顧小兵，楊春寶，席志斌，2

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024;3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 概述

在長距離山嶺隧洞工程建設(shè)中，由于受到地形、地質(zhì)等條件及總體線路布置的限制，不得不面臨隧洞穿越活動斷層帶問題。根據(jù)汶川地震的震后調(diào)查[1]，穿越斷層隧洞的震損較嚴(yán)重且集中在斷層附近，如產(chǎn)生鋼架扭曲、仰拱開裂、錯臺、襯砌開裂、錯斷、圍巖掉塊、坍塌等。美國加州舊金山灣區(qū)捷運(yùn)系統(tǒng)的Berkeley Hills隧道監(jiān)測分析表明[2]，1969—1981年隧洞在監(jiān)測的67.1m寬的洞段內(nèi)發(fā)生了約80mm的右旋偏移，蠕滑的速率為6～8mm/a，絕大部分的變形發(fā)生在斷層泥部位。

國家重點研發(fā)計劃“長距離調(diào)水工程建設(shè)與安全運(yùn)行集成研究及應(yīng)用”項目，依托云南滇中引水香爐山隧洞、新疆某工程KS輸水隧洞等工程，開展了隧洞穿越活斷層抗斷技術(shù)研究，對相關(guān)抗斷技術(shù)手段的可行性和適應(yīng)性進(jìn)行了分析總結(jié)。

2 穿越活動斷層隧洞抗斷措施類型

活動斷層對隧洞工程的影響主要表現(xiàn)為：發(fā)震斷層的粘滑運(yùn)動及巖體振動引起的破壞(即抗震問題)，無震斷層的蠕滑運(yùn)動造成的破壞(即抗斷問題)，兩者均可能對隧洞工程造成嚴(yán)重影響。國內(nèi)外相關(guān)研究已開展數(shù)十年，但隧洞穿越活動斷層防護(hù)措施多還停留在理論階段，隧洞設(shè)計規(guī)范等[3- 5]相關(guān)規(guī)范中并未涉及或規(guī)范中沒有提出定量設(shè)計方法，不能定量把控工程參數(shù)和指標(biāo)。國內(nèi)外已建隧洞穿越活動斷層的工程案例，均從抗震和抗斷兩方面著手，采取系列主動防護(hù)及被動防護(hù)應(yīng)對措施[6]。具體而言，隧洞抗斷設(shè)計方案及思路可以歸納為超挖設(shè)計、鉸接設(shè)計、消能設(shè)計及新材料應(yīng)用等4種類型。

2.1 超挖設(shè)計

超挖設(shè)計根據(jù)穿越活動斷裂隧洞錯動方式及預(yù)估最大位錯量為假設(shè)，沿隧洞斷面徑向增大隧洞尺寸，當(dāng)斷層錯動時，預(yù)先擴(kuò)挖的面積能夠抵消因斷層錯動導(dǎo)致的凈空縮減，從而保證有效凈空面積，維持隧洞的正常使用功能。通常采用雙層襯砌或洞內(nèi)明管設(shè)計，內(nèi)外襯砌間充填多孔材料或不填充，是一種被動抗位錯設(shè)計方法。擴(kuò)大橫斷面開挖面積會使得工程成本增加，適用于斷層破碎帶寬度相對較小的情況。

2.2 鉸接設(shè)計

鉸接設(shè)計即沿隧洞縱向設(shè)置一定數(shù)量的變形縫，減小隧洞節(jié)段長度，使斷層帶及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的節(jié)段保持相對獨立，各節(jié)段間采用剛度相對較小的柔性連接。斷層錯動引起的形變量將分散至各節(jié)段，通過各節(jié)段及其縫間剛度較低的材料變形消納，同時增加了活動斷層區(qū)域內(nèi)隧洞的整體柔度，降低了兩側(cè)普通襯砌節(jié)段的受力，從而使隧洞結(jié)構(gòu)整體得到改善，即便因斷層粘滑或長期蠕滑作用產(chǎn)生較大的錯動變形量，隧洞的破壞也可被限定在局部區(qū)域，可降低維護(hù)和修復(fù)的代價。

2.3 消能設(shè)計

消能設(shè)計多采用柔性材料、大阻尼材料或彈性減震裝置，在隧洞二襯與圍巖之間、襯砌結(jié)構(gòu)節(jié)段接頭等形變突出部位形成減震或消能層，從而減輕斷層錯位對隧洞結(jié)構(gòu)影響，避免結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)或發(fā)生損壞。消能設(shè)計多與超挖設(shè)計及鉸接設(shè)計結(jié)合實施，如在超挖設(shè)計初期支護(hù)和二次襯砌中間充填多孔材料或彈性材料，如泡沫混凝土材料，形成鋼筋混凝土復(fù)合襯砌，盡可能將斷層相對錯動位移吸收消化在初期支護(hù)和中間的緩沖材料層上；在分段鉸接設(shè)計時，節(jié)段變形縫間充填柔性材料或設(shè)置柔性裝置(如波紋管、阻尼器等)。

2.4 新材料應(yīng)用

隧洞穿越活斷層抗斷設(shè)計除普遍采用消能減震、隔震材料外，也在嘗試采用新材料增加隧洞自身結(jié)構(gòu)抗震及抗裂性能。如采用拌有纖維材料的混凝土和加入高強(qiáng)聚合物的混凝土，可以明顯提高襯砌彈性、柔韌度和阻尼值，既可使襯砌結(jié)構(gòu)充分吸收能力，消耗能量，也減小了襯砌的地震響應(yīng)反應(yīng)。此外，對混凝土裂縫自修復(fù)材料應(yīng)用也有研究，如當(dāng)襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫時，接入混凝土的修復(fù)膠囊能自動破裂，分泌修復(fù)膠熟劑，形成自愈合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，恢復(fù)甚至提高混凝土性能。

3 穿越活斷層輸水隧洞工程典型案例

3.1 云南滇中引水工程香爐山隧洞

香爐山隧洞屬于滇中引水工程大理Ⅰ段，沿線屬高、中山地貌區(qū)。隧洞全長62.6km，最大埋深1450m，為滇中引水工程控制性工程，為無壓輸水隧洞，設(shè)計斷面為圓，襯砌后洞徑8.3～8.5m，自北西向南東依次穿過的主要斷層(帶)共14條，其中龍蟠—喬后斷層帶(F10- 1、10- 2)、麗江—劍川斷層帶(F11- 2、F11- 3、F11- 4)及鶴慶洱源斷層(F12)均為全新世活動斷層，屬工程活動斷層。隧洞穿過的各活動斷層位錯設(shè)防建議值見表1[7]。

表1 香爐山隧洞穿過的工程活動斷層位錯設(shè)防建議值表 單位：m

香爐山隧洞3條全新世活動斷裂100年位移設(shè)防水平向量值最大可達(dá)2.20m，垂直向量值最大可達(dá)0.34m，較大位錯量使得香爐山隧洞面臨錯斷風(fēng)險。根據(jù)隧洞穿越活動斷裂帶抗震抗斷研究成果，在抗斷問題上，設(shè)計采用超挖設(shè)計和鉸接設(shè)計相結(jié)合的方法，擴(kuò)大隧洞直徑，內(nèi)徑由8.3m擴(kuò)大至8.8m，滿足垂直位錯量，保證隧洞過水?dāng)嗝?；減小穿越活動斷裂襯砌的分段長度，由10.0m分段減小至6.0m分段，同時設(shè)置2.5cm變形縫，以適應(yīng)水平和垂直變形要求；為保證變形協(xié)調(diào)性，在活動斷裂設(shè)防范圍外端再外延40.0m。在抗震問題上，增加襯砌混凝土厚度，由非活動斷裂帶的0.6m增加至0.8m，并加強(qiáng)初期支護(hù)措施。

3.2 新疆某水利工程輸水隧洞

新疆某水利工程KS隧洞洞線穿越活動斷層，斷裂破碎帶寬度約100m，斷層為高角度壓扭性逆斷層。最新活動時期屬第四紀(jì)晚更新世(Q3)早、中期活斷層，平均活動速率0.06mm/a。KS隧洞為無壓輸水隧洞，設(shè)計斷面為馬蹄形，與該斷裂垂直穿過，采用鉆爆法施工。在隧洞穿越活動斷裂帶時主要采取超挖設(shè)計、分段鉸接、深層固灌等處理措施。在抗斷問題上，采取擴(kuò)大隧洞斷面，洞周增加了0.95m的預(yù)留變形空間；襯砌分段長度正常洞段12m縮短6m，以適應(yīng)縱向、橫向變形，同時設(shè)置減震伸縮縫，減震伸縮縫寬3cm，內(nèi)填聚乙烯閉孔塑料板，中間設(shè)置可適應(yīng)大變形的銅片止水帶。在抗震問題上，增加襯砌混凝土厚度，由非活動斷裂帶的0.5m增加至0.7m，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋，并加強(qiáng)初期支護(hù)措施；采取間隔深層固結(jié)灌漿，提高抗震性能，起灌范圍距襯砌外側(cè)1m開始到襯砌6m結(jié)束，設(shè)置了1m厚非固結(jié)灌漿緩沖層，可減緩斷層錯動對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞作用。

4 輸水隧洞抗斷措施綜合應(yīng)用

4.1 根據(jù)斷層性質(zhì)制定設(shè)防目標(biāo)

發(fā)震斷層黏滑型活動具有突發(fā)性，抗震措施只能減輕震損，隧洞設(shè)防應(yīng)以“減輕震損、震后可修”為目標(biāo)。在隧洞設(shè)計時不僅要考慮抗震措施，還應(yīng)制定震后修復(fù)或重建預(yù)案，并預(yù)留必要的施工條件。如對水工輸水隧洞，除加強(qiáng)一次支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，應(yīng)重視圍巖加固，加強(qiáng)圍巖固結(jié)灌漿，增加圍巖自身穩(wěn)定性，避免斷層錯斷時圍巖成為松散體，還可以減少斷層帶向洞內(nèi)的滲水量，為隧洞檢修或搶險創(chuàng)造較好的工作條件。在發(fā)震時能盡快切斷發(fā)震斷裂上游來水，避免水流加劇隧洞破壞。無震斷層蠕滑型活動表現(xiàn)為持續(xù)性，隧洞設(shè)防應(yīng)以“服役期內(nèi)正常運(yùn)行”為目標(biāo)，即在工程服役期內(nèi)斷層預(yù)設(shè)蠕滑位錯量的基礎(chǔ)上，通過必要且充分的抗斷措施消除位錯對隧洞的影響，使隧洞在服役期內(nèi)正常運(yùn)行，無需或僅需少量維護(hù)[8]。

4.2 綜合采取多種適用抗斷技術(shù)

輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)既要承擔(dān)外部圍巖壓力和高外水壓力作用，又要承受內(nèi)部水壓力作用，要求襯砌結(jié)構(gòu)既要承載，又要防滲排水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時，輸水隧洞需要放空、斷水檢修，檢修條件差。因此輸水隧洞穿越活斷層的抗斷設(shè)計更為復(fù)雜，要求更高，在抗斷設(shè)計中往往需要采用多種技術(shù)措施相結(jié)合思路。從已建工程看，采取“超挖預(yù)留變形+設(shè)置柔性連接段” 是目前最為常用的應(yīng)對思路。對于活動斷層帶范圍較大、或在勘測設(shè)計階段還不能查明斷層運(yùn)動范圍，以及隧洞斷面較大的情形，采用以設(shè)置柔性連接段為主，輔以其他抗斷措施，能夠做到針對性主動設(shè)防且易于實施；對于探明活動斷層帶范圍較小，以及隧洞斷面較小的情形，則采用擴(kuò)挖雙層襯砌或洞內(nèi)明管設(shè)計，輔以其他抗斷措施較為合適[9- 12]。

5 結(jié)語

目前國內(nèi)外對于隧洞抗錯斷措施的機(jī)理研究主要以工程經(jīng)驗和概念設(shè)計為主。穿越活斷層隧洞工程應(yīng)對措施要進(jìn)行適應(yīng)性評價，綜合采用多種設(shè)計思路相結(jié)合的方法，以盡可能保證隧洞工程的安全。輸水隧洞除采取合理抗斷措施外，配套防水措施及運(yùn)行監(jiān)測工作等也應(yīng)予以充分重視。