胶州湾第二海底隧道跨断裂带抗错方案研究

陈立保，孙文昊，孙 州，武哲书

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，武汉 430063；3.上海同岩土木工程科技股份有限公司，上海 200092；4.上海地下基础设施安全检测与养护装备工程技术研究中心，上海 200092)

引言

海底隧道作为打破交通瓶颈、连通陆地的重要区域联系方式，不仅有受气候条件影响小的优点，且具有较强的抗震性能。除不同于陆域山岭隧道的海洋环境，海底隧道建设多位于地震活动强烈的大陆框架边缘与岛屿，在建设过程中大数跨越不同地质地层，甚至与活动断裂带相交，而活动断裂带对穿越其中的隧道极易造成错动破坏，产生不可挽回的毁灭性后果[1]。海底隧道不同于陆域山岭隧道，上方存在着水源补给，极易造成突涌水事故。因此，在临近活动断裂带区域建设隧道前，需考虑断层错动对钻爆法海底隧道结构安全性的潜在影响。

对于断层错动位移影响隧道结构安全性问题，国内外学者做了大量研究。刘学增等[2-5]对不同断层错动量和倾角下穿越断层隧道的结构力学响应进行了研究；刘凯等[6]采用数值模拟方法研究了高地应力区某穿越断层破碎带隧道围岩空间应力场的状态及其变化趋势；熊炜等[7]对不同断层因素下隧道衬砌受力特征进行分析，总结了正断层环境下隧道衬砌的主要破坏形式；祁彬溪等[8]研究了断层竖向错动速率与断层破碎带交界面动摩擦系数对穿越断层隧道的竖向位移和第一主应力影响；孟振江等[9]研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征，并对分段隧道结构的临界位错值进行了预测；张向阳等[10-13]通过数值模拟和相似模型试验等方法研究了断层错动下隧道结构的破坏机理；阎锡东等[14]采用属性测度分析理论对隧道塌方、结构失稳风险事件进行分析，建立了隧道穿越活动断裂带风险评价模型；田升平等[15-17]学者通过数值模拟和模型试验的方法提出了合理的隧道抗错断设计；赵坤等[18-20]从隧道衬砌铰接设计和材料优化方面入手，提出了具有适用性的抗错断参数；张顶立等[21-22]对隧道突涌水机制进行研究，指出了相关的施工要点和紧急预案。以往研究多针对错动量较小的山岭隧道，研究断裂性质、隧道尺寸等因素下隧道结构的抗错断设计，而对在高承压水环境下隧道穿越活动断裂带的结构抗错断设计研究较少，需对此问题开展研究。

以青岛胶州湾第二海底隧道工程为例，调研断层错动对隧道工程影响及抗错断设计方案，研究了4种不同抗错断方案下断层错动位移对主线钻爆法隧道结构及剪切缝应力状态、变形影响规律，提出主线钻爆法隧道的合理抗错断措施及设计参数。

1 工程概况

胶州湾第二海底隧道工程横跨胶州湾，连接青岛市市北区与黄岛区，意在构建完善的大青岛全天候跨海交通体系，隧道穿越沧口断裂带。

沧口断裂带的走向在北段(金水路—海域北段)为38°～45°，南段(海域南段—黄岛)约为45°，整体以北西为主，局部推测为南东，且倾角陡立，多为70°～88°。其形态呈区内控制性断裂，长70 km；主断面宽5～10 m，一般以断层泥、碎粉岩为主；断裂破碎带宽度一般为30～60 m，最宽可达到400 m，主要由碎裂岩化岩石、碎裂岩、构造角砾岩和断层泥等组成。

2 类似工程案例调研

通过对国内外类似案例进行调研，得到隧道穿越活动断裂带相关工程的断层错动特征及工程的抗错断设计方案，见表1。

表1 隧道穿越活动断裂带类似工程调研

3 计算模型与模拟方法

3.1 计算工况

根据过往案例和相关规范，主要考虑衬砌模宽、剪切缝宽度、剪切缝模量比和柔性层厚度4个参数进行抗错断措施分析，数值模拟主要计算工况见表2。

表2 钻爆法隧道穿越断裂带的抗错断计算工况

3.2 断层带错动特征

沧口断裂是一条晚更新世活动断裂，强变形带“避让带”宽度推测上盘为(25±5)m，下盘为(15±5)m。沧口断裂为具有右旋分量的正断层，具有较高的角度(平均75°左右)，总体走向45°。沧口断裂中段未来百年可能发生的单次事件垂直位错为0.9 m 左右，水平位错量约为垂直位错量的0.2倍。沧口断裂带具体错动特征如图1所示。

图1 沧口断裂带错动特征示意

断层水平位错量OB为

OB=AO×cotα×cotβ

(1)

其中，AO为垂直位错量，取0.9 m；α为断裂倾角，取75°；β为断裂与主张应力场夹角，取55°。

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

3.3 计算模型

采用有限元软件建立三维模型，模拟不同抗错参数下断层错动位移对主线钻爆法隧道结构及剪切缝应力状态、变形的影响规律。数值模型建模范围为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。衬砌厚度90 cm(初支30 cm，二衬60 cm)，如图2所示。

图2 有限元模型(单位：m)

衬砌与土体、衬砌与衬砌间均采用摩擦接触，钢筋嵌入衬砌混凝土，对于断层考虑0.9 m竖向错动位移、0.17 m横向错动位移及0.24 m纵深方向位移。断层按正常地层模量的10%折减，影响带按正常地层模量的30%折减，隧道开挖土体按所在区域地层模量的40%折减。地表以上施加20.4 m水压力。

3.4 模型参数

根据勘察资料，青岛胶州湾第二海底隧道钻爆法穿越沧口断裂带区段的地层分布情况主要为微风化花岗岩，模型所用地层及隧道材料参数见表3、表4。

表3 模型地层参数

表4 隧道材料参数

4 隧道衬砌结构受力变形特征分析

跨断层隧道在断层错动位移作用下易发生结构破坏，隧道不同位置衬砌会出现不同程度的裂缝和错动位移。从抗错设计原则角度分析，允许隧道发生可控范围的错动变形，从而减少隧道结构发生大面积破坏，减少后期隧道的维修量。根据以往研究和相关规范，分别选取结构竖向变形(拱顶与拱底位移差值)、衬砌最大压应力、衬砌钢筋应力以及接缝变形(接缝张开量、水平错台量和竖向错台量)与破坏范围作为结构受力变形的分析指标，提出合理的抗错设防区域。

4.1 衬砌模宽对结构受力变形影响分析

4.1.1 衬砌结构变形

图3为不同模宽衬砌竖向变形沿隧道轴线分布曲线，衬砌竖向变形值随模宽增加而增大，但差值较小，正断层发生的错动位移使隧道变形在断层破碎带中线处达到最大值，隧道拱顶下沉、拱底隆起、隧道竖向向内收敛，呈“横鸭蛋”变形模式。

4.1.2 混凝土衬砌应力状态

图4为不同模宽衬砌混凝土压应力沿隧道轴线分布曲线，衬砌最大压应力水平随模宽增加而提高，且在靠近破碎带中线约30 m处达到混凝土抗压强度，断层破碎带范围内衬砌最大压应力呈不规则变化即出现混凝土压溃。

4.1.3 衬砌钢筋应力状态

图5为不同模宽沿隧道轴线钢筋最大应力分布曲线(正值为拉应力，负值为压应力)，钢筋最大应力主要出现在模与模之间接缝位置处的拱顶与拱腰部位，可以看出，钢筋应力受衬砌模宽影响不大。断层破碎带中线到上盘30 m范围内，至下盘30 m范围内的钢筋均发生了受压屈服。破碎带中线至上盘32 m范围内，至下盘25 m范围内的钢筋均发生了受拉屈服。即在破碎带及影响带区域，钢筋在错动位移作用下最大拉应力达到500 MPa，达到了钢筋屈服强度。

4.1.4 衬砌接缝变形

图6～图8为不同模宽衬砌接缝张开量、水平错台量和竖向错台量沿隧道轴线分布曲线，由图可知，随着衬砌模宽增大，衬砌最大接缝张开量、水平错台量和竖向错台量均呈一定增大趋势，最大值出现在近破碎带中线上盘方向10～40 m内，这是因为在断层错动影响下，隧道位于上盘部分向下发生的位移拖拽临近衬砌向下移动，引起较大变形，使上盘靠近破碎带中线区域衬砌竖向变形量沿隧道轴线变化较快，产生较大接缝变形。

图6 不同模宽接缝张开量图7 不同模宽接缝水平错台量图8 不同模宽接缝竖向错台量

4.2 剪切缝宽度对衬砌结构受力变形影响分析

4.2.1 衬砌结构变形

图9为不同剪切缝宽度下衬砌竖向变形沿隧道轴线分布曲线，可以看出，3种剪切缝宽度下，衬砌竖向最大收敛变形差异不大，基本在10.5 cm左右，且整体变化分布类似，最大值出现在破碎带中线附近，上盘部分衬砌竖向位移变化较快，下盘部分稍缓。

4.2.2 混凝土衬砌应力状态

图10为不同剪切缝宽度下衬砌混凝土压应力沿隧道轴线分布曲线，不同剪切缝宽度下衬砌混凝土压应力水平差异不大，衬砌压应力值急剧变化范围均出现在距中线30～40 m内，在断层破碎带区域混凝土衬砌出现压溃。

4.2.3 衬砌钢筋应力状态

图11为不同剪切缝宽度衬砌钢筋应力变化曲线，可以看出，剪切缝宽度变化对衬砌钢筋应力大小和分布范围影响较小。

4.2.4 衬砌接缝变形

图12～图14为不同剪切缝宽度下衬砌接缝张开量、水平错台量和竖向错台量沿隧道轴线分布曲线，可以看出，增大剪切缝宽度会增大衬砌的最大接缝张开量和最大水平错台量，但对衬砌最大竖向错台量几乎没有影响。

4.3 剪切缝材料模量对衬砌结构受力变形影响分析

4.3.1 衬砌结构变形

图15为不同剪切缝模量衬砌竖向变形曲线，由图可知，衬砌弹性模量变化不会影响到衬砌竖向位移大小和分布范围。

4.3.2 混凝土衬砌应力状态

图16为不同剪切缝模量衬砌压应力曲线，由图可知，衬砌弹性模量变化对衬砌混凝土应力大小和分布影响较小。在错动位移作用下，上盘衬砌顶部和下盘衬砌腰部受拉明显，衬砌混凝土极限拉应力水平较小。断层部分顶底部受压明显，衬砌混凝土极限压应力水平较小。

图9 不同剪切缝宽度衬砌竖向变形图10 不同剪切缝宽度衬砌压应力图11 不同剪切缝宽度衬砌钢筋应力图12 不同剪切缝宽度接缝张开量图13 不同剪切缝宽度接缝水平错量图14 不同剪切缝宽度接缝竖向错台

4.3.3 衬砌钢筋应力状态

图17为不同剪切缝模量衬砌钢筋应力曲线，由图可知，衬砌弹性模量比变化不会影响到衬砌钢筋应力大小和分布范围。

图15 不同剪切缝模量衬砌竖向变形图16 不同剪切缝模量衬砌压应力图17 不同剪切缝模量衬砌钢筋应力

4.3.4 衬砌接缝变形

图18～图20为不同剪切缝模量下衬砌接缝张开量、水平错台量和竖向错台量沿隧道轴线分布曲线，由图可知，随剪切缝弹性模量减小，衬砌接缝最大张开量、水平错台量和竖向错台量基本呈增大趋势，而在弹性模量为500 MPa和250 MPa时，3个指标数值变化较小，整体水平较低，当剪切缝弹性模量为50 MPa时，衬砌接缝变形量整体水平明显提高，最大值都位于断层上盘。

4.4 柔性层厚度对衬砌结构受力变形影响分析

4.4.1 衬砌结构变形

图21为不同柔性层厚度衬砌竖向变形曲线，由图可知，衬砌最大竖向收敛变形随柔性层厚度增大呈增大趋势，变形量较大区段均处于破碎影响带范围，最大值均在破碎带中线附近。

4.4.2 混凝土衬砌应力状态

图22为不同柔性层厚度衬砌压应力曲线，由图可知，衬砌混凝土压应力水平随柔性层厚度增大呈增大趋势，压溃范围同样呈增大趋势。而当柔性层厚度为25 cm时，衬砌混凝土基本没有被压溃，受力基本处于安全状态。

4.4.3 衬砌钢筋应力状态

图23为不同柔性层厚度钢筋拉应力曲线，由图可知，钢筋应力水平随柔性层厚度增大呈增大趋势，3种柔性层厚度下，钢筋均未受拉屈服。

图18 不同剪切缝模量接缝张开量图19 不同剪切缝模量接缝水平错台图20 不同剪切缝模量接缝竖向错台图21 不同柔性层厚度衬砌竖向变形图22 不同柔性层厚度衬砌压应力图23 不同柔性层厚度钢筋拉应力

4.4.4 衬砌接缝变形

图24～图26为不同柔性层厚度下衬砌环缝张开量、水平错台量和竖向错台量沿隧道轴线分布曲线，由图可知，随柔性层厚度增大，隧道接缝最大张开量呈减小趋势。最大水平错台量和最大竖向错台量受柔性层厚度影响较明显，且当柔性层厚度为45 cm时，隧道接缝水平和竖向错台量最小。

图24 不同柔性层厚度环缝张开量图25 不同柔性层厚度环缝水平错台图26 不同柔性层厚度环缝竖向错台

不同衬砌模宽、剪切缝宽度、剪切缝弹性模量以及柔性层厚度对衬砌受力变形影响对比见表5。由表5可知，不同衬砌模宽对接缝张开量、错台量影响较大，不同柔性层厚度对结构收敛变形和钢筋应力影响较大，剪切缝宽度和弹性模量对衬砌整体抗错效果影响较小。

表5 计算结果对比

5 隧道跨断裂带抗错方案分析

5.1 隧道抗错方案分析

通过以上4种不同抗错断措施研究断层错动对主线钻爆法隧道的影响，得出以下结论。

(1)基于断层带走向和倾角方面的错动特征，破碎带上盘和下盘衬砌结构应力和变形特征是存在差异的。上盘远离破碎带区域结构应力和变形基本上是均匀分布的，而靠近破碎带区域结构应力和变形特征数据是急剧变化的，隧道下盘结构特征曲线变化稍显平缓。

(2)4种抗错方案下断层错动位移对隧道衬砌结构的最大影响范围为，破碎带中线至上盘45 m(3.1D，D为开挖宽度14.5 m)，至下盘37 m(2.55D)。

(3)随着衬砌模宽增大，隧道竖向收敛变形、衬砌应力水平和接缝变形量都呈增大趋势，且在3种工况(模宽6，9，12 m)下，衬砌模宽为6 m时，抗错效果较优。

(4)在3种不同衬砌接缝宽度(0.5，0.75，1 m)下，混凝土衬砌变形、最大拉压应力值相近。在3种工况下，衬砌钢筋皆达到屈服强度发生破坏。当接缝宽度1 m时，接缝张开量、水平错台值最大，但竖向错台量最小。接缝宽度为0.5 m工况较优。

(5)剪切缝弹性模量(500，250，50 MPa)的变化对隧道竖向收敛变形、混凝土衬砌的应力水平影响不大；在3种工况下，衬砌钢筋皆达到屈服强度发生破坏；剪切缝弹性模量越小，衬砌接缝张开量、水平错台量、竖向错台量越大。剪切缝弹性模量为50 MPa时，抗断效果较优。

(6)随着柔性层厚度(25，45，65 cm)增大，隧道衬砌竖向收敛变形增大，衬砌混凝土及钢筋的应力水平呈增大趋势。而接缝变形量在柔性层厚度为45 cm时，变形量相对较小。综合考虑衬砌结构、接缝变形以及衬砌混凝土、钢筋应力水平，柔性层厚度为45 cm时，抗断效果较优。

5.2 隧道抗错断方案建议

结合前期研究及相关工程案例调研，建议如下。

(1)将断层带在错动作用下的影响区域划分为2个区域，每个区域采用不同的抗错动设计。例如在不同位置设置特殊变形缝分段处理，一般急剧变形区段每6 m设置特殊变形缝，一般区段每9 m设置特殊变形缝。

(2)抗震设防区域为上盘左边界4D至下盘右边界4D范围，对此区域的隧道结构进行链条铰链化抗错设计，并加强衬砌配筋，增强纵向分布筋强度。

(3)采用模宽小、接缝小、柔性层大、预留变形量的抗错断设计，可选择衬砌模宽为6 m，接缝宽度为0.5 m，剪切缝弹性模量为50 MPa以及柔性层厚度为45 cm的隧道抗错设计。

(4)变形缝内止水带可以采用“W”形三元乙丙橡胶止水带，隧道二衬结构内侧变形缝采用纳米硅防水胶嵌缝，以此适应较大变形和拥有优良的渗透结晶防水性。

6 结论

结合青岛胶州湾第二海底隧道工程，通过对高水压环境下隧道穿越大错断量活动断裂带的结构抗错设计进行数值模拟分析，研究结论如下。

(1)结合国内外隧道穿越活动断裂带的相关工程案例及数值模拟分析，提出了适用于水下穿越活动断裂带隧道结构抗错断设计参数。

(2)对比分析了不同衬砌模宽、剪切缝宽度、剪切缝模量比和柔性层厚度等不同抗错措施下隧道衬砌结构受力变形特征，提出了合理的设防区域与设防范围(上盘左边界4D至下盘右边界4D范围)。

(3)建议在穿越活动断裂带的类似地质海底隧道进行铰链式抗错设计，设置特殊变形缝及加强衬砌配筋，以适应大错断量活动断裂带地层对隧道变形的影响。