穿越活动断裂带隧道抗错断措施研究

朵生君，李国良，张 景

(1. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，西安 710043；2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

根据中国国家铁路集团有限公司的总体安排及规划，川藏铁路东部起始于四川省成都市，向西途径雅安、康定、昌都、林芝，西止于西藏拉萨，新建线路总长度大约为1 567.37 km[1]，川藏铁路沿线地震活动强烈、地震频发，是影响工程安全的主要地质灾害，自有记载以来，至少发生了7级以上地震22次以上[2].国内外诸多案例表明，穿越活动断裂带隧道极其容易产生严重的破坏[3-5].活动断层的运动分为粘滑运动和蠕滑运动，活动断层从粘结到瞬间发生滑移的这一过程被称为粘滑，与其相对应的另外一种相对运动较为缓慢的方式叫蠕滑，二者区别就在于蠕滑没有从粘结到瞬间发生滑移，引起地层发生瞬时的脆性断裂，而是以较稳定的速率蠕动，粘滑运动导致的脆性断裂会在瞬间释放巨大能量，引起地震.而川藏线沿线的有诸多活动断裂带，根据目前的勘探结果显示，多数断裂兼具走滑和逆冲的活动性质[6]，且具有明显的年平均位移速率，虽然蠕滑导致的两盘相对位移较小，但随着时间不断累积，对隧道结构的安全性仍有威胁.

国内外许多学者对蠕滑断裂带对隧道的影响规律展开了研究，蠕滑活动对隧道安全的影响与断层倾角、活动断裂带宽度以及活动断裂带的运动方式有关[7-9]，国内外规范针对活动断裂的处理原则，首先考虑避让，无法避让时，应选择大角度穿越[10].而受限于地理条件，通麦隧道只能以小角度穿越F48嘉黎-迫龙藏布断裂，这给隧道的设计和施工都带来了巨大挑战，因此，基于通麦隧道的初步设计资料，提出了两种穿越活动断层的抗错断措施，通过数值模拟计算二者的抗错断效果，从而为隧道的抗错断措施研究以及相似工程的设计提供参考.

1 计算模型及参数

1.1 工程概况

通麦隧道位于西藏自治区南部东段波密县通麦镇，整体上沿G318国道北侧展布，与国道相距最远处约3.7 km.进口为茶隆隆巴曲左岸，道路交通不便，出口为通麦小集镇.隧道洞身段不良地质类型较多，分别为岩爆、大变形、高地温、活动断裂、高瓦斯气体等.最新地质资料显示，洞身强烈岩爆段800 m，50～60 ℃中高温段2 580 m，二级大变形段135 m，高瓦斯气体855 m以及近出口段穿越415 m长活动断裂带，隧道出口端与通麦车站相连，该区域地形地貌受到区域地质构造的控制，山脉总体走向与构造迹线一致，总体地势北高南低，地形起伏较大.通麦隧道地理位置如图1所示.

图1 通麦隧道地理位置图示Fig.1 Location of Tongmai tunnel

隧道所在区域地处念青唐古拉山东段，为青藏高原东南部隆升及河流切割最为强烈的地区之一，Ⅱ类场地条件下通麦隧道沿线50年超越概率10%地震动加速度峰值0.20 g，地震基本烈度为Ⅷ度，在通麦隧道出口段DK1166+395～DK1167+810(415 m)以小角度通过F48嘉黎-迫龙藏布断裂，断裂带宽度为415 m，中国地震局地质研究所的GPS最新观测结果显示嘉黎断裂带现今活动以右旋走滑活动为主兼有逆冲活动性质，右旋走滑活动速率约2～3 mm/a，断层破碎带及影响带内以混杂岩、碎裂岩、断层泥砾、蚀变岩等为主.通麦隧道出口段平面布置及纵断面图如图2所示.

图2 通麦隧道穿越活动断裂段平面布置及纵断面图Fig.2 Layout and longitudinal section of Tongmai Tunnel crossing active fault

结合工程实际，川藏铁路穿越活动断裂带隧道衬砌初步设计遵循“预留空间、优化断面、节段设计、运营监测”的设计原则.活动断裂带采用活动断裂衬砌，并适当往两端延伸，活动断裂衬砌原则上采用近圆形衬砌结构，根据各活动断裂性质考虑在衬砌节段之间设置变形缝，断面内净空预留补强空间，并采用加大预留变形量、加强初期支护及超前支护、破碎段周边注浆、二衬加强等措施.具体到通麦隧道，主要考虑设置变形缝及在初支和二衬之间设置柔性缓冲层(0.15 m)，以及铰接设计(节段长度10 m，变形缝宽度0.15 m)，加强隧道对蠕滑变形的适应性.穿越活动断裂带衬砌设计示意图如图3所示.

图3 穿越活动断裂带衬砌设计示意图(单位：m)Fig.3 Lining design of tunnels crossing the active fault zone (unit:m)

1.2 模型建立及计算参数的选择

根据通麦隧道平面及纵断面布置图，建立三维计算模型，隧道处于半无限空间中而断层蠕滑错动是一个大范围的地层运动，且断层错动涉及水平方向及垂直方向上的运动，因此蠕滑错动量并非直接作用于隧道上而是通过地层传递到隧道结构上，为了减小边界效应，模型尺寸取2 500 m×500 m×500 m，断层倾角为70°，断层宽度为415 m，上盘与断层、下盘与断层以及隧道衬砌与围岩之间采用库伦摩擦接触，参照已有研究成果，摩擦系数取0.8，建立计算模型如图4所示.

图4 计算模型示意图Fig.4 Calculation model

根据川藏铁路穿越活动断裂带衬砌初步设计资料，初支采用C30喷射混凝土，二衬采用C35钢筋混凝土，断裂带范围内围岩主要以压碎岩为主，隧道洞身通过地层主要为古-中元古界念青唐古拉岩群，岩性以片麻岩为主，局部分布有花岗岩、闪长岩，云母片岩、绿帘石岩等透镜体；断裂带内发育压碎岩等构造岩.在隧道进出口斜坡及洞身沟谷内分布有第四系地层，岩性主要为碎石类土，涉及冰碛、洪积、坡积、冲积等多种成因，地质钻孔图如图5所示.根据勘测资料结合含水率测定、粘聚力测定、内摩擦角测定等室内土工试验结果，得到隧道围岩物理力学参数如表1所列，围岩采用Mohr-Coulomb本构，重点讨论设置变形缝及柔性缓冲层对隧道抗错断的提升效果.初支、二衬、变形缝填充材料及柔性缓冲层材料采用线弹性本构，计算参数如表2所列.

图5 地质钻孔图Fig.5 Geological drilling core

表1 围岩计算参数表Tab.1 Calculation parameters of the ground layers

表2 隧道结构计算参数表Tab.2 Calculation parameters of tunnel structure

1.3 断层蠕滑的模拟

断层蠕滑产生的累计永久位移是导致隧道结构破坏的主因，因此在计算蠕滑作用下隧道的响应时，将其视为拟静力问题，在计算时，首先平衡地应力，初始应力由隧道埋深及上覆土体确定，然后进行隧道的开挖、支护过程模拟.断层活动是一个大范围的运动，因此在模型底部和侧面施加弹簧，模拟周围地层和模型区域地层的相互影响关系[13]，如图6(a)所示，基床系数按照围岩分级参照规范[14]中要求进行取值.模拟断层蠕滑时，固定模型左右两侧边界，在上盘侧面施加沿着断层与上盘交接面方向的水平位错，如图6(b)所示，该断层的百年蠕滑量为0.2～0.3 m，计算时取0.3 m作为施加的蠕滑量.

图6 模型边界及位错施加示意图Fig.6 Model boundary and dislocation application

1.4 工况设置

主要目的为验证所提出的设置变形缝以及设置柔性缓冲层对隧道抗蠕滑错断的提升效果，因此主要设置了4个工况进行对比分析，分别为无措施工况、设置变形缝工况、设置柔性缓冲层工况以及同时设置变形缝及柔性缓冲层工况，考虑到一般的混凝土二衬台车长度为6～12 m，因此本次计算每隔10 m设置一道宽度为15 cm的变形缝，柔性缓冲层厚度取0.3 m，各工况设置如表3所列.

表3 计算工况表Fig.3 Calculaiton cases

2 计算结果分析

2.1 隧道变形受力分析

以工况1为例，隧道沿轴向变形云图如图7所示，沿隧道轴向结构三向位移如图8所示.可以看出，隧道变形是追随着地层变形的，处于破碎带与上下盘交接面附近的隧道受断层错动影响最大，由不同方向位移统计可知，最大横向位移为8.03 cm，最大竖向位移为5.93 cm，最大纵向位移为1.97 cm，横向和竖向位移较大，纵向变形较小，在断层破碎带和上下盘交界面处，位移会出现明增加，这是因为上下盘与断层破碎带地层交接面在此处，在此范围内地层位错很大.

图7 隧道轴向变形云图Fig.7 Deformation nephogram of tunnel in axial direction

图8 不同位移统计Fig.8 Displacement of tunnel in different cases

工况1隧道结构最小主应力、最大主应力云图如图9～10所示.隧道最小主应力云图显示，在此处会产生明显的受压区域，应力集中显著，最小主应力为-7.731 MPa，处于断层破碎带范围内的隧道最小主应力绝对值比处于上下盘范围隧道的大，说明处于断层破碎带内的隧道受到围岩的压力比处于上下盘范围的隧道；而隧道最大主应力云图显示处于断层破碎带中的隧道在拱肩-拱腰部位会出现受拉区，最大主应力为1.648 MPa.

图9 最小主应力云图Fig.9 Minimum principal stress nephogram

图10 最大主应力云图Fig.10 Maximum principal stress nephogram

2.2 不同抗错断措施效果分析

从已有工程来看，隧道穿越活动断裂带最常用的应对方法是设置柔性连接，让隧道能够更好的适应地层的变形，本节重点讨论设置变形缝及柔性缓冲垫层能否有效提高隧道的抗错断效果.提取隧道拱顶节点各个方向位移沿纵向变化如图11所示，可以看到，未设置变形缝时候，隧道各个方向位移变化趋势沿轴向基本为连续变化，而当设置变形缝时，衬砌沿轴向的变形不再是连续变化，在变形缝处可能会出现明显阶梯状突变，两段衬砌之间由变形缝连接，变形缝的设置减小了隧道的整体刚度，设置柔性缓冲层会吸纳部分地层变形，将地层的部分变形抵御在衬砌之外.

图11 沿隧道各方向位移统计Fig.11 Deformatio of tunnel in all cases

统计各工况不同方向位移极值如表4所列，各工况下同一方向的位移差距不大，这也说明无法依靠设置变形缝和柔性缓冲材料来抵御地层的变形，断层为水平方向错动，因此横向位移大于另外两个方向的位移，因断层与X、Y、Z平面均不平行，因此在竖向和纵向均有较大的位移.各工况下衬砌位移极值大小排序为：工况2>工况4>工况1>工况3，从原理上来看，变形缝的设置让隧道变为独立的节段，更容易追随地层的变形，而设置柔性缓冲层会吸收部分变形，导致反应在衬砌上的位移稍小.

表4 位移统计表Tab.4 Deformation of tunnel in all cases

提取各工况下，隧道的最大、最小主应力绘制图表如图12所示，当未设置变形缝和柔性缓冲材料时，隧道衬砌的最大，最小主应力分别为1.648 MPa、-7.731 MPa，而工况2(设置变形缝)，工况3(设置柔性缓冲材料)，工况4(同时设置变形缝和柔性缓冲材料)的最大分别为1.364 MPa、1.618 MPa、1.318 MPa，最小主应力分别为-4.033 MPa、-6.828 MPa、-3.943 MPa，与未设置抗错断措施相比，工况2的最大、最小主应力分减少了17.23%、47.83%，工况3分别减少了1.82%、11.68%，工况4分别减少了20.02%、48.99%.从计算结果可以看出，变形缝及柔性缓冲材料的设置均可以有效的减少衬砌的内力，对比工况2及工况3计算结果，可以看出，变形缝的设置对衬砌内力减小幅度明显大于工况3，抗错断效果显著.

图12 最大最小主应力统计图Fig.12 Maximum and minimum stress in all cases

3 结论

依托川藏铁路通麦隧道，详细的介绍了通麦隧道的地理地质条件，以及其所穿越的F48嘉黎-迫龙藏布断裂的情况，对隧道穿越活动断层时设置变形缝及设置柔性缓冲垫层的抗错断效果进行了数值仿真，得到了以下结论：

1) 蠕滑是一个长期缓慢的过程，在活动断层与上下盘交界面附近的衬砌易产生位移突变，且此范围内会产生明显的应力集中现象，是穿越活动断层的薄弱环节，应加强该部位的设计.

2) 地层运动是一个大范围运动，无法依靠仅设置变形缝或设施隔振层而明显减少活动断层蠕滑所造成的衬砌位移，从数值上来看，隧道位移极值排序为：工况2>工况4>工况1>工况3，这是因为变形缝的设置减小了隧道的整体刚度，位移增大，而设置柔性缓冲层会吸纳部分地层变形.

3) 对比衬砌最大、最小主应力，设置变形缝和设置柔性缓冲垫层均可以减小衬砌应力，而设置变形缝的抗错断效果高于设置柔性缓冲垫层.