跨活断层隧洞抗错断技术模型试验研究

曹俊 崔臻 颜天佑 李建贺

摘要：长大隧洞工程不可避免地要跨越活动断裂带及其影响区域，为减少因断层错动而导致的隧洞结构破坏，抗错断设计是隧洞设计的重要内容。以滇中引水工程香炉山隧洞为背景，对包括铰接设计、扩挖-缓冲层设计以及铰接-扩挖-缓冲层在内的3种抗错断措施进行模型试验研究；从衬砌内部破坏、隧洞整体破坏、衬砌应变方面，对上述3种抗错断措施抗断效果进行了验证评估。研究结果表明：① 从隧洞衬砌结构内部破坏特征来看，铰接设计与扩挖-缓冲层设计都可以对衬砌起到保护作用。② 从隧洞整体变形和裂纹分布来看，使用铰接设计增大了隧洞在断层带区域的变形程度，但减小了衬砌本身的破坏；使用扩挖-缓冲层设计不仅减小了隧洞在断层带区域的变形，同时也相对减小了对衬砌本身的破坏，经铰接-扩挖-缓冲层设计的隧洞变形几乎只出现在铰接处，衬砌破坏更小。③ 从隧洞纵向应变分布规律来看，扩挖设计和铰接设计都减小了衬砌的应变，其中铰接设计对衬砌应变的减弱最为突出。相关研究成果可为跨活断裂隧洞实际工程中抗错断方案的选用提供参考。

摘要：隧洞工程； 活动断裂带； 抗错段技术； 铰接设计； 扩挖设计； 香炉山隧洞； 滇中引水工程

中图法分类号： TV311

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.028

0 引 言

由于断层错动引起的永久性地层位移将带来轴向、剪切和弯曲载荷，这可能导致穿越其中的隧洞或地下管道发生张拉、扭剪和弯曲破坏。因此，公路隧洞、铁路隧洞和引水隧洞的选线应尽可能避开活动断层。然而，受到工程选线的限制，中国大量长大隧洞工程尤其是位于西南地区的隧洞不可避免地需要接近或跨越活动断裂带及其影响区域。因此，对于跨活动断裂带的长大隧洞工程的抗错断研究与设计成为一大重点与难点，减少因断层错动而导致的隧洞结构破坏已成为亟待克服的关键问题。

对于隧洞跨活断层抗错断结构设计，诸多学者开展了大量的研究工作，目前较为常用的跨断层隧洞抗错断方法包括铰接设计、超挖设计、隔离效能设计［1-4］。针对各种隧道抗错断理论及方法，也有不少学者开展了大量研究工作。

马亚丽娜等［5］针对强震诱发断层错动的超越概率，提出了相关理论和错动量分析方法，对实际设防或者模型试验中断层错动量的取值有一定指导意义。刘学增［6-8］、杜修力［9］、周光新［10］等通过室内模型试验，研究了铰接隧洞的破壞机制。闫高明［11-12］、翁文林［13］等采用数值模拟方法和模型试验研究了铰接隧道衬砌损伤模式。还有其他学者［14-17］通过建立数值模型对一些设防手段的抗错断效果进行了研究。Shahidi等［18］针对Koohrang-Ⅲ隧道提出了一种在活动断层区域内设计柔性连接的方法并验证了其可行性与优越性。范雪宁等［19］在南水北调西线调水工程中穿越活断层处采用了柔性复合衬砌结构以适应断层错动。李守刚［20］采用室内模型试验的方法，研究减震层对跨断层隧道的减错效果。

当前，学者们对跨活断层隧洞模型试验研究主要集中在铰接隧洞，而对扩挖-缓冲层隧洞的模型试验涉及较少。本文以滇中引水工程香炉山隧洞为背景，针对目前工程中较为常用的铰接设计、扩挖-缓冲层设计、铰接-扩挖-缓冲层设计开展室内模型试验，并对3种抗错断方法的抗错断效果进行验证评估，对比不同抗错断方法的优劣，以为实际施工中抗错断方案的选用提供参考。

1 试验方案

1.1 试验装置

本次研究模型试验装置见图1。试验装置由模型箱、加载系统和支撑框架组成。其中模型箱为长方体，长宽高分别为100 cm×50 cm×60 cm；按照是否移动，模型箱分为主动侧与固定侧；为方便试验观察及材料进出，模型箱为顶部开口；前部及固定侧采用钢化玻璃封闭，后部用钢板拼接组成。加载系统竖直方向的推力加载设备最大行程10 cm；加载设备动力方式采用油压泵驱动千斤顶加载，油压泵加载，模型箱主动侧上升，模拟逆断层错动；油压泵卸载，模型箱主动侧下降，模拟正断层错动。

1.2 相似材料

本次研究采用CL=100的缩尺比例开展试验，设置隧洞断面为圆形。其缩尺关系引用文献［9］中的缩尺比例，如表1所列。衬砌和围岩物理力学参数见表2。本文主要考虑铰接、扩挖对隧洞抗错断效果的研究，设置断层带宽度为10 cm，错断方式设置为直角断层错断，最大错断位移为5 cm。

1.3 试验工况

本次研究工况设置见表3。隧洞长度为60 cm，在模型中放置直径0.5 mm、间距5 mm的单层钢丝网模拟二衬中的钢筋网。工况2中铰接隧洞每一节段长10 cm；工况3，4扩挖尺寸为1.5 cm。隧洞外直径为10 cm，厚度为1 cm，模型见图2。

隧洞上覆填土为15 cm，原型15 m，模拟浅埋工况，由于试验模型箱上部开口无法施加外部围压且模型箱深度有限，故无法模拟深埋工况。深埋工况下的试验将在后续工作中完成。

对于模型试验中隧洞铰接结构，本文采用铰接接头，具体为文献［9］中走滑工况采用的铰接方式，接头结构模型见图3。扩挖段采用套管的方式模拟，使用内径13 cm的无钢丝网石膏套管放置在扩挖段以模拟扩挖段加强初衬，在空腔中填充高密度海绵碎片模拟高压缩性缓冲材料。

1.4 监测方式

本次试验主要监测围岩破裂情况、衬砌开裂过程、衬砌整体变形以及衬砌应变。控制千斤顶开始错动，每错动10 mm进行一次详细记录，通过探入工业内窥镜监测衬砌内部破坏情况，通过工业相机记录围岩在断层错动后的破裂情况。使用动态应变箱采集应变数据。监测设备如图4所示。

为方便后期数据的处理，将每个应变测点进行编号，其中，工况1，3，4采用同样的编号方式，均设置7个量测断面，记为1，2，3，4，5，6，7号，其中1～7号拱顶与拱底均设置纵向应变片，3～6号处于断层带附近，拱顶、拱底以及左右边墙均设置纵向应变片与环向应变片，试验量测断面及测点布置如图5（a）所示；工况2为铰接隧洞，设置6个量测断面记为1，2，3，4，5，6号，其中1～6号拱顶与拱底均设置纵向应变片，2～5号处于断层带附近，拱顶、拱底以及左右边墙均设置纵向应变片与环向应变片，其试验量测断面及测点布置如图5（b）所示。

1.5 试验步骤

跨活断层隧洞抗错断模型试验研究按照以下试验步骤实施。

（1） 衬砌模型制作与养护。

将制作好的钢丝网放置于定制的衬砌模具中，按照衬砌相似材料配比称取材料，将拌合好的石膏浆液浇筑于衬砌模具中，浇筑完毕后静置凝固，拆模后养护72 h以上。养护完毕后用红色颜料在关键断面做标记并用数字印章标记关键断面编号。

（2） 围岩相似材料的配置与填筑。

按照围岩材料相似比配置围岩相似材料。向试验箱里填筑围岩相似材料，以错动缝为中线的10 cm范围内为断层破碎带，每填充5 cm围岩材料进行一次夯实处理，破碎带不做夯实处理，随后在靠近钢化玻璃一侧用石英砂充填一条变形观察线。按照上述方法继续填充下一层直至填充至8层（40 cm）。

（3） 衬砌模型与监测系统的布置。

围岩材料填充至15 cm后将隧洞模型放置于模型箱中间，将应变片接至动态应变采箱，预留内窥镜出入口，继续填充围岩直至40 cm处。填筑完成后正对试验箱架设工业相机。

（4） 隧洞穿越断层错动模型试验。

每错动10 mm进行一次详细监测记录。错断位移达到50 mm后刨除围岩材料，拍照记录隧洞模型的破坏形态。

2 试验结果分析

2.1 隧洞围岩破裂特征

图6（a）所示为工况1无抗错断设计隧洞的围岩破裂特征。围岩首先在断层带上端产生两条较细的裂纹，且随着模型箱主动侧位错量的增大，最终形成贯穿剪切带，裂纹主要出现在断层带内且主要集中在围岩上部。

图6（b）所示为4种工况下最终破裂特征，铰接隧洞围岩材料产生的裂纹相对于无抗错断设计的隧洞围岩产生的裂纹较多，主要是由于铰接隧洞刚度较小，使得其围岩破裂更明显。

2.2 隧洞结构内部破坏特征

对于工况1无抗错断设计的隧洞（见图7（a）），错动量为10 mm时开始产生纵向裂缝，错动30 mm时沿着主裂缝产生支裂缝，错动至50 mm时，隧洞底部沿着裂缝的方向发生衬砌材料起皮现象，且裂缝向两端延伸。

对于工况2铰接隧洞（见图7（b）），当错动量为10 mm时，衬砌内部无裂缝产生，4号与3号，3号与2号之间均发生转动，同时，鋼丝网产生错位。错动50 mm时，3号和4号转动量过大致使钢丝网断开，漏沙现象明显。从始至终隧洞衬砌均无裂缝产生。

对于工况3扩挖-缓冲层隧洞（见图7（c）），当错动量为20 mm时，2号洞顶开始出现裂缝，且随着错动量增大而延伸，错动至50 mm时，洞底出现裂缝。

对于工况4铰接-扩挖-缓冲层隧洞（见图7（d）），错动量为20 mm时，2号与3号间铰接出现轻微转动，错动至50 mm时铰接处钢丝网发生错动，衬砌没有产生裂缝。

试验结果表明：在断层错动下，工况1无抗错断设计的隧洞衬砌破坏最为严重，出现大量裂缝，并且由于围岩的挤压致使主动侧洞底出现衬砌起皮剥落现象。相对于无抗错断设计的隧洞来看，工况2铰接设计与工况3扩挖-缓冲层设计均可以有效减轻错断对衬砌的破坏。铰接隧洞破坏主要集中在衬砌节段之间的转动，没有出现明显裂缝。扩挖-缓冲层隧洞破坏主要由扩挖段边缘处开始向中间延伸，相对于工况1无抗错断设计隧洞来说，其裂缝宽度更小，无支裂缝的产生。工况4是在工况3下的改进，考虑到扩挖-缓冲层隧洞衬砌主要在扩挖段边缘出现裂缝，因此在扩挖

段边缘设置铰接。设置铰接后，错断对衬砌的破坏明显减小，几乎没有裂缝产生，主要变形为铰接位置的转动，并且相对于工况2中的纯铰接设计，工况4铰接处转动较小，钢丝没有明显错动。

2.3 隧洞整体变形和裂纹分布

从图8可以看出工况1无抗错断设计隧洞发生了严重变形，特别是穿越断层带的衬砌部分。穿越断层带部位的衬砌由于受到明显的剪力作用，跨越断层带节段的裂缝较多，包括沿纵向方向和环向，其中沿纵向的裂缝中还出现了支裂缝，其中衬砌节段顶部裂缝的出现会导致衬砌内部漏进少量的砂。

工况2铰接隧洞也发生严重变形，整体呈现“S”形。断层带范围内的衬砌节段所受错动影响最大，2号与3号应变片位置，3与4号应变片位置的破坏最为严重，2号、3号、4号之间呈一定的角度，角度的变化导致柔性橡胶带与衬砌节段脱落从而致使衬砌内部进砂。与无抗错断设计隧洞相比，铰接隧洞主要变形由节段间的铰接部位发生转动而承担，对衬砌的破坏较小。

工况3扩挖-缓冲层隧洞产生变形较小，仅在6号与2号附近观测到细微裂纹。与工况1完整隧洞相比，扩挖-缓冲层隧洞变形更小，由于扩挖段将局部剪切破坏分摊至整个扩挖段，因而对衬砌的破坏较小。与工况2铰接隧洞相比，扩挖-缓冲层隧洞在断层带区域的变形更小，不会出现衬砌破损而漏砂的情况。

工况4在铰接-扩挖-缓冲层设计中，隧洞变形主要发生在铰接处，两个铰接发生转动，外部没有观察到裂缝产生。相对于工况3中的扩挖-缓冲层隧洞，在其基础上设置铰接后，衬砌自身破坏更小，变形主要集中于铰接处。而与工况2纯铰接隧洞相比，工况4在断层带区域变形更小，且节段间转动相对较小而不至于出现漏砂现象。

试验结果表明：几种抗错断设计均可以有效减轻错断对衬砌的破坏。无抗错断设计的隧洞（工况1）发生了较为严重的破坏，特别是穿越断层带的衬砌部分，产生了大量裂缝。与工况1相比，铰接隧洞、扩挖-缓冲层隧洞衬砌外侧均没有产生明显裂缝。铰接隧洞错断后变形最明显，因为多处铰接设计使得其整体刚度减小，此方法通过牺牲铰接处的变形从而保护衬砌其他部位不出现破坏，而扩挖-缓冲层隧洞不仅变形较小，错断对衬砌的破坏也较小，不仅可以降低震后裂缝处渗漏水的风险，还可以降低震后的维修成本。

2.4 隧洞应变分布规律

本文着重选取破坏最严重的隧洞洞底部分进行应变分布的研究。断层错动作用下，4种工况下的隧洞洞底纵向应变如图9所示。

对于工况1无抗错断设计隧洞，其洞底最大纵向拉应变出现在断层带内，活动侧主要为拉应变，固定侧主要为压应变。对于工况2铰接隧洞，其整体趋势与工况1类似，但应变明显减小，最大拉应变与最大压应变均降低了60%以上。对于工况3扩挖-缓冲层隧洞，其应变峰值往两侧移动，扩挖段应变明显降低，其最大拉应变出现在固定侧，最大压应变出现在活动侧，应变峰值相对于工况1有一定减小。对于工况4铰接-扩挖-缓冲层隧洞，设置铰接后，峰值应变相对于工况3明显减小。

试验结果表明：以上抗错断措施均可以一定程度上减小衬砌的变形。其中，设置铰接对于减小衬砌变形尤为明显。扩挖-缓冲层会使最大应变出现在扩挖段端部附近，而不在断层带处，同时也一定程度上减小了衬砌应变。

3 结 论

本研究以滇中引水工程香炉山隧洞为背景，对包括铰接设计、扩挖-缓冲层设计在内的3种抗错断方案进行了4种工况的模型试验研究，得到了以下结论：

（1） 从隧洞衬砌结构内部破坏特征来看，铰接设计与扩挖-缓冲层设计都可以对衬砌起到保护作用。铰接设计将变形集中在节段铰接处，从而减轻了衬砌结构本身的破坏，而扩挖-缓冲层设计将断层带区域的局部剪切破坏分摊到整个扩挖段，从而减轻了衬砌在断层带区域的破坏程度。铰接隧洞衬砌内部几乎不产生裂纹，但节段之间转动明显；扩挖-缓冲层隧洞出现细微裂纹，隧洞在断层带区域的变形相对铰接隧洞更小；而铰接-扩挖-缓冲层隧洞不仅衬砌保护良好没有裂纹，其铰接位置的转动也相对纯铰接隧洞更小。因此，从隧洞衬砌结构破坏程度来看，铰接-扩挖-缓冲层隧洞破坏程度最小。

（2） 从隧洞整体变形和裂纹分布来看，使用铰接设计使得隧洞在断层带区域变形更大，断层带附近节段间转动明显，但是减小了对衬砌自身的破坏，没有发现衬砌外部有明显裂纹产生；使用扩挖-缓冲层设计不仅减小了隧洞在断层带区域的变形，也有效减小了对衬砌的破坏，但衬砌外部还是会产生肉眼可见的变形，出现少量细微裂纹；铰接-扩挖-缓冲层设计的隧洞变形仅出现在铰接处，衬砌没有明显变形且没有产生裂纹。因此从隧洞整体变形和裂纹分布来看，铰接-扩挖-缓冲层隧洞具备相对较好的抗错断性能。

（3） 从隧洞纵向应变分布规律来看，扩挖设计和铰接设计都减小了衬砌的应变，其中铰接设计对衬砌变形的减弱最为突出。相对于无抗错断设计的隧洞来说，铰接设计对衬砌纵向应变减小量达到60%以上，扩挖-缓冲层隧洞对纵向应变减小量在30%以上，铰接-扩挖-缓冲层隧洞对纵向应变减小量在50%以上。目前的模型试验无法精确还原真实情况，所得应变数据只能用于发现规律，并不能据此进行结构设计。

综上可见，铰接设计可以显著降低衬砌的应变，扩挖设计可以减弱衬砌在断层带区域的变形程度。根据实际情况将两种设计结合可以起到良好的抗断效果。

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（编辑：郑 毅）

Model experiment on resist breakage design of tunnels crossing active fault

CAO Jun1，2，CUI Zhen1，2，YAN Tianyou3，LI Jianhe3

（1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

A large number of long tunnels in China inevitably cross active fracture zones and influencing areas.In order to reduce the structural damage of these tunnels due to fault misalignment，various anti-breakage measures are taken.In this paper，a model test study on the effectiveness of three anti-breakage measures was conducted，including articulation design，expansion-buffer design and articulation-expansion-buffer.Taking the Xianglushan tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project as the background，the effects of the above three types of anti-breakage measures were verified and evaluated from the perspectives of internal lining damage，overall tunnel damage and lining strain.The results show that ① Based on the characteristics of internal damage in the lining structure of the tunnel，the design of hinge joint，expanded excavation and buffer layer can all protect the lining.② From the overall distortion situation and crack distribution of the tunnel，the adopt of hinge joint aggravates the overall distortion of the tunnel in the fault zone area but meanwhile alleviates the damage to the lining itself.The design of expanded excavation-buffer layer not only eases the distortion of the tunnel but also mitigates the destruction of lining itself at the same time.Whats more，the distortion of tunnel in the design of hinge joint-expanded excavation-buffer layer only happens in the hinge joint，which causes little damage to the lining.③ In terms of distribution rules of longitudinal strain in the tunnel，the expanded excavation and hinge joint can both reduce the strain of lining，especially the latter one has obvious effect in alleviate lining strain.The relevant research findings can offer a reference to the selection of anti-breakage solutions in actual tunnels crossing active faults.

Key words：

tunnel engineering；active fault；resist breakage design；articulation design；expanded excavation design；Xianglushan tunnel；Central Yunnan Water Diversion Project