段设置监测，可采用位错计、错缝计等量测铰接段剪切变形和法向变形的仪器(图11(a))；在混凝土应变、钢筋应力、围岩与支护结构接触压力监测方面，主要在衬砌节段设置监测，可采用纵向和横向应变计量测混凝土在顺水流方向和断面内二衬混凝土的应变及潜在开裂情况，采用钢筋应力计监测二衬钢筋的受力，采用压力计量测围岩-二次衬砌之间的界面接触压力(图11(b))。应在前述确定的重点关注区域中进一步选择典型部位，加密监测仪器的布置，缩短数据的采集时间间隔。

图11 铰接段和衬砌节段监测仪器类型及布置Fig.11 Equipment and its layout for measuring joint section and lining section

最后，基于与隧洞开挖施工方案相适应原则，确定监测仪器的布置时机。对于钻爆法开挖和开敞式TBM掘进，二次衬砌和铰接段一般在施工开挖引起的围岩变形收敛后再施加；对于护盾式TBM，一般采用紧跟掌子面的衬砌管片作为二次衬砌，需要随TBM掘进及时施加。监测仪器的布置应与监测对象同步实施。

4 结 论

本文针对隧洞穿越活动断裂带结构安全监测体系和布置设计开展了研究，主要结论为：

(1) 提出了过活动断裂带隧洞结构安全监测的“五适应”设置原则，即：与现行规范或技术标准相适应、与活动断裂带活动特征相适应、与隧洞结构变形规律和破坏特征相适应、与抗断措施相适应、与隧洞开挖施工方法相适应，并分别详述了体现这些原则的具体要求。

(2)采用数值模拟方法，开展了香炉山隧洞穿越丽江—剑川活动断裂在蠕滑作用下的计算分析，获得了隧洞结构变形破坏规律，尤其是考虑铰接段抗错断措施后的围岩变形分布规律，为隧洞结构安全监测体系提供了依据。

(3) 开展了基于“五适应”设置原则的安全监测体系和布置设计研究，认为香炉山隧洞在穿越丽江—剑川断裂时，应以围岩变形、接缝开合度等为主要监测项目，以接缝剪切压缩量和混凝土压应变等为基本监测内容，以影响带-主断带的交汇区域为重点关注区域，以位错计、错缝计、应变计和压力计为监测仪器，并明确了与监测对象同步实施的布置时机，由此建立隧洞穿越活动断裂带的结构安全监测体系。同时，注意到活动断裂带运动影响下的隧洞变形规律与开挖卸荷影响下的隧洞变形存在明显差异，为更有效地监测隧洞穿越活动断裂带的结构响应规律，专门化监测仪器的研发值得进一步深入。