膠州灣第二海底隧道跨斷裂帶抗錯方案研究

陳立保，孫文昊，孫 州，武哲書

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，武漢 430063；3.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092；4.上海地下基礎設施安全檢測與養(yǎng)護裝備工程技術研究中心，上海 200092)

引言

海底隧道作為打破交通瓶頸、連通陸地的重要區(qū)域聯(lián)系方式，不僅有受氣候條件影響小的優(yōu)點，且具有較強的抗震性能。除不同于陸域山嶺隧道的海洋環(huán)境，海底隧道建設多位于地震活動強烈的大陸框架邊緣與島嶼，在建設過程中大數(shù)跨越不同地質(zhì)地層，甚至與活動斷裂帶相交，而活動斷裂帶對穿越其中的隧道極易造成錯動破壞，產(chǎn)生不可挽回的毀滅性后果[1]。海底隧道不同于陸域山嶺隧道，上方存在著水源補給，極易造成突涌水事故。因此，在臨近活動斷裂帶區(qū)域建設隧道前，需考慮斷層錯動對鉆爆法海底隧道結構安全性的潛在影響。

對于斷層錯動位移影響隧道結構安全性問題，國內(nèi)外學者做了大量研究。劉學增等[2-5]對不同斷層錯動量和傾角下穿越斷層隧道的結構力學響應進行了研究；劉凱等[6]采用數(shù)值模擬方法研究了高地應力區(qū)某穿越斷層破碎帶隧道圍巖空間應力場的狀態(tài)及其變化趨勢；熊煒等[7]對不同斷層因素下隧道襯砌受力特征進行分析，總結了正斷層環(huán)境下隧道襯砌的主要破壞形式；祁彬溪等[8]研究了斷層豎向錯動速率與斷層破碎帶交界面動摩擦系數(shù)對穿越斷層隧道的豎向位移和第一主應力影響；孟振江等[9]研究了斷裂錯動造成地層與隧道的變形響應特征，并對分段隧道結構的臨界位錯值進行了預測；張向陽等[10-13]通過數(shù)值模擬和相似模型試驗等方法研究了斷層錯動下隧道結構的破壞機理；閻錫東等[14]采用屬性測度分析理論對隧道塌方、結構失穩(wěn)風險事件進行分析，建立了隧道穿越活動斷裂帶風險評價模型；田升平等[15-17]學者通過數(shù)值模擬和模型試驗的方法提出了合理的隧道抗錯斷設計；趙坤等[18-20]從隧道襯砌鉸接設計和材料優(yōu)化方面入手，提出了具有適用性的抗錯斷參數(shù)；張頂立等[21-22]對隧道突涌水機制進行研究，指出了相關的施工要點和緊急預案。以往研究多針對錯動量較小的山嶺隧道，研究斷裂性質(zhì)、隧道尺寸等因素下隧道結構的抗錯斷設計，而對在高承壓水環(huán)境下隧道穿越活動斷裂帶的結構抗錯斷設計研究較少，需對此問題開展研究。

以青島膠州灣第二海底隧道工程為例，調(diào)研斷層錯動對隧道工程影響及抗錯斷設計方案，研究了4種不同抗錯斷方案下斷層錯動位移對主線鉆爆法隧道結構及剪切縫應力狀態(tài)、變形影響規(guī)律，提出主線鉆爆法隧道的合理抗錯斷措施及設計參數(shù)。

1 工程概況

膠州灣第二海底隧道工程橫跨膠州灣，連接青島市市北區(qū)與黃島區(qū)，意在構建完善的大青島全天候跨海交通體系，隧道穿越滄口斷裂帶。

滄口斷裂帶的走向在北段(金水路—海域北段)為38°～45°，南段(海域南段—黃島)約為45°，整體以北西為主，局部推測為南東，且傾角陡立，多為70°～88°。其形態(tài)呈區(qū)內(nèi)控制性斷裂，長70 km；主斷面寬5～10 m，一般以斷層泥、碎粉巖為主；斷裂破碎帶寬度一般為30～60 m，最寬可達到400 m，主要由碎裂巖化巖石、碎裂巖、構造角礫巖和斷層泥等組成。

2 類似工程案例調(diào)研

通過對國內(nèi)外類似案例進行調(diào)研，得到隧道穿越活動斷裂帶相關工程的斷層錯動特征及工程的抗錯斷設計方案，見表1。

表1 隧道穿越活動斷裂帶類似工程調(diào)研

3 計算模型與模擬方法

3.1 計算工況

根據(jù)過往案例和相關規(guī)范，主要考慮襯砌模寬、剪切縫寬度、剪切縫模量比和柔性層厚度4個參數(shù)進行抗錯斷措施分析，數(shù)值模擬主要計算工況見表2。

表2 鉆爆法隧道穿越斷裂帶的抗錯斷計算工況

3.2 斷層帶錯動特征

滄口斷裂是一條晚更新世活動斷裂，強變形帶“避讓帶”寬度推測上盤為(25±5)m，下盤為(15±5)m。滄口斷裂為具有右旋分量的正斷層，具有較高的角度(平均75°左右)，總體走向45°。滄口斷裂中段未來百年可能發(fā)生的單次事件垂直位錯為0.9 m 左右，水平位錯量約為垂直位錯量的0.2倍。滄口斷裂帶具體錯動特征如圖1所示。

圖1 滄口斷裂帶錯動特征示意

斷層水平位錯量OB為

OB=AO×cotα×cotβ

(1)

其中，AO為垂直位錯量，取0.9 m；α為斷裂傾角，取75°；β為斷裂與主張應力場夾角，取55°。

得到AB=AO/sinα=0.93 m，OB=0.24 m，BC=0.17 m。

3.3 計算模型

采用有限元軟件建立三維模型，模擬不同抗錯參數(shù)下斷層錯動位移對主線鉆爆法隧道結構及剪切縫應力狀態(tài)、變形的影響規(guī)律。數(shù)值模型建模范圍為110 m×216 m×140 m(x×y×z)，其中，模型上方水深20.4 m，隧道埋深78 m。襯砌厚度90 cm(初支30 cm，二襯60 cm)，如圖2所示。

圖2 有限元模型(單位：m)

襯砌與土體、襯砌與襯砌間均采用摩擦接觸，鋼筋嵌入襯砌混凝土，對于斷層考慮0.9 m豎向錯動位移、0.17 m橫向錯動位移及0.24 m縱深方向位移。斷層按正常地層模量的10%折減，影響帶按正常地層模量的30%折減，隧道開挖土體按所在區(qū)域地層模量的40%折減。地表以上施加20.4 m水壓力。

3.4 模型參數(shù)

根據(jù)勘察資料，青島膠州灣第二海底隧道鉆爆法穿越滄口斷裂帶區(qū)段的地層分布情況主要為微風化花崗巖，模型所用地層及隧道材料參數(shù)見表3、表4。

表3 模型地層參數(shù)

表4 隧道材料參數(shù)

4 隧道襯砌結構受力變形特征分析

跨斷層隧道在斷層錯動位移作用下易發(fā)生結構破壞，隧道不同位置襯砌會出現(xiàn)不同程度的裂縫和錯動位移。從抗錯設計原則角度分析，允許隧道發(fā)生可控范圍的錯動變形，從而減少隧道結構發(fā)生大面積破壞，減少后期隧道的維修量。根據(jù)以往研究和相關規(guī)范，分別選取結構豎向變形(拱頂與拱底位移差值)、襯砌最大壓應力、襯砌鋼筋應力以及接縫變形(接縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量)與破壞范圍作為結構受力變形的分析指標，提出合理的抗錯設防區(qū)域。

4.1 襯砌模寬對結構受力變形影響分析

4.1.1 襯砌結構變形

圖3為不同模寬襯砌豎向變形沿隧道軸線分布曲線，襯砌豎向變形值隨模寬增加而增大，但差值較小，正斷層發(fā)生的錯動位移使隧道變形在斷層破碎帶中線處達到最大值，隧道拱頂下沉、拱底隆起、隧道豎向向內(nèi)收斂，呈“橫鴨蛋”變形模式。

4.1.2 混凝土襯砌應力狀態(tài)

圖4為不同模寬襯砌混凝土壓應力沿隧道軸線分布曲線，襯砌最大壓應力水平隨模寬增加而提高，且在靠近破碎帶中線約30 m處達到混凝土抗壓強度，斷層破碎帶范圍內(nèi)襯砌最大壓應力呈不規(guī)則變化即出現(xiàn)混凝土壓潰。

4.1.3 襯砌鋼筋應力狀態(tài)

圖5為不同模寬沿隧道軸線鋼筋最大應力分布曲線(正值為拉應力，負值為壓應力)，鋼筋最大應力主要出現(xiàn)在模與模之間接縫位置處的拱頂與拱腰部位，可以看出，鋼筋應力受襯砌模寬影響不大。斷層破碎帶中線到上盤30 m范圍內(nèi)，至下盤30 m范圍內(nèi)的鋼筋均發(fā)生了受壓屈服。破碎帶中線至上盤32 m范圍內(nèi)，至下盤25 m范圍內(nèi)的鋼筋均發(fā)生了受拉屈服。即在破碎帶及影響帶區(qū)域，鋼筋在錯動位移作用下最大拉應力達到500 MPa，達到了鋼筋屈服強度。

4.1.4 襯砌接縫變形

圖6～圖8為不同模寬襯砌接縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量沿隧道軸線分布曲線，由圖可知，隨著襯砌模寬增大，襯砌最大接縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量均呈一定增大趨勢，最大值出現(xiàn)在近破碎帶中線上盤方向10～40 m內(nèi)，這是因為在斷層錯動影響下，隧道位于上盤部分向下發(fā)生的位移拖拽臨近襯砌向下移動，引起較大變形，使上盤靠近破碎帶中線區(qū)域襯砌豎向變形量沿隧道軸線變化較快，產(chǎn)生較大接縫變形。

圖6 不同模寬接縫張開量圖7 不同模寬接縫水平錯臺量圖8 不同模寬接縫豎向錯臺量

4.2 剪切縫寬度對襯砌結構受力變形影響分析

4.2.1 襯砌結構變形

圖9為不同剪切縫寬度下襯砌豎向變形沿隧道軸線分布曲線，可以看出，3種剪切縫寬度下，襯砌豎向最大收斂變形差異不大，基本在10.5 cm左右，且整體變化分布類似，最大值出現(xiàn)在破碎帶中線附近，上盤部分襯砌豎向位移變化較快，下盤部分稍緩。

4.2.2 混凝土襯砌應力狀態(tài)

圖10為不同剪切縫寬度下襯砌混凝土壓應力沿隧道軸線分布曲線，不同剪切縫寬度下襯砌混凝土壓應力水平差異不大，襯砌壓應力值急劇變化范圍均出現(xiàn)在距中線30～40 m內(nèi)，在斷層破碎帶區(qū)域混凝土襯砌出現(xiàn)壓潰。

4.2.3 襯砌鋼筋應力狀態(tài)

圖11為不同剪切縫寬度襯砌鋼筋應力變化曲線，可以看出，剪切縫寬度變化對襯砌鋼筋應力大小和分布范圍影響較小。

4.2.4 襯砌接縫變形

圖12～圖14為不同剪切縫寬度下襯砌接縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量沿隧道軸線分布曲線，可以看出，增大剪切縫寬度會增大襯砌的最大接縫張開量和最大水平錯臺量，但對襯砌最大豎向錯臺量幾乎沒有影響。

4.3 剪切縫材料模量對襯砌結構受力變形影響分析

4.3.1 襯砌結構變形

圖15為不同剪切縫模量襯砌豎向變形曲線，由圖可知，襯砌彈性模量變化不會影響到襯砌豎向位移大小和分布范圍。

4.3.2 混凝土襯砌應力狀態(tài)

圖16為不同剪切縫模量襯砌壓應力曲線，由圖可知，襯砌彈性模量變化對襯砌混凝土應力大小和分布影響較小。在錯動位移作用下，上盤襯砌頂部和下盤襯砌腰部受拉明顯，襯砌混凝土極限拉應力水平較小。斷層部分頂?shù)撞渴軌好黠@，襯砌混凝土極限壓應力水平較小。

圖9 不同剪切縫寬度襯砌豎向變形圖10 不同剪切縫寬度襯砌壓應力圖11 不同剪切縫寬度襯砌鋼筋應力圖12 不同剪切縫寬度接縫張開量圖13 不同剪切縫寬度接縫水平錯量圖14 不同剪切縫寬度接縫豎向錯臺

4.3.3 襯砌鋼筋應力狀態(tài)

圖17為不同剪切縫模量襯砌鋼筋應力曲線，由圖可知，襯砌彈性模量比變化不會影響到襯砌鋼筋應力大小和分布范圍。

圖15 不同剪切縫模量襯砌豎向變形圖16 不同剪切縫模量襯砌壓應力圖17 不同剪切縫模量襯砌鋼筋應力

4.3.4 襯砌接縫變形

圖18～圖20為不同剪切縫模量下襯砌接縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量沿隧道軸線分布曲線，由圖可知，隨剪切縫彈性模量減小，襯砌接縫最大張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量基本呈增大趨勢，而在彈性模量為500 MPa和250 MPa時，3個指標數(shù)值變化較小，整體水平較低，當剪切縫彈性模量為50 MPa時，襯砌接縫變形量整體水平明顯提高，最大值都位于斷層上盤。

4.4 柔性層厚度對襯砌結構受力變形影響分析

4.4.1 襯砌結構變形

圖21為不同柔性層厚度襯砌豎向變形曲線，由圖可知，襯砌最大豎向收斂變形隨柔性層厚度增大呈增大趨勢，變形量較大區(qū)段均處于破碎影響帶范圍，最大值均在破碎帶中線附近。

4.4.2 混凝土襯砌應力狀態(tài)

圖22為不同柔性層厚度襯砌壓應力曲線，由圖可知，襯砌混凝土壓應力水平隨柔性層厚度增大呈增大趨勢，壓潰范圍同樣呈增大趨勢。而當柔性層厚度為25 cm時，襯砌混凝土基本沒有被壓潰，受力基本處于安全狀態(tài)。

4.4.3 襯砌鋼筋應力狀態(tài)

圖23為不同柔性層厚度鋼筋拉應力曲線，由圖可知，鋼筋應力水平隨柔性層厚度增大呈增大趨勢，3種柔性層厚度下，鋼筋均未受拉屈服。

圖18 不同剪切縫模量接縫張開量圖19 不同剪切縫模量接縫水平錯臺圖20 不同剪切縫模量接縫豎向錯臺圖21 不同柔性層厚度襯砌豎向變形圖22 不同柔性層厚度襯砌壓應力圖23 不同柔性層厚度鋼筋拉應力

4.4.4 襯砌接縫變形

圖24～圖26為不同柔性層厚度下襯砌環(huán)縫張開量、水平錯臺量和豎向錯臺量沿隧道軸線分布曲線，由圖可知，隨柔性層厚度增大，隧道接縫最大張開量呈減小趨勢。最大水平錯臺量和最大豎向錯臺量受柔性層厚度影響較明顯，且當柔性層厚度為45 cm時，隧道接縫水平和豎向錯臺量最小。

圖24 不同柔性層厚度環(huán)縫張開量圖25 不同柔性層厚度環(huán)縫水平錯臺圖26 不同柔性層厚度環(huán)縫豎向錯臺

不同襯砌模寬、剪切縫寬度、剪切縫彈性模量以及柔性層厚度對襯砌受力變形影響對比見表5。由表5可知，不同襯砌模寬對接縫張開量、錯臺量影響較大，不同柔性層厚度對結構收斂變形和鋼筋應力影響較大，剪切縫寬度和彈性模量對襯砌整體抗錯效果影響較小。

表5 計算結果對比

5 隧道跨斷裂帶抗錯方案分析

5.1 隧道抗錯方案分析

通過以上4種不同抗錯斷措施研究斷層錯動對主線鉆爆法隧道的影響，得出以下結論。

(1)基于斷層帶走向和傾角方面的錯動特征，破碎帶上盤和下盤襯砌結構應力和變形特征是存在差異的。上盤遠離破碎帶區(qū)域結構應力和變形基本上是均勻分布的，而靠近破碎帶區(qū)域結構應力和變形特征數(shù)據(jù)是急劇變化的，隧道下盤結構特征曲線變化稍顯平緩。

(2)4種抗錯方案下斷層錯動位移對隧道襯砌結構的最大影響范圍為，破碎帶中線至上盤45 m(3.1D，D為開挖寬度14.5 m)，至下盤37 m(2.55D)。

(3)隨著襯砌模寬增大，隧道豎向收斂變形、襯砌應力水平和接縫變形量都呈增大趨勢，且在3種工況(模寬6，9，12 m)下，襯砌模寬為6 m時，抗錯效果較優(yōu)。

(4)在3種不同襯砌接縫寬度(0.5，0.75，1 m)下，混凝土襯砌變形、最大拉壓應力值相近。在3種工況下，襯砌鋼筋皆達到屈服強度發(fā)生破壞。當接縫寬度1 m時，接縫張開量、水平錯臺值最大，但豎向錯臺量最小。接縫寬度為0.5 m工況較優(yōu)。

(5)剪切縫彈性模量(500，250，50 MPa)的變化對隧道豎向收斂變形、混凝土襯砌的應力水平影響不大；在3種工況下，襯砌鋼筋皆達到屈服強度發(fā)生破壞；剪切縫彈性模量越小，襯砌接縫張開量、水平錯臺量、豎向錯臺量越大。剪切縫彈性模量為50 MPa時，抗斷效果較優(yōu)。

(6)隨著柔性層厚度(25，45，65 cm)增大，隧道襯砌豎向收斂變形增大，襯砌混凝土及鋼筋的應力水平呈增大趨勢。而接縫變形量在柔性層厚度為45 cm時，變形量相對較小。綜合考慮襯砌結構、接縫變形以及襯砌混凝土、鋼筋應力水平，柔性層厚度為45 cm時，抗斷效果較優(yōu)。

5.2 隧道抗錯斷方案建議

結合前期研究及相關工程案例調(diào)研，建議如下。

(1)將斷層帶在錯動作用下的影響區(qū)域劃分為2個區(qū)域，每個區(qū)域采用不同的抗錯動設計。例如在不同位置設置特殊變形縫分段處理，一般急劇變形區(qū)段每6 m設置特殊變形縫，一般區(qū)段每9 m設置特殊變形縫。

(2)抗震設防區(qū)域為上盤左邊界4D至下盤右邊界4D范圍，對此區(qū)域的隧道結構進行鏈條鉸鏈化抗錯設計，并加強襯砌配筋，增強縱向分布筋強度。

(3)采用模寬小、接縫小、柔性層大、預留變形量的抗錯斷設計，可選擇襯砌模寬為6 m，接縫寬度為0.5 m，剪切縫彈性模量為50 MPa以及柔性層厚度為45 cm的隧道抗錯設計。

(4)變形縫內(nèi)止水帶可以采用“W”形三元乙丙橡膠止水帶，隧道二襯結構內(nèi)側(cè)變形縫采用納米硅防水膠嵌縫，以此適應較大變形和擁有優(yōu)良的滲透結晶防水性。

6 結論

結合青島膠州灣第二海底隧道工程，通過對高水壓環(huán)境下隧道穿越大錯斷量活動斷裂帶的結構抗錯設計進行數(shù)值模擬分析，研究結論如下。

(1)結合國內(nèi)外隧道穿越活動斷裂帶的相關工程案例及數(shù)值模擬分析，提出了適用于水下穿越活動斷裂帶隧道結構抗錯斷設計參數(shù)。

(2)對比分析了不同襯砌模寬、剪切縫寬度、剪切縫模量比和柔性層厚度等不同抗錯措施下隧道襯砌結構受力變形特征，提出了合理的設防區(qū)域與設防范圍(上盤左邊界4D至下盤右邊界4D范圍)。

(3)建議在穿越活動斷裂帶的類似地質(zhì)海底隧道進行鉸鏈式抗錯設計，設置特殊變形縫及加強襯砌配筋，以適應大錯斷量活動斷裂帶地層對隧道變形的影響。