梅潤雨 何驍 王義深 李建賀 和晉羽 崔臻

收稿日期：

2023-05-03

基金項(xiàng)目：

云南省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（202102AF080001）

作者簡介：

梅潤雨，男，工程師，博士，主要從事水工建筑物抗震分析和安全評價(jià)方面的研究工作。E-mail：meirunyu@163.com

通信作者：

王義深，男，工程師，主要從事大型水利水電工程建設(shè)管理工作。E-mail：332704146@qq.com

引用格式：

梅潤雨，何驍，王義深，等.穿越活動(dòng)斷層輸水隧洞病害研究進(jìn)展

［J］.水利水電快報(bào)，2024，45（1）：44-51.

摘要：

穿越活動(dòng)斷裂帶及大型城鎮(zhèn)的輸水隧洞，具有洞線長、埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。為研究穿越活動(dòng)斷裂帶的輸水隧洞病害，歸納總結(jié)了關(guān)于穿越活動(dòng)斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和損傷特征等方面的研究成果，對汶川地震和臺(tái)灣集集地震災(zāi)區(qū)位于活動(dòng)斷裂帶影響范圍內(nèi)的隧洞結(jié)構(gòu)破壞統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理，分析隧洞病害的主要特點(diǎn)、產(chǎn)生原因、破壞機(jī)理與案例病害類型，并將病害等級分成無病害、輕度病害、中度病害和嚴(yán)重病害4級。最后對隧洞病害處理措施進(jìn)行歸納，并提出相應(yīng)處置建議。研究結(jié)果可為輸水隧洞病害的歸類與處置提供參考。

關(guān)鍵詞：

活動(dòng)斷層； 輸水隧洞； 病害機(jī)理； 病害類型； 病害處置措施

中圖法分類號：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.008

文章編號：1006-0081（2024）01-0044-08

0? 引? 言

為解決水資源空間分布不均問題，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，長距離跨流域調(diào)水工程很有必要。在中國水資源相對豐富的青藏高原、云貴高原等的一批重大取調(diào)水工程中，如滇中引水工程、引大濟(jì)湟工程，輸水隧洞占其重要組成部分。由于受到總體線路布置、地形和地質(zhì)等條件限制，輸水隧洞無法避開穿越活動(dòng)斷裂帶。斷裂帶活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致隧洞襯砌開裂、剝落、剪切錯(cuò)位，甚至導(dǎo)致隧洞無法正常運(yùn)行。較典型的是克萊爾蒙特（Claremont）輸水隧洞，其隧洞軸線與走滑活動(dòng)斷層海沃德（Hayward）斷裂帶呈近垂直相交。由于發(fā)生13英寸（33.02 cm）的蠕滑錯(cuò)斷（圖1），導(dǎo)致隧洞不能正常運(yùn)行，在2006年于活動(dòng)斷裂段旁重建，耗時(shí)3 a，耗費(fèi)巨大。諸多案例表明，活動(dòng)斷裂帶附近的隧洞結(jié)構(gòu)極易遭受嚴(yán)重破壞［1-2］，不利于輸水隧洞的長期運(yùn)行安全。然而，目前關(guān)于穿越活動(dòng)斷層帶的隧洞工程設(shè)計(jì)和應(yīng)對措施均以避讓處理為主，沒有給出明確處置建議［3］。本文通過對穿越活動(dòng)斷層隧洞病害機(jī)理、研究方法和相關(guān)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)整理，分析病害的主要特點(diǎn)。綜合對比分析穿越活動(dòng)斷層既有的隧洞案例病害類型，并進(jìn)行初步總結(jié)。最后對隧洞病害處理措施進(jìn)行系統(tǒng)整理，提出針對輸水隧洞病害的處置建議。

1? 穿越活動(dòng)斷層的隧洞病害產(chǎn)生機(jī)理

1.1? 活動(dòng)斷層分類

活動(dòng)斷層是現(xiàn)今仍在活動(dòng)或近代地質(zhì)時(shí)期曾有過活動(dòng)，將來還可能重新活動(dòng)的斷層。根據(jù)斷層的運(yùn)動(dòng)形式，活動(dòng)斷層分為黏滑型和蠕滑型。

黏滑型活動(dòng)斷層表現(xiàn)為間歇性突然滑動(dòng)，屬于潛在突發(fā)性地震災(zāi)害源，比較典型的是汶川地震。汶川地震是青藏高原在運(yùn)動(dòng)過程中遭到華南活動(dòng)地塊的強(qiáng)烈阻擋導(dǎo)致沿映秀-北川段出現(xiàn)斷裂并突然發(fā)生錯(cuò)動(dòng)引起。根據(jù)汶川地震的震后調(diào)查，跨活動(dòng)斷層隧道結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重，部分段落甚至出現(xiàn)了二次襯砌垮塌、圍巖垮塌等嚴(yán)重震害［4］。

蠕滑型活動(dòng)斷層表現(xiàn)為持續(xù)性連續(xù)滑動(dòng)，屬無震的地質(zhì)災(zāi)害源，比較典型的是美國加州舊金山的伯克利山（Berkeley Hills）隧道。該隧道穿越海沃德活動(dòng)斷層，從1969年到1981年12 a間，在監(jiān)測的67.1 m寬的洞段內(nèi)發(fā)生了約80 mm的右旋偏移，導(dǎo)致海沃德斷層上盤附近的襯砌出現(xiàn)了較多的軸向壓剪裂紋［5］。

1.2? 穿越活動(dòng)斷層隧洞設(shè)計(jì)方法

根據(jù)國內(nèi)外穿越活動(dòng)斷層隧洞工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，隧道工程抗錯(cuò)斷防護(hù)設(shè)計(jì)可以歸納為擴(kuò)挖設(shè)計(jì)、鉸接設(shè)計(jì)及隔離消能設(shè)計(jì)三大類。

擴(kuò)挖設(shè)計(jì)即根據(jù)活動(dòng)斷層可能的錯(cuò)動(dòng)量，擴(kuò)大隧道斷面尺寸，如圖2所示。在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)大的隧道斷面尺寸可以保證隧道斷面的凈空面積，盡可能減小錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的隧道結(jié)構(gòu)破壞。擴(kuò)挖量主要依據(jù)活動(dòng)斷層的錯(cuò)動(dòng)方式及錯(cuò)動(dòng)量確定。

鉸接設(shè)計(jì)指盡量減小隧洞節(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(dú)立，各剛性隧洞節(jié)段間采用剛度相對較小的柔性連接，如圖3所示。在斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)，破壞將集中在連接部位或結(jié)構(gòu)局部，而不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性破壞。

隔離消能設(shè)計(jì)是指采用鋼筋混凝土復(fù)合襯砌，由初期支護(hù)、二次襯砌和中間回填柔性材料組成，如圖4所示，其設(shè)計(jì)思路是外柔內(nèi)剛，盡可能將地層蠕變和地震引起突變的位移吸收消化在初期支護(hù)和中間的緩沖層上，從而不影響二次襯砌的正常使用。

一般而言，超挖設(shè)計(jì)是最有效的抗斷防護(hù)對策，但如果隧洞通過斷層帶的區(qū)間較長，則擴(kuò)大橫斷面開挖面積會(huì)使工程成本增加很多。因此，超挖設(shè)計(jì)適用于斷層帶寬度較小的情況。鉸接設(shè)計(jì)適合于斷層帶區(qū)間較長或隧洞具有很大斷面面積的情況。

1.3? 穿越活動(dòng)斷層隧洞破壞機(jī)理

活動(dòng)斷層在發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)，圍巖沿著錯(cuò)動(dòng)縫發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，在圍巖約束作用下，襯砌將發(fā)生一定變形，如圖5所示。在活動(dòng)盤、固定盤與斷層帶交界處，活動(dòng)盤范圍內(nèi)沿著錯(cuò)動(dòng)方向的襯砌邊墻處于受拉狀態(tài)，背對著錯(cuò)動(dòng)方向的襯砌邊墻則呈現(xiàn)受壓趨勢；在固定盤內(nèi)，斷層圍巖處于固定狀態(tài)，但在錯(cuò)動(dòng)影響下，兩盤與斷層帶交界處，固定盤范圍內(nèi)襯砌邊墻的受力狀態(tài)同活動(dòng)盤范圍內(nèi)的襯砌相反［6-8］。

圖5所示的斷層錯(cuò)動(dòng)下襯砌應(yīng)變響應(yīng)是較理想化的情況，隧洞與斷層垂直相交。在實(shí)際工程中，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律與斷層特征因素及隧洞結(jié)構(gòu)特征因素相關(guān)。從隧洞名稱、斷層運(yùn)動(dòng)型式、斷層特征因素、隧洞特征因素、分析方法和軟件及分析內(nèi)容6個(gè)方面，對相關(guān)學(xué)者關(guān)于穿越活動(dòng)斷層隧洞破壞機(jī)理研究成果進(jìn)行了歸納，見表1。

目前主要分析方法主要有3種：數(shù)值分析方法（包括三維有限元法、三維有限差分法和三維離散元法）、彈性地基梁理論分析方法和物理模型試驗(yàn)。分析內(nèi)容主要是從隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力、應(yīng)力及裂縫變化特征等方面來評價(jià)不同影響因素作用下襯砌的破壞特點(diǎn)。分析的隧洞類型包含水工隧洞、公路隧洞和鐵路隧洞。斷層主要特征因素包括隧洞同斷層的空間相對位置關(guān)系以及斷層活動(dòng)性質(zhì)，見圖6。隧洞和活動(dòng)斷層的空間相對位置關(guān)系受斷層的走向及傾向、隧洞的埋深控制。斷層活動(dòng)性質(zhì)包括斷層運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)形式、寬度、圍巖力學(xué)性質(zhì)以及錯(cuò)動(dòng)量等因素，見圖7。隧洞結(jié)構(gòu)主要特征因素除了上述介紹的三大類抗錯(cuò)斷防護(hù)設(shè)計(jì)方法外，還包括襯砌結(jié)構(gòu)尺寸及形狀。

相關(guān)研究表明，增加襯砌厚度、減小隧洞斷面直徑、增加隔離消能層和提高襯砌強(qiáng)度等措施均可有效提高隧洞的抗錯(cuò)斷性能。對于鉸接設(shè)計(jì)，減小襯砌節(jié)段長度、適當(dāng)增加設(shè)防范圍可以有效提高鉸接隧洞的抗錯(cuò)斷性能。斷層錯(cuò)動(dòng)量的大小、斷層寬度及斷層埋深對隧洞襯砌的破壞有重要影響，斷層錯(cuò)動(dòng)量增加、斷層寬度增加以及隧洞埋深增加均會(huì)加大隧洞襯砌的破壞程度。對于隧洞斷面形式，圓形斷面抗錯(cuò)斷能力優(yōu)于馬蹄形斷面。隧洞穿越斷層帶的最佳夾角為90°，當(dāng)隧洞洞軸線與斷層夾角較小時(shí)，斷層錯(cuò)動(dòng)作用影響范圍較大，隧洞更有可能遭受嚴(yán)重破壞。

2? 穿越活動(dòng)斷層輸水隧洞病害分類

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的破壞與眾多影響因素相關(guān)。隧洞襯砌應(yīng)力、應(yīng)變和變形等指標(biāo)在超過一定閾值后，襯砌結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)裂縫與混凝土剝落，在嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生隧洞坍塌等病害現(xiàn)象。經(jīng)過對比分析，輸水隧洞和公路隧洞、鐵路隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在活動(dòng)斷裂帶作用下的破壞機(jī)理相似，不同類型的隧洞發(fā)生的破壞特征無較大差異。

通過物理模型試驗(yàn)，在一定程度上揭示了隧洞的破壞特征。周光新［19］通過試驗(yàn)結(jié)果得出，在走滑斷層錯(cuò)斷作用下，鉸接隧洞整體呈“S”形變形，其破壞多表現(xiàn)為襯砌節(jié)段間鉸接結(jié)構(gòu)破壞，節(jié)段間發(fā)生大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和錯(cuò)臺(tái)，少數(shù)情況下襯砌節(jié)段發(fā)生壓剪破壞。Liu等［22］通過研究表明在斷層活動(dòng)作用下，上覆松散地層中將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)斷層破裂，這些斷裂延伸到地表，形成三角形剪切帶，穿過斷層帶的隧道襯砌承受較大的不均勻位移，產(chǎn)生彎曲破壞或剪切破壞。孫飛［20］的試驗(yàn)結(jié)果表明隧道襯砌在受斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下，隧道結(jié)構(gòu)裂縫種類包括縱向裂縫、環(huán)向裂縫及斜裂縫，斷層帶內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)損壞最為嚴(yán)重。

雖然上述學(xué)者對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行了分析，但根據(jù)實(shí)際穿越活動(dòng)斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)破壞情況來看，試驗(yàn)所表征的隧洞病害類型與實(shí)際仍有一定差別?？紤]到穿越活動(dòng)斷裂帶輸水隧洞破壞案例較少，本文通過分析已經(jīng)發(fā)生的汶川大地震穿越活動(dòng)斷裂帶公路隧洞和集集地震震區(qū)引水隧洞的破壞情況，對輸水隧洞病害類型進(jìn)行總結(jié)。

汶川大地震災(zāi)區(qū)共有6座隧道穿越斷層破碎帶，見表2，酒家埡隧洞、友誼隧洞和白云頂隧洞是最嚴(yán)重的破壞類型，為二襯坍塌，龍溪隧道發(fā)生了最為嚴(yán)重的隧道垮塌的震害類型［28-30］。以龍溪隧道F8斷層為例，相較于普通段隧道，穿越斷層破碎帶的隧道結(jié)構(gòu)震害更為嚴(yán)重，震害類型主要有：襯砌開裂、襯砌滲水、襯砌錯(cuò)臺(tái)、二襯坍塌、混凝土剝落、施工縫開裂和隧道垮塌（襯砌與圍巖均垮塌）等，見圖8。其中，出現(xiàn)比例最高的病害是二次襯砌垮塌，占比40.10%，其次是襯砌開裂，占比29.69%。隧道垮塌占比雖為1.04%，但此種情況下隧洞功能已完全喪失。

中國臺(tái)灣省集集大地震由車籠埔斷層逆沖引起，斷層錯(cuò)動(dòng)區(qū)所受震動(dòng)強(qiáng)度最大。震區(qū)中僅有一座石崗壩引水隧道位于錯(cuò)動(dòng)區(qū)，因地表有4 m垂直錯(cuò)動(dòng)位移，隧道沿線襯砌有多處剝落，隧道無法通水。隧洞主體結(jié)構(gòu)病害類型主要為襯砌龜裂、襯砌剝落、襯砌錯(cuò)動(dòng)開裂、鋼筋外露、伸縮縫及施工縫位移、滲漏水和隧道主體落盤路面。

區(qū)別于公路隧道和鐵路隧道，輸水隧洞長期有水運(yùn)行，當(dāng)內(nèi)水壓力高于外水壓力，在活動(dòng)斷裂帶錯(cuò)動(dòng)作用下，襯砌極有可能產(chǎn)生滲漏通道，導(dǎo)致隧洞內(nèi)水外滲，繼而影響圍巖容重以及降低巖體強(qiáng)度［31］；當(dāng)外水壓力高于內(nèi)水壓力時(shí)，斷裂帶活動(dòng)導(dǎo)致圍巖和襯砌發(fā)生破壞，原有的圍巖滲控體系將會(huì)發(fā)生改變，外水會(huì)沿著新產(chǎn)生的滲漏通道流向洞內(nèi)，長時(shí)間后會(huì)將襯砌背后中圍巖內(nèi)部的細(xì)小顆粒沖走，降低圍巖的穩(wěn)定性［32］。

根據(jù)以上分析，可將過活動(dòng)斷層輸水隧洞病害類型分為4個(gè)方面：結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)損壞、滲漏水和附屬結(jié)構(gòu)物損壞。結(jié)構(gòu)變形包括襯砌局部隆起和塌陷、襯砌變形、襯砌錯(cuò)臺(tái)；結(jié)構(gòu)損壞包括襯砌開裂、襯砌剝落、二次襯砌開裂；滲漏水包括襯砌滲水、襯砌突水；附屬結(jié)構(gòu)物損壞主要為鉸接結(jié)構(gòu)破壞。

3? 穿越活動(dòng)斷層輸水隧洞病害分級

隧洞襯砌病害的嚴(yán)重程度直接關(guān)系到隧洞結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。在對實(shí)際產(chǎn)生的病害進(jìn)行分類后，需要對病害進(jìn)行分級，以確定其嚴(yán)重程度，方便后續(xù)制定相關(guān)措施進(jìn)行處理。

王文禮等［33］通過整理汶川地震波及的公路隧道和鐵路隧道震害資料，基于隧道震害程度和與斷層距離兩項(xiàng)因素，將震害分為4種類型：重度災(zāi)害、中度災(zāi)害、輕度災(zāi)害和無災(zāi)害?；谏鲜鲆r砌破壞類型，重度災(zāi)害包括襯砌錯(cuò)臺(tái)、二次襯砌垮塌和隧洞垮塌；中度災(zāi)害包括混凝土剝落和襯砌開裂且裂縫走向清晰；輕度災(zāi)害包括襯砌滲水、施工縫開裂和襯砌開裂且無明顯裂縫走向。

中國臺(tái)灣省集集大地震發(fā)生后，根據(jù)公路隧道能否安全通行，將隧道損害程度分為3個(gè)類別，見表3［33-34］。其中受損輕微占55%，受損中等占20%，受損嚴(yán)重占25%，受損以襯砌龜裂為主。

在JTG H12-2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中，根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)裂損情況、變形情況和背后空洞分布情況制定了襯砌破損技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)，將襯砌破損狀態(tài)分為5個(gè)級別。

由于一般混凝土襯砌裂縫寬度可以有效地反映結(jié)構(gòu)的損傷程度，其經(jīng)常被用作輸水隧洞結(jié)構(gòu)性能評估的指標(biāo)。根據(jù)SL 279-2016《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定和過鎮(zhèn)海［35］的試驗(yàn)結(jié)果，Zhong等［26］根據(jù)4種裂縫寬度范圍給出了輸水隧洞4種損傷狀態(tài)：無損傷、輕微損傷、中度損傷和嚴(yán)重破壞，見表4。

輸水隧洞病害分級需要根據(jù)隧洞能否正常輸水為評判標(biāo)準(zhǔn)，除了襯砌的破壞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)考慮活動(dòng)斷裂帶上下盤豎向錯(cuò)動(dòng)量對隧洞局部水流流態(tài)的影響程度。一旦上下盤發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，對于無壓輸水隧洞，除了增加隧洞的局部水頭損失，在嚴(yán)重情況下錯(cuò)動(dòng)量超過一定范圍將可能造成隧洞內(nèi)壅水，使隧洞凈空不滿足規(guī)范要求。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究成果以及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合輸水隧洞的特點(diǎn)，其分級可參考公路隧道和鐵路隧道襯砌破壞的分級標(biāo)準(zhǔn)，從結(jié)構(gòu)變形程度、結(jié)構(gòu)損壞程度、滲漏水程度、附屬結(jié)構(gòu)物損壞程度和對正常輸水功能的影響程度5個(gè)方面來綜合評價(jià)確定。病害等級分成4個(gè)等級：無病害、輕度病害、中度病害和嚴(yán)重病害，見表5，其中裂縫寬度評判標(biāo)準(zhǔn)可參考表4中描述。

4? 隧洞病害處置措施

對隧洞病害進(jìn)行分類分級后，為保證隧洞結(jié)構(gòu)的安全性和功能性，需要根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)查結(jié)果制定隧洞病害處置措施。

張偉等［36］結(jié)合引灤入津輸水隧洞，總結(jié)了輸水隧洞節(jié)段伸縮縫缺陷、襯砌裂縫、低強(qiáng)混凝土、脫空洞段等病害的治理技術(shù)。劉美玲［37］系統(tǒng)總結(jié)了輸水隧洞襯砌混凝土裂縫處理對策，闡述了表面裂縫修補(bǔ)措施、灌漿嵌縫封堵裂縫措施以及結(jié)構(gòu)加固措施的施工方式。秦敢［38］系統(tǒng)評價(jià)了拱頂欠厚對穿黃隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的影響，分析拱頂回填混凝土和內(nèi)貼鋼板等加固方案的可行性。Fei等［39］收集整理90條國內(nèi)高速公路隧洞病害相關(guān)信息，總結(jié)結(jié)合病害嚴(yán)重程度，對于輕微病害，采用化學(xué)注漿、表面密封和灌漿等常規(guī)的修復(fù)方法，其中灌漿方法采用最多（32條隧道）；中等病害可使用纖維復(fù)合材料、鋼板（帶）、鋼拱架和套拱等措施來處理，其中套拱采用最多（35條隧道）；對于嚴(yán)重病害，通過維修措施很難改善隧道的狀況，需要采用更換措施。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究成果，無論是輸水隧洞，還是公路、鐵路隧洞，隧洞病害的處置措施通常分為修復(fù)、加固和更換3類。

對于運(yùn)行期穿越活動(dòng)斷裂帶的輸水隧洞，在運(yùn)行過程中對斷層位移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，定期對襯砌狀態(tài)進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)輕度（等級B）及以上的病害應(yīng)及時(shí)采取措施對襯砌進(jìn)行修復(fù)和加固，避免病害進(jìn)一步惡化。對于地震作用下的黏滑破壞情況，針對輸水隧洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同的恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)和階段制定相應(yīng)的處置措施。

對于B類輕度病害的隧洞，對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)并局部補(bǔ)強(qiáng)后達(dá)到原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對于C類中度病害的隧洞，應(yīng)采用拆除重建或加固補(bǔ)強(qiáng)后達(dá)到現(xiàn)有設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。對于D類等級，需對地震病害段進(jìn)行重建，并按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。

公路和鐵路隧洞將震害處置分為3個(gè)階段：搶通、保通和恢復(fù)重建［40］。對于長距離輸水隧洞，其在不停水情況下進(jìn)行檢修和修復(fù)非常困難，地震發(fā)生后，需對隧洞病害進(jìn)行較為徹底的處理后才能正常通水，因而可將其病害處置分為2個(gè)階段：應(yīng)急搶險(xiǎn)階段和恢復(fù)重建階段。

在應(yīng)急搶險(xiǎn)階段，應(yīng)緊急切斷上游來水后，觀察隧洞內(nèi)水位變化情況，初步判斷隧洞內(nèi)是否因?yàn)樘鷮?dǎo)致隧洞內(nèi)水流不易排出。待判斷隧洞內(nèi)水流穩(wěn)定后，可先安排機(jī)器人探查等手段對隧洞內(nèi)的情況進(jìn)行初步檢查，查看隧洞襯砌的穩(wěn)定情況以及是否有二次混凝土剝落、掉塊或局部垮塌的洞段。確認(rèn)隧洞內(nèi)狀況相對穩(wěn)定且隧洞內(nèi)無明顯積水后，應(yīng)及時(shí)對隧洞內(nèi)掉塊、垮塌體進(jìn)行清理，接著采用噴混凝土或安設(shè)型鋼鋼架等臨時(shí)支護(hù)措施加固圍巖，防止圍巖進(jìn)一步破壞。

在恢復(fù)重建階段，首先通過專業(yè)儀器設(shè)備對隧洞進(jìn)行全面詳細(xì)的檢測評估，并根據(jù)檢測結(jié)果提出經(jīng)濟(jì)可行的處理方案。對于二次襯砌掉塊、嚴(yán)重開裂和垮塌洞段，可采用型鋼鋼架和鋼管片處理等方式。對于襯砌滲漏水，應(yīng)根據(jù)滲漏量、滲漏部位以及滲漏形式采取相應(yīng)的處置措施，防止進(jìn)一步滲水，應(yīng)對因內(nèi)水外滲導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低的洞段圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，對因外水內(nèi)滲的洞段，應(yīng)檢查襯砌后是否存在空腔現(xiàn)象，及時(shí)灌漿處理增加圍巖強(qiáng)度。對于襯砌裂縫較小的洞段可用嵌補(bǔ)法、外貼碳纖維布和黏貼鋼板等方式進(jìn)行加固。對于襯砌開裂嚴(yán)重的洞段，可采用面層和鋼拱架等方式進(jìn)行加固。對于垮塌段，應(yīng)采用套拱加固、換拱加固以及注漿加管棚的方法進(jìn)行處置。因錯(cuò)臺(tái)造成隧洞輸水功能受到影響的洞段，應(yīng)通過對拆除局部襯砌，擴(kuò)挖圍巖，復(fù)建襯砌等方式恢復(fù)隧洞正常輸水功能。

5? 結(jié)? 語

本文通過匯總相關(guān)學(xué)者關(guān)于穿越活動(dòng)斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和損傷特征等方面的研究成果，以及對汶川地震和臺(tái)灣集集地震災(zāi)區(qū)位于活動(dòng)斷裂帶影響范圍內(nèi)的隧洞結(jié)構(gòu)破壞統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和整理，對穿越活動(dòng)斷層隧洞病害機(jī)理、隧洞病害類型以及隧洞病害處理措施進(jìn)行分析和研究。根據(jù)輸水隧洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了輸水隧洞病害分類、分級及相應(yīng)處理措施建議。

（1） 穿越活動(dòng)斷裂帶的輸水隧洞的破壞程度，受隧洞同斷層的空間相對位置關(guān)系以及斷層活動(dòng)性質(zhì)等斷層特征因素影響，以及抗錯(cuò)斷防護(hù)設(shè)計(jì)方案、襯砌結(jié)構(gòu)尺寸及形狀等隧洞結(jié)構(gòu)特征因素直接影響。

（2） 輸水隧洞病害分類可從結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)損壞、滲漏水和附屬結(jié)構(gòu)物損壞4個(gè)方面綜合評價(jià)來確定。

（3） 對于隧洞病害分級標(biāo)準(zhǔn)，可從結(jié)構(gòu)變形程度、結(jié)構(gòu)損壞程度、滲漏水程度、附屬結(jié)構(gòu)物損壞程度和對正常輸水功能的影響程度5個(gè)方面來綜合評價(jià)確定。

（4） 因斷裂帶活動(dòng)導(dǎo)致輸水隧洞產(chǎn)生病害，對蠕滑破壞應(yīng)及時(shí)觀察及時(shí)處理，黏滑破壞應(yīng)分不同標(biāo)準(zhǔn)和階段制定相應(yīng)方案進(jìn)行處理。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 崔光耀，王明年，于麗，等.汶川地震斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害分析及震害機(jī)理研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2013，46（11）：122-127.

［2］? 王文禮，蘇灼謹(jǐn)，林峻弘，等.臺(tái)灣集集大地震山岳隧道受損情形之探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（2）：52-60.

［3］? 丁秀麗，張雨霆，張傳健，等.隧洞穿越活動(dòng)斷層應(yīng)對措施及其適應(yīng)性研究綜述［J］.隧道與地下工程災(zāi)害防治，2019，1（1）：20-35.

［4］? 崔光耀，伍修剛，王明年，等.汶川8.0級大地震公路隧道震害調(diào)查與震害特征［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（2）：9-16.

［5］? ROGE R，PECK R.Engineering geology of the bay area rapid transit （BART） system，1964-75［EB/OL］.California，USA：Geolith Consultants，Inc.，2000.［2018-06-11］.http：∥sonic.net/～mly/www.Geolith.com/bart/#orinda.

［6］? 崔金鵬，杜威，鄢雙紅.紅層軟巖導(dǎo)流隧洞洞徑與洞形對圍巖穩(wěn)定性影響研究［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（4）：54-60.

［7］? 楊啟貴，李建賀.深埋軟巖隧洞圍巖-支護(hù)體系安全控制研究［J］.人民長江，2021，52（5）：139-148.

［8］? UCKAN E，AKBAS B，SHEN J，et al.A simplified analysis model for determining the seismic response of buried steel pipes at strike-slip fault crossings［J］.Soil Dynamics & Earthquake Engineering，2015（75）：55-65.

［9］? 趙伯明，劉洋.斷層錯(cuò)動(dòng)對隧道的影響分析［J］.華南地震，2009，29（1）：33-41.

［10］? 耿萍，何悅，曹東杰，等.不同傾角斷層對隧洞圍巖穩(wěn)定性影響［J］.鐵道建筑，2012（12）：43-46.

［11］? MILAD Z，MASOVD R，DANIEL D，et al.Performance of segmental and shotcrete linings in shallow tunnels crossing a transverse strike-slip faulting［J］.Transportation Geotechnics，2020，23：100333.

［12］? RANJBARNIA M，ZAHERI M，DIAS S.Three-dimensional finite difference analysis of shallow sprayed concrete tunnels crossing a reverse fault or a normal fault：A parametric study［J］.Frontiers of Structural and Ciril Engineering，2020，14（4）：998-1011.

［13］? 馬亞麗娜，崔臻，盛謙，等.正斷層錯(cuò)動(dòng)對圍巖-襯砌體系響應(yīng)影響的離散-連續(xù)耦合模擬研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（11）：2088-2097.

［14］? 馬亞麗娜，盛謙，崔臻，等.基于三維離散-連續(xù)耦合方法的跨活動(dòng)斷裂隧洞錯(cuò)斷破壞機(jī)制研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2018，40（增2）：240-245.

［15］? 楊步云，陳俊濤，肖明.跨斷層地下隧洞襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及損傷機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2020，42（11）：2078-2087.

［16］? 劉學(xué)增，谷雪影，代志萍，等.活斷層錯(cuò)動(dòng)位移下襯砌斷面型式對隧道結(jié)構(gòu)的影響［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51（5）：71-77.

［17］? 馬亞麗娜，舒恒，崔慶龍，等.基于彈性地基梁理論的跨活斷層隧道圍巖-襯砌體系破壞機(jī)制研究［J］.公路工程，2022，47（1）：63-73.

［18］? 馬亞麗娜，盛謙，崔臻，等.基于彈性地基梁理論的跨活斷裂隧洞縱向變形及內(nèi)力響應(yīng)特性研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2018，38（4）：715-722.

［19］? 周光新，盛謙，崔臻，等.走滑斷層錯(cuò)動(dòng)影響下跨活斷層鉸接隧洞破壞機(jī)制模型試驗(yàn)［J］.巖土力學(xué)，2022，43（1）：37-50.

［20］? 孫飛，張志強(qiáng)，易志偉.正斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2019，40（08）：3037-3044，3053.

［21］? 黃強(qiáng)兵，彭建兵，門玉明，等.地裂縫對地鐵明挖整體式襯砌隧道影響機(jī)制的模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（11）：2324-2331.

［22］? LIU X Z，LI X F，SANG Y L，et al.Experimental study on normal fault rupture propagation in loose strata and its impact on mountain tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2015（49）：417-425.

［23］? BAZIAR M H，NABIZADEH A，LEE C J，et al.Centrifuge modeling of interaction between reverse faulting and tunnel［J］.Soil Dynamics & Earthquake Engineering，2014，65：151-164.

［24］? 陶連金，殷福鸞，安韶.逆斷層錯(cuò)動(dòng)下淺埋地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征［J］.黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，30（1）：22-27.

［25］? 陶連金，安韶，邊金，等.跨活動(dòng)斷裂帶城市淺埋地鐵隧道結(jié)構(gòu)兩階段設(shè)計(jì)方法研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，51（9）：2558-2570.

［26］? ZHONG Z，WANG Z，ZHAO M，et al.Structural damage assessment of mountain tunnels in fault fracture zone subjected to multiple strike-slip fault movement［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2020，104（10）：103527.1-103527.15.

［27］? 劉國釗，喬亞飛，何滿潮，等.活動(dòng)性斷裂帶錯(cuò)動(dòng)下隧道縱向響應(yīng)的解析解［J］.巖土力學(xué)，2020，41（3）：923-932.

［28］? 崔光耀，伍修剛，王明年，等.汶川8.0級大地震公路隧道震害調(diào)查與震害特征［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（2）：9-16.

［29］? 崔光耀，王明年，于麗，等.汶川地震斷層破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)震害分析及震害機(jī)理研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2013，46（11）：122-127.

［30］? 崔光耀，王明年，林國進(jìn)，等.汶川地震區(qū)典型公路隧道襯砌震害類型統(tǒng)計(jì)分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22（1）：122-127.

［31］? 李建新.水及動(dòng)力荷載作用下淺伏采空區(qū)圍巖變形破壞研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2014.

［32］? 趙延林.裂隙巖體滲流—損傷—斷裂耦合理論及應(yīng)用研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

［33］? 王文禮，蘇灼謹(jǐn)，林峻弘，等.臺(tái)灣集集大地震山岳隧道受損情形之探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001（2）：52-60.

［34］? WANG W L，WANG T T，SU J J，et al.Assessment of damage in mountain tunnels due to the Taiwan Chi-Chi Earthquake［J］.Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research，2001，16（3）：133-150.

［35］? 過鎮(zhèn)海，張秀琴.砼受拉應(yīng)力-變形全曲線的試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1988（4）：45-53.

［36］? 張偉，趙前程，王崢.引灤入津輸水隧洞重點(diǎn)病害綜合治理技術(shù)與實(shí)踐［J］.海河水利，2020（5）：35-37.

［37］? 劉美玲.輸水隧洞襯砌混凝土裂縫成因及處理措施［J］.四川水泥，2021（6）：159-160.

［38］? QIN G，CAO S R，LAI X，et al.Effect of insufficient tunnel crown thickness on the post-tensioned concrete lining of the Yellow River Crossing Tunnel and its strengthening schemes［J］.Journal of Southeast University （English Edition），2018，34（3）：356-363.

［39］? FEI Y A，NAN Q A，XING L A，et al.Analyses of the defects in highway tunnels in China［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2021，107（1）：103658.1-103658.17.

［40］? 崔光耀，劉維東，趙瑞華，等.隧道結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害評價(jià)等級及處治技術(shù)研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（5）：74-78，105.

（編輯：唐湘茜，張? 爽）

Research progress of water conveyance tunnel defects crossing active faults

MEI Runyu1，HE Xiao2，WANG Yishen2，LI Jianhe1，HE Jinyu2，CUI Zhen3

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China；? 2.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.，Ltd.，Kunming 650000，China；? 3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

Water conveyance tunnels passing through active fault zones and large cities and towns were characterized by long tunnel lines，large burial depths and complex geological conditions.To study the defects of water conveyance tunnels crossing through active fault zones，the research results of relevant scholars on the structural deformation，stress，and damage characteristics of tunnels were analyzed.The statistical data of tunnel structure damage in affected areas of Wenchuan earthquake and Chichi earthquake were systematically collated，and the main characteristics，causes and damage mechanisms，and case types of tunnel defects were analyzed.The defect grades were divided into four levels： no defect，mild defect，moderate defect，and serious defect.The treatment measures for tunnel defects were summarized and corresponding disposal suggestions were proposed．

Key words：

active fault； water conveyance tunnel； defect mechanism； defect type； damage treatment measures