川藏鐵路隧道穿越活動斷裂帶工程措施探討

張 景，李國良，楊木高，劉國慶，陳敬軍，朵生君

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

引言

在建川藏鐵路緊鄰印度板塊與歐亞板塊強烈擠壓的喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)，在相鄰兩大板塊的碰撞、推擠作用下，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造變形十分強烈，活動斷裂和褶皺廣泛發(fā)育，是我國地殼活動最強烈的地區(qū)之一[1]。世界范圍內(nèi)隧道工程震害統(tǒng)計資料顯示，隧道結(jié)構(gòu)處于活動斷裂帶區(qū)域內(nèi)時，常出現(xiàn)襯砌坍塌、鋼筋斷裂、整環(huán)錯斷等嚴(yán)重震害[2]。川藏鐵路雅安至林芝段隧道共72座，隧線比約83%，其中，長度超過10 km的隧道達35座，全線隧道工程將多次穿越深大活動斷裂，其抗錯斷、抗震等設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)[3-4]。

針對隧道穿越活動斷裂帶工程措施已有一定研究基礎(chǔ)，李鵬[5]以西藏波密扎木至墨脫公路工程為依托，通過三維有限差分?jǐn)?shù)值計算，分析了擴挖、鉸接、消能3種隧道抗斷設(shè)計理念及實施效果；熊煒等[6]根據(jù)渭河盆地正斷層的結(jié)構(gòu)特征及活動形式，采用有限元方法模擬了正斷層環(huán)境下公路隧道襯砌的受力變形，針對斷層錯動量、斷層傾角、隧道埋深及隧道與斷層的交角4個主要因素，計算并歸納出襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式；何川等[7]對汶川地震中跨越斷層破碎帶隧道震害進行梳理，通過振動臺模型試驗及數(shù)值計算，對穿越斷層破碎帶隧道的動力響應(yīng)及震害機理進行了研究；劉學(xué)增等[8-10]通過室內(nèi)模型試驗，對不同傾角正斷層黏滑作用下隧道的破壞形態(tài)進行研究，得出不同斷層角度下隧道結(jié)構(gòu)的破壞機理；耿萍等[11]研究了穿越斷層破碎帶隧道在地震荷載作用下縱橫向動力響應(yīng)特性，據(jù)此研究了穿越斷層破碎帶隧道合理抗震設(shè)防長度；信春雷等[12]開展了跨斷層隧道不同抗減震措施振動臺試驗研究，提出跨斷層隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置減震縫或可變形結(jié)構(gòu)可有效減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，同時指出隧道結(jié)構(gòu)拱腳、仰拱是抗震加固的重點部位。

綜上所述，當(dāng)前隧道穿越活動斷裂帶的研究成果多集中在理論分析、數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗研究等方面，研究多以結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律、破壞機理為主，針對工程措施研究所采用的對象多為較理想化數(shù)學(xué)模型或經(jīng)高度簡化的相似模型，所提出的各項措施在工程上實用性未經(jīng)檢驗。

首先，針對國內(nèi)外隧道穿越活動斷裂帶的典型案例進行調(diào)研，將其采用的工程措施進行總結(jié)與分類；同時，對比分析了裝配式盾構(gòu)隧道、沉管隧道所采用的新型柔性接頭結(jié)構(gòu)，針對川藏鐵路活動斷裂特點，提出對川藏鐵路隧道穿越活動斷裂帶工程措施及基本設(shè)計參數(shù)，并提出下一步研究建議。

1 川藏鐵路隧道穿越活動斷裂帶概況

川藏鐵路雅安至林芝段主要有龍門山、瀾滄江、怒江3條一級構(gòu)造邊界斷裂，甘孜-理塘、金沙江、雅魯藏布江3條二級構(gòu)造邊界斷裂，沿線斷裂、褶皺密集發(fā)育，以深大活動斷裂為主控構(gòu)造。是現(xiàn)今地球上構(gòu)造活動最強烈、地貌演化最快的地區(qū)之一。線路自東向西依次穿越龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、理塘斷裂帶、金沙江斷裂帶、嘉黎斷裂帶等主干/分支斷裂，川藏鐵路雅林段隧道穿越活動斷裂帶概況如圖1所示。隧道工程穿越全新世活動斷裂帶共6條[13](表1)，均為走滑型斷裂，除嘉黎-迫龍藏布斷裂帶以右旋走滑為主外，其余5條均為左旋走滑，其中部分兼具逆沖或正斷分量?；顒訑嗔讶浠运藉e動為主，年均蠕滑錯動最大8.5 mm，未來強震中預(yù)計最大突發(fā)位錯量5～6 m，隧道結(jié)構(gòu)安全性將面臨極大考驗，是川藏鐵路長大隧道工程建設(shè)亟待解決的難題。

圖1 區(qū)域斷裂與線路位置關(guān)系[13]

表1所示工點以通麥隧道穿越嘉黎—迫龍藏布活動斷裂(F48)最具代表性。該斷裂帶為全新世活動斷裂，晚更新世末以來的年均活動速率為2～3 mm，最新活動性質(zhì)以右旋走滑為主，兼有逆沖分量，未來存在突發(fā)大震的可能，未來可能突發(fā)最大水平位錯量5～6 m(右旋走滑)。通麥隧道出口段DK1166+395～DK1166+810(415 m)以39°小角度通過該斷裂，斷層破碎帶及影響帶內(nèi)以混雜巖、碎裂巖、斷層泥礫、蝕變巖等為主，本段縱斷面及鉆孔巖芯照片如圖2所示，受活動斷裂帶擠壓、揉搓作用，斷裂帶內(nèi)圍巖破碎劇烈，蝕變帶內(nèi)圍巖破碎程度更甚，已呈泥沙狀，于隧道結(jié)構(gòu)受力非常不利，施工風(fēng)險較高。

表1 川藏鐵路雅林段隧道工程穿越活動斷裂帶概況[13]

圖2 通麥隧道穿越嘉黎迫龍藏布活動斷裂(F48)縱斷面

2 國內(nèi)外典型工程案例調(diào)研與分析

2.1 典型工程案例調(diào)研

2.1.1 土耳其Bolu隧道

土耳其Bolu公路隧道穿越North Anatolian走滑斷層，修建中采取“鉸接設(shè)計”思想來減少活動斷裂錯動對隧道整體安全性產(chǎn)生影響。設(shè)計中沿隧道縱向?qū)⑵浞譃殚L4.4 m的節(jié)段，節(jié)段之間采用剛度較小的襯砌進行連接，如僅采用40 cm厚噴射鋼纖維混凝土，不設(shè)置二次襯砌等措施，以期斷裂帶錯動引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞集中于節(jié)段之間低剛度連接部位，從而減輕襯砌主體結(jié)構(gòu)破壞[14]。

2.1.2 美國克萊爾蒙特輸水隧道

美國加利福尼亞南部克萊爾蒙特輸水隧道穿越Hayward走滑活動斷層(預(yù)測年均錯動量4.5～6.4 mm)，對穿越活動斷裂帶段的隧道斷面適當(dāng)進行擴挖，并每間隔1.5 m設(shè)置1個寬0.3 m剪切變形縫，變形縫處隧道縱向鋼筋斷開，提高輸水管道外隧道適應(yīng)斷層錯動變形的能力，內(nèi)部的輸水管道可隨著外部隧道錯動而變形，維持其使用功能[15]。克萊爾蒙特隧道柔性連接設(shè)計及隧道結(jié)構(gòu)變形如圖3所述。

圖3 克萊爾蒙特隧道鉸接設(shè)計及隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形示意(單位：m)

2.1.3 伊朗Koohrang-III輸水隧道

伊朗Koohrang-III輸水隧道以85°大角度穿越Zarab活動斷層，該斷層為正斷層，預(yù)計百年累積蠕滑量0.37 m。該隧道設(shè)計采用分段式襯砌結(jié)構(gòu)，節(jié)段之間設(shè)塑性鉸連接。設(shè)計理念與前述克萊爾蒙特輸水隧道類似，一般襯砌節(jié)段采用1.6 cm厚鋼制襯砌，外包1層45 cm厚鋼筋混凝土襯砌，節(jié)段之間的連接結(jié)構(gòu)采用1.6 cm厚鋼制襯砌，外包45 cm厚素混凝土襯砌，襯砌結(jié)構(gòu)橫、縱斷面如圖4所示[16]。

圖4 伊朗Koohrang-III輸水隧道穿越斷裂帶襯砌示意[16]

2.1.4 烏鞘嶺隧道

蘭新鐵路蘭武二線烏鞘嶺隧道在穿越活動斷層段首次采用擴挖設(shè)計理念，具體做法是在F7活動性斷層(左旋逆走滑斷層，預(yù)測年均水平錯動量2.08～2.5 mm，垂直錯動量0.06～0.027 mm)內(nèi)部采用內(nèi)輪廓直徑為8.76 m的圓形襯砌，內(nèi)輪廓凈高滿足接觸網(wǎng)懸掛空氣絕緣距離要求，同時預(yù)留了百年位移量(按水平25 cm，垂直5 cm設(shè)計)，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；沿隧道縱向每隔25 m設(shè)置1道變形縫[17]。烏鞘嶺隧道活動斷裂帶襯砌斷面設(shè)計如圖5所示。

圖5 烏鞘嶺隧道活動斷裂帶設(shè)計斷面(單位：mm)[17]

2.1.5 高黎貢山隧道

大瑞鐵路高黎貢山隧道分別穿越鎮(zhèn)安活動斷裂及勐冒活動斷裂，二者均屬龍陵—瀾滄斷裂，該斷裂的年均水平滑動1.07～2.59 mm，其未來百年內(nèi)最大右旋位移量估計值為(2.51±0.66)m，為晚更新世—全新世活動斷裂[18]?？紤]隧道運營期內(nèi)受斷層蠕滑錯動作用，為隧道內(nèi)凈空預(yù)留出錯動變形及維護加固空間，此隧道預(yù)留變形量35 cm，隧道每隔20 m設(shè)1道抗震縫[19]。

2.1.6 西安地鐵穿越地裂縫

西安市地裂縫活動一般表現(xiàn)為正斷層特性，通過分析地裂縫年平均活動速率和歷史最大活動量，預(yù)測地裂縫百年最大位移值為50 cm。通過研究提出：正交條件下地鐵隧道在地裂縫活動地段的設(shè)防寬度為60 m，其中，上盤為35 m，下盤為25 m；沿隧道縱向地裂縫兩側(cè)地層變形規(guī)律呈現(xiàn)臺階狀突變變形，地鐵隧道穿越地裂縫采取分段設(shè)縫以適應(yīng)地裂縫的變形，分段長度按地裂縫影響程度，分別取10，15 m[20]。

2.2 工程案例匯總分析

國內(nèi)外隧道穿越活動斷裂帶工程措施匯總?cè)绫?所示。目前，穿越活動斷裂帶普遍采用思路為：首先，根據(jù)活動斷裂帶活動速率，估算隧道服役期間最大位移量，據(jù)此對隧道斷面進行適當(dāng)擴挖放大；在隧道縱向上以一定間隔設(shè)置變形縫，增大結(jié)構(gòu)縱向柔度，使隧道具有跟隨活動斷裂帶變形的能力，以期結(jié)構(gòu)受斷裂帶錯動作用時結(jié)構(gòu)破壞集中于抗震縫處，從而減小襯砌整體受損。

表2 穿越活動斷裂帶典型隧道工程措施匯總

2.3 隧道穿越活動斷裂帶工程措施總結(jié)

綜合既有研究成果及工程案例，可將隧道穿越活動斷裂帶工程措施總結(jié)如下。

2.3.1 強化支護

斷層破碎帶內(nèi)圍巖受擠壓、揉搓、蝕變作用，通常呈破碎狀，且時常伴有高壓斷層裂隙水。從施工安全及結(jié)構(gòu)正常受力角度出發(fā)，常通過超前管棚、注漿加固等強化措施改善圍巖物理力學(xué)性能，提高圍巖自穩(wěn)性；針對支護結(jié)構(gòu)，常采用輕質(zhì)高強的鋼纖維混凝土、聚合物混凝土等襯砌結(jié)構(gòu)，減輕自重的同時提高結(jié)構(gòu)承載能力。

2.3.2 擴挖斷面

活動斷裂帶最顯著的特征是在非地震工況下緩慢累積的蠕滑量及一次強震中的突發(fā)位錯量，其中，蠕滑量年均數(shù)毫米，服役期內(nèi)累積的錯動量多為幾十厘米；而強震中的突發(fā)位錯量通?？蛇_數(shù)米。穿越活動斷裂帶隧道采取斷面擴挖措施，主要為應(yīng)對服役期內(nèi)累積的蠕滑量。設(shè)計中指根據(jù)預(yù)測活動斷裂帶年均錯動量，擴大隧道斷面尺寸，盡可能保證隧道擁有足夠的內(nèi)凈空而不致喪失使用功能，同時也為結(jié)構(gòu)修復(fù)補強預(yù)留了空間，其原理示意如圖6所示。

圖6 擴挖設(shè)計示意

2.3.3 柔性連接

柔性連接設(shè)計或稱“鉸接設(shè)計”，其原理是將隧道結(jié)構(gòu)在其縱向上分成盡可能較短的襯砌節(jié)段，并通過柔性結(jié)構(gòu)(如變形縫)將襯砌節(jié)段連接起來，由于連接處結(jié)構(gòu)剛度較小，斷層錯動時各襯砌節(jié)段能保持相對獨立，即使出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞，也盡可能地將損壞部位集中于連接部位，從而保證主體襯砌安全(圖7)。柔性連接與斷面擴挖結(jié)合使用，是目前隧道穿越活動斷裂帶最普遍的做法。

圖7 柔性連接示意

工程上而言，實現(xiàn)柔性連接的措施有多種途徑：變形縫(抗震縫)是礦山法隧道最常用的方式，其通常做法是隧道二次襯砌在該部位斷開，縫內(nèi)施作背貼或中埋式止水帶。當(dāng)活動斷裂帶錯動量較大時，傳統(tǒng)變形縫的變形能力不能滿足隧道變形需求。

預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)柔性連接的另一種方式，其最大特點是采用螺栓等連接件將預(yù)制塊體拼裝成環(huán)，再從縱向上拼裝成隧道結(jié)構(gòu)(圖8)。環(huán)向、縱向大量接頭連接件，使接頭部位剛度相比管片本體的剛度大大降低，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)其本身便是一種柔性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)地層變形的能力較強，正因如此，盾構(gòu)隧道震害相對于整體式襯砌結(jié)構(gòu)隧道而言較輕。

圖8 拼裝式結(jié)構(gòu)示意

柔性接頭是一種新型柔性連接結(jié)構(gòu)型式，已在盾構(gòu)及沉管隧道中應(yīng)用。柔性接頭最容易實現(xiàn)的方式是鋼管片加彈性墊圈(圖9)。研究表明，聚氨基甲酸酯制成的彈性墊圈在較高的后期荷載依然展現(xiàn)出彈性性能，即使在高應(yīng)力下也不會破壞，當(dāng)荷載卸載后，恢復(fù)變形能力較強[21]。

圖9 彈性墊圈及鋼管片 [21]

可撓性接頭是為應(yīng)對地震時地層位移而開發(fā)的新型環(huán)間接頭型式，以鋼管片或帶有鋼端殼的混凝土襯砌為基礎(chǔ)，在連接處設(shè)置止水帶和受力筋(圖10)。接頭處靠Ω形止水帶進行止水，并于接縫內(nèi)填充柔性嵌縫材料，在接頭外表面涂有防腐涂層以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)造的耐久性。此連接方式在地層剪切錯動中具有較好的變形能力，常在隧道地層剛度突變或結(jié)構(gòu)型式變化較大的連接部位。

圖10 可撓性管片環(huán)[22]

沉管隧道柔性接頭(圖11)主要由鋼端殼、GINA止水帶、Ω形止水帶、預(yù)應(yīng)力連接鋼索、剪切鍵等組成[23]。柔性接頭的剛度很小，抗震能力和抵抗溫度應(yīng)力、不均勻沉降應(yīng)力等能力均較強。

圖11 沉管隧道柔性接頭示意[23]

上述拼裝結(jié)構(gòu)、彈性墊圈、可撓性管片環(huán)、沉管隧道采用的柔性連接方式多用于城市地下空間或近海海底隧道。對于長大深埋鐵路隧道而言，在復(fù)雜地應(yīng)力場及惡劣圍巖環(huán)境共同作用下，其適用性還有待進一步探討。

2.3.4 減震消能

隧道結(jié)構(gòu)減震消能的基本思路是在襯砌與圍巖之間設(shè)隔震材料或裝置，其目的是利用減隔震層消耗一部分自圍巖傳遞給襯砌結(jié)構(gòu)的地震能量，從而達到減輕結(jié)構(gòu)震害的目的，如圖12所示。目前，常見的隧道減震層材料為泡沫混凝土、瀝青系材料、高分子合成材料等，其減震消能機理、動力響應(yīng)特性、施作工藝等尚處于試驗研究階段；所用材料的耐久性，特別是復(fù)雜圍巖環(huán)境下的耐久性問題仍有待檢驗；同時，高昂的造價也是制約其推廣應(yīng)用的因素之一，因此，采用減震消能措施以應(yīng)對活動斷裂問題的鐵路隧道，尚無可參考實例。

圖12 減震消能設(shè)計示意

3 川藏鐵路隧道穿越活動斷裂帶措施探討

考慮到川藏鐵路隧道穿越活動斷裂帶蠕滑位錯量大、隧址區(qū)地震頻次高、地震烈度大等特點，為保證隧道施工、運營階段結(jié)構(gòu)安全并維持其正常使用功能，應(yīng)根據(jù)活動斷裂帶的活動性質(zhì)及預(yù)測年均錯動量，綜合上述各設(shè)計理念，采取相應(yīng)的工程措施。本節(jié)以典型工點通麥隧道穿越活動斷裂帶段為例，對川藏鐵路穿越活動斷裂帶工程措施進行探討。

F48斷裂帶內(nèi)及影響帶內(nèi)以混雜巖、碎裂巖、斷層泥礫、蝕變巖等為主，圍巖破碎、自穩(wěn)能力差，因此，對于斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)的襯砌斷面設(shè)計應(yīng)予強化，強化范圍包括斷層破碎帶全長(415 m)+斷層破碎帶兩側(cè)各50 m范圍。首先，采用管棚、小導(dǎo)管等進行超前注漿加固；初期支護采用早高強鋼纖維噴射混凝土封閉成環(huán)迅速發(fā)揮支護作用，同時搭配型鋼鋼架進行強化支護；二次襯砌采用加強配筋的鋼筋混凝土襯砌。

考慮到F48斷裂帶晚更新世末以來的年均活動速率為2～3 mm，在隧道服役期(100年)內(nèi)預(yù)計累積位錯量最大30 cm，設(shè)計中以此為隧道斷面擴挖的基準(zhǔn)，同時為后期維修補強預(yù)留一定空間，總擴挖量按60 cm計；因圓形隧道斷面具有更好的力學(xué)性能，川藏鐵路活動斷裂帶襯砌斷面可采用圓形或加深仰拱的類圓形斷面。為增強隧道縱向柔度，提高其跟隨斷層錯動的變形能力，在隧道縱向上每間隔一定距離設(shè)置變形縫，變形縫間距可結(jié)合隧道二襯模板臺車長度設(shè)置，使其施作更具易操作性。在斷層破碎帶邊界面兩側(cè)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)、地層活動性差異均較大，此處隧道受位錯作用更加劇烈，結(jié)構(gòu)更易損壞，因此，在斷層破碎帶邊界兩側(cè)一定范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)加密變形縫。由于活動斷裂帶處變形縫須有較強的變形能力，因此，安裝常規(guī)型號止水帶的窄變形縫難以應(yīng)對過大的錯動變形需求?；顒訑嗔褞бr砌必須采用能夠安裝大變形量止水帶的寬變形縫，縫內(nèi)采用聚乙烯、瀝青等材料進行嵌縫處理，川藏鐵路穿越活動斷裂帶變形縫基本構(gòu)型與常規(guī)變形縫對比如圖13所示。此外，減震消能材料應(yīng)積極開展理論分析及試驗研究，如襯砌背后鋪設(shè)部位、材料用量、鋪設(shè)工藝等均應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。

圖13 活動斷裂變形與常規(guī)變形縫對比示意

4 結(jié)論

川藏鐵路隧址區(qū)內(nèi)構(gòu)造運動劇烈，斷層、褶皺廣泛發(fā)育，隧道工程穿越6條深大活動斷裂，這些深大活動斷裂均以走滑運動為主，部分兼具逆沖或正斷分量，活動斷裂蠕滑以水平錯動為主，年均蠕滑量最大達8.5 mm，隧道結(jié)構(gòu)安全性將面臨極大考驗，是川藏鐵路長大隧道工程建設(shè)亟待解決的難題。經(jīng)調(diào)研、類比研究，主要結(jié)論如下。

(1)當(dāng)前隧道穿越活動斷裂帶工程措施可總結(jié)為強化支護、擴挖斷面、柔性連接、減震消能，其中，前3種措施最易實現(xiàn)且相對經(jīng)濟，因而應(yīng)用最為普遍，減震消能設(shè)計尚未有成熟工程經(jīng)驗。

(2)針對川藏鐵路板塊運動活躍、蠕滑位錯量大的特點，穿越活動斷裂帶隧道需綜合采取強化、擴挖、分段、減震等設(shè)計理念，初步提出川藏鐵路穿越活動斷裂帶隧道擴挖量、節(jié)段長度等基本設(shè)計參數(shù)，以及寬變形縫的基本構(gòu)型。

(3)對于目前的設(shè)計措施，認(rèn)為仍有以下幾點需進一步研究：

①活動斷裂帶隧道變形縫的結(jié)構(gòu)形式、材料仍需細(xì)化，以確保變形縫在錯動變形下有足夠的變形能力，同時不致喪失防水功能，考慮到斷層破碎帶內(nèi)地下水量較大，還應(yīng)考慮變形縫具有一定的地下導(dǎo)水、排水功能；

②借鑒城市地鐵盾構(gòu)、沉管隧道等預(yù)制拼裝式襯砌的柔性接頭結(jié)構(gòu)，開發(fā)適用于深埋鐵路山嶺隧道的特殊接頭構(gòu)造；

③對于減震消能理念，除應(yīng)探明其設(shè)防范圍、材料構(gòu)成、施作工藝外，還應(yīng)著重提高其在復(fù)雜惡劣圍巖環(huán)境下，特別是熱、力、液多耦合長期作用下的耐久性，以滿足隧道全壽命周期內(nèi)的有效性。