穿越活动断裂带铁路隧道抗震关键技术

田四明， 吴克非， 于 丽， 黎 旭， 巩江峰， 王新东

(1. 中国铁路经济规划研究院有限公司， 北京 100038； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031； 3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 4. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043)

0 引言

“门源1·8地震”后，兰新高铁大梁隧道震损严重，为人们认识发震断裂对隧道工程带来的影响提供了第一手经验实例[1]。近年来，随着高地震烈度地区铁路建设需求的日益增大，特别是穿越活动断裂带隧道日益增多，我国铁路隧道抗震技术面临巨大挑战。

活动断裂带对隧道的破坏主要有2类，即高烈度地震引起的隧道震动破坏和断裂错动引起的隧道错断破坏。隧道震动破坏是指在地震传播过程中，隧道结构随围岩变形而发生破坏的现象；隧道错断破坏是指断层发生错动时，带动穿越断层隧道共同运动，导致隧道随之发生较大扭曲变形而产生破坏的现象。其中，活动断裂带上下盘发生的不均匀位错是活动断裂带对隧道造成威胁的主要形式，在不均匀的相向位错条件下，隧道的衬砌结构可能因为剪切、拉伸等因素损坏，威胁隧道安全[2]。此外，“5·12汶川地震”隧道震害调研显示，活动断裂带附近隧道结构在地震中的破坏程度明显高于其他区域[3-10]。

目前，公路行业已针对公路隧道抗震设计发布了JTG/T 2232-01—2019《公路隧道抗震设计规范》[11]，但铁路行业尚无隧道抗震方面的专门规范，虽然TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[12]、GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范(2009年版)》[13]中已建立以静力计算为基础的隧道抗震设计方法，但尚无穿越活动断裂带隧道的抗震设计方法及相应工程措施。

国内学者针对穿越活动断裂带隧道抗震设防技术开展了大量的研究。其中，刘学增等[14-16]通过模型试验，研究了正断层和逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律，明确了正断层和逆断层错动影响下隧道结构的破坏特征及受力特征。崔光耀等[17-20]通过模型试验及数值模拟，研究了穿越活动断裂带隧道抗错技术，明确了减震层、减震缝等措施的抗错机制及效果。石吉森[21]通过模型试验、改进数值模拟的方法，研究了倾斜场地下断层错动与隧道的相互作用，分析了隧道位置、形式的影响。Zhong等[22]建立了穿越多个活动走滑断层的输水隧洞三维数值模型，考虑断层运动的幅度、相邻断层面之间的距离、隧道与断层相交角度以及断层破碎带内岩体的力学性质4个影响因素，对隧道结构损伤规律进行了分析。孙风伯[23]针对穿越活动断裂带山岭隧道抗位错机制与方法，开展了系统性研究，分析了断层错动影响范围并确定了隧道纵向设防范围，揭示了穿越活动断裂带隧道破坏机制，提出了隧道抗位错方式。赵天次等[24]从分层位错理论出发，结合逆断层特点，依托成兰铁路某隧道建立隧道位错反应分析模型，分析了隧道衬砌结构的应力应变、损伤特点。安韶等[25]基于乌鲁木齐地铁2号线，建立三维有限元模型，结合损伤理论讨论了柔性接头的减灾效果。汪振等[26]、王鸿儒等[27]以香炉山隧洞为依托，采用数值模拟及模型试验手段，分析了走滑断层错动下隧道变形特征，研究了断层错动量、断层破碎带宽度和隧道穿越断层方位的影响。唐浪洲等[28]采用数值模拟手段，研究了走滑断层错动下隧道结构的受力变形特征，明确了走滑断层错动对隧道结构安全性的影响规律。周光新等[29]基于模型试验手段，对断层错动模拟过程中的隧洞上覆围岩破裂形态、衬砌破坏形态和裂纹发展、应变分布特征等关键响应特征开展试验分析，研究了走滑断层错动影响下跨活断层铰接隧洞的破坏形式及破坏机制。

综上，国内相关研究主要集中于断层错动下隧道受力变形特征等方面，对于穿越活动断裂带隧道支护结构设计对策方面的研究较少，且目前尚未形成相应的工程规范，导致穿越活动断裂带铁路隧道抗震设防技术方面仍存在一定的不足。对此，本文通过现场调研、模型试验及理论分析等方法，对穿越活动断裂带铁路隧道抗震设防分区、隧道衬砌变形破坏机制、隧道抗震设防措施及抢通方案开展研究。

1 穿越活动断裂带铁路隧道震害特征及抗震设防分区

1.1 “门源1·8地震”概况

2022年1月8日，青海省门源县发生6.9级地震，震源深度10 km，地震的发震断裂为青藏高原北东缘祁连—海原断裂中西段的冷龙岭断裂(F5)，具有左旋走滑兼逆断性质，震中位于F5断裂南侧约3～4 km，距兰新高铁大梁隧道最近距离约4.5 km，如图1所示。

图1 “门源1·8地震”震源与兰新高铁线位关系Fig. 1 Relationship between source of Menyuan 1·8 earthquake and line location of Lanzhou-Urumqi high-speed railway

地震烈度分布如图2所示。隧道穿越活动断裂带的发震烈度与断裂带距离关系明显，其中，大梁隧道进口段K1 967+418至祁连山隧道进口段K1 973+718为Ⅸ度区，兰新高铁K1 949+474至大梁隧道进口段K1 967+418、祁连山隧道进口段K1 973+718～K1 986+318为Ⅷ度区，兰新高铁K1 920+374～K1 949+474、兰新高铁K1 986+318～K2 010+389为Ⅶ度区。

图2 “门源1·8地震”烈度图Fig. 2 Intensity map of Menyuan 1·8 earthquake

门源地震致兰新高铁沿线地表变形，大梁隧道全隧和祁连山隧道进口段发生整体偏移和扭转，其中F5断裂带及附近影响段尤为明显。大梁隧道出口段和祁连山隧道进口段出现震损，其中大梁隧道出口段震损严重，特别是F5活动断裂带及影响段，结构破坏十分严重。

1.2 “门源1·8地震”铁路隧道变形特征

通过各级控制测量网显示，大梁隧道及祁连山隧道发生了平面偏移扭转、高程错台、纵向压缩拉伸等多方向的空间变形。

1.2.1 平面方向

地震前后大梁隧道及祁连山隧道平面偏移扭转情况如图 3所示。F5断裂带以南隧道平面向东偏移1 776～1 781 mm，F5断裂带以北隧道向西偏移620～1 101 mm，断裂带处偏移最大，并向两端逐渐变小。

图3 隧道整体平面偏移扭转示意图Fig. 3 Schematic of overall plane offset and torsion of tunnel

1.2.2 高程方向

采用CPⅠⅠⅠ(轨道控制网)测量得出地震前后大梁隧道高程变化如图 4所示。从大梁隧道进口开始，高程逐步抬高，在距离断裂带约900 m(K1 970+500)处达到峰值，约68.4 cm；之后高程逐步回落，在F5断裂带(K1 971+400)处形成约40 cm的错台；到大梁隧道出口，轨面高程比原设计标高低15～22 cm。

图4 大梁隧道高程变化示意图Fig. 4 Schematic of elevation variation of Daliang tunnel

1.2.3 纵向方向

在大梁隧道进口至F5断裂带间，出现了纵向压缩变形，位移量为82～53 cm；在F5断裂带至大梁隧道出口间，出现了拉伸变形，位移量为43～32 cm，错台处拉张裂隙宽约1.1 m。

1.3 “门源1·8地震”铁路隧道破坏特征

“门源1·8地震”造成大梁隧道结构错断，隧道衬砌产生震损。

1.3.1 隧道内净空错动情况

大梁隧道断裂处点云俯视图见图5,断层带错断部位断面变形示意如图6所示。隧道断面净空扫描显示，隧道结构错动主要集中在F5活动断裂带内的主破裂面附近约21 m(K1 971+390.4～+411.7)范围内，结构内轮廓最大偏移量约2.8 m；而其余段落隧道以整体偏移为主，未发生明显错断。

图5 大梁隧道断裂处点云俯视图Fig. 5 Top view of point cloud of Daliang tunnel fracture

(a) K1 970+400处

(b) K1 971+411处图6 大梁隧道断层带错断部位断面变形示意图Fig. 6 Schematic of cross-sectional deformation of staggered part of Daliang tunnel fault zone

1.3.2 隧道结构震损情况

“门源1·8地震”导致兰新高铁大梁隧道和祁连山隧道进口产生结构震损。其中，大梁隧道出口段震损较严重，特别是F5断裂带及影响段；祁连山隧道进口段震损较轻微。从震损部位来看，隧道洞口工程震损总体较轻微，隧道洞身相对严重。2座隧道洞门端墙基本完好，无明显震裂；坡面及地表无明显溜滑、裂缝现象；截、排水沟无明显新裂缝。

大梁隧道洞身结构震损按严重程度分为极严重震害、严重震害和一般震害。其中,极严重震害是指衬砌结构破坏特别严重，需进行整体重建，主要集中在F5活动断裂带及影响带地段，约350 m范围，如图7所示。该段轨下结构整体破坏，具体表现为隆起严重(20～70 cm)、轨道变形；水沟局部破坏，具体表现为两侧水沟盖板挤压隆起、水沟侧壁倾斜。断层位置处衬砌环向挤压破坏，隔水层外露，拱部大面积脱落，大量钢筋变形断裂外漏，拱顶电力设备损坏。隧道结构在断层处环向错断，大里程侧向西错动1.5～1.8 m，衬砌间裂缝宽30～80 cm，结构损毁极为严重。此外，该段隧道初期支护与二次衬砌之间设有5 cm厚的保温隔热层，应具有较好的抗地震动能力，但仍无法承受活动断层突然的强制位移破坏，说明仅从提高结构承载力角度抵抗活动断裂带的位错是难以达到的。

(a) 轨下结构隆起

(b) 轨道变形

(c) 衬砌环向错断

(d) 衬砌拱部大面积脱落图7 极严重震害段现场情况Fig. 7 Photographs of site of extremely severe earthquake damage

严重震害是指衬砌出现了较大的掉块或严重开裂，需进行拆换处理，主要集中于活动断裂带小里程方向1.8 km范围内。严重剥落掉块段共计10处，每处长度1.5～10 m不等，掉块面积0.5～15 m2不等，部分位置钢筋外漏、变形弯曲。衬砌开裂受损严重段共计14处，包括斜向和环向贯通裂缝、多道平行或交错呈网状裂缝，部分衬砌受挤压变形明显，发生开裂错动等，如图 8所示。

(a) 衬砌剥落掉块

(b) 衬砌环向开裂图8 严重震害段现场情况Fig. 8 Photographs of site of severe earthquake damage

一般震害是指衬砌结构出现环向开裂、轨下结构开裂，需进行套拱或施工缝处置。主要病害包括边墙裂缝(以环向裂缝为主)、轨下结构裂缝、渗漏水、水沟破坏和附属洞室裂缝等,如图 9所示。

(a) 衬砌边墙开裂

(b) 道床开裂图9 一般震害段现场情况Fig. 9 Photographs of site of general earthquake damage

根据现场调研结果可知，现有铁路隧道抗震技术及工程措施，可保证洞口、浅埋及洞身非活动断裂带段的隧道结构在地震作用下保持稳定，满足设防目标要求。铁路隧道抗震方案总体是合理的，工程措施是可靠的。穿越活动断裂带及其附近的隧道破坏十分严重，表现为隧道垮塌，轨下结构底鼓、错台，拱墙衬砌结构垮塌、开裂，一方面是由于穿越活动断裂带的隧道受较大的错动位移影响，结构发生严重破坏；另一方面是由于在隧道结构已经发生严重破坏的同时，又受到强烈的地震作用，且由于距离震源近、地震波频率成分复杂、震动幅值大、垂直地震动参数大，因此，隧道出现垮塌、轨下结构底鼓、拱墙衬砌结构垮塌等现象。

1.4 穿越活动断裂带铁路隧道抗震设防分区

大梁隧道震后整体变形情况如图 10所示,结合大梁隧道现场调研结果可知，穿越活动断裂带隧道的破坏程度与距断层的距离关系明显，根据隧道破坏机制可以将活动断裂带影响区分为2个区段，即活动断裂带错断的强烈影响段及一般影响段。其中，活动断裂带错断强烈影响段受强地震力、横向变形和轴向变形作用，出现轨下结构底鼓、错台，拱墙衬砌结构垮塌、开裂、大面积脱落等震害；活动断裂带错断一般影响段主要受强地震力及轴向变形作用，出现衬砌开裂、局部剥落、道床开裂等震害。应针对2种区段分别进行设防。

图10 大梁隧道震后整体变形情况Fig. 10 Overall deformation of Daliang tunnel after earthquake

根据“门源1·8地震”后隧道破坏特征可知，穿越活动断裂带段隧道的破坏主要集中在活动断裂带错断的强烈影响段(Lp1+D+Lp2)和一般影响段(Ls1+Ls2)这2个区段(如图 11所示):

图11 穿越活动断裂带隧道设防分区示意图Fig. 11 Schematic of fortification zoning of tunnel crossing active fault zone

1)活动断裂带错断强烈影响段是指断裂带及从断裂带边缘向两侧受到严重震害的区段，在该区段既受活动断裂带断层错动位移影响又受强地震力作用下横向变形和轴向变形的共同作用。

2)活动断裂带错断一般影响段是指从活动断裂带错断强烈影响段边缘向外受到震害影响逐渐降低的区段，该区段距离震源近、地震波频率成分复杂、震动幅值大、垂直地震动参数大，深埋隧道受强地震力作用十分明显，隧道结构变形受到的横向变形影响较小，主要是轴向变形。

1.5 傍行活动断裂带隧道抗震设防范围

根据GB/T 51336—2018《地下结构抗震设计标准》，铁路隧道工程为特殊设防类结构(甲类)或重点设防类结构(乙类)，其避让距离为400 m。

国内隧道(巷道)傍行于断层的工程案例如表1所示。

表1 隧道(巷道)傍行于断层的工程案例Table 1 Engineering cases of tunnel (roadway) parallel to fault

由表1可知，傍行于活动断裂时的避让距离为100～700 m。

汤淼鑫[30]对不同覆盖层厚度下的安全距离开展了研究，给出了地震烈度为Ⅸ度下的安全距离： 1)覆盖层厚度大于100 m时，建筑物安全距离为150～250 m； 2)走滑型断裂发震覆盖层较薄或基岩出露断裂带附近岩体较完整时，建筑物安全距离为300～1 000 m；3)在覆盖层较薄或基岩出露区，由多条相距不远的走滑型断裂组合发震，断裂破碎带较宽，或由附近岩体较破碎的倾滑型断裂发震时，安全避让距离为1 000～2 000 m。

为验证以上安全距离的合理性，采用数值模拟方法分析错动量在1.5 m、地震烈度为Ⅸ度时，与断层距离分别为50、100、150、200、250 m时隧道结构内力及安全系数的变化规律。5组计算工况的轴力、弯矩和安全系数的计算结果如表2所示。

表2 各工况轴力最大值、弯矩最大值和安全系数最小值对比Table 2 Comparison of maximum axial force, maximum bending moment, and minimum safety factor under various conditions

由表2可知： 1)轴力方面，间距50～150 m，二次衬砌轴力变化较大；间距100～150 m，轴力峰值降低218 kN；间距150～250 m，二次衬砌轴力变化仅约3%；间距200～250 m，轴力峰值降低0.3%。2)弯矩方面，间距50～100 m，弯矩峰值降低10.8 kN·m，即37%；间距100～150 m，弯矩峰值降低1.7 kN·m，即9%；间距150～250 m，二次衬砌弯矩变化较小；间距150～200 m，弯矩峰值降低0.2 kN·m，即1%；间距200～250 m,弯矩峰值降低0.1 kN·m，即0.6%。3)安全系数方面，间距50～100 m，安全系数增大1.5，即54%；间距100～150 m，安全系数增大0.6，即14%；间距150～250 m，二次衬砌安全系数变化较小；间距150～200 m，安全系数增大0.1，即2%；间距200～250 m，安全系数不变。

根据以上分析可知，傍行于活动断裂带的隧道受活动断裂发震的影响范围与断层错动量、地震烈度、地层条件、埋深等因素密切相关。通常条件下，其影响在200～1 000 m。在覆盖层较薄或基岩出露区，由多条相距不远的走滑型断裂组合发震，断裂破碎带较宽，或由附近岩体较破碎的倾滑型断裂发震等特殊条件下，安全避让距离可取1 000～2 000 m。但在实际工程设计中，还应充分考虑地震等级、错动量、断裂性质等因素综合确定设防范围。

2 穿越活动断裂带铁路隧道变形和破坏机制

根据门源地震现场调研可知，穿越活动断裂带隧道衬砌破坏严重，为进一步研究明确穿越活动断裂带铁路隧道变形和破坏机制，开展模型试验和数值模拟研究。

2.1 模型试验研究

2.1.1 模型试验概况

依托某铁路隧道工程，模型采用倾斜正断左旋错动刚性模型箱，如图 12所示。试验模型箱内部尺寸为2.5 m(长)×2.5 m(宽)×2.2 m(高)，采用钢结构，由5块钢板焊接而成，外部由钢矩管加固，四周壁厚1 cm，底板厚为0.6 cm，最大承载质量为20 t。

图12 断层黏滑错动模型试验箱(单位： m)Fig. 12 Fault stick-slip dislocation model test box (unit: m)

采用粉煤灰、河砂和机油(质量比为57∶31∶12)配置Ⅵ级围岩相似材料，采用石膏、水和重晶石(质量比为1.1∶1∶0.3)配置衬砌相似材料，采用双层钢丝网模拟钢筋，围岩及衬砌相似材料力学参数如表3所示。

表3 围岩及衬砌相似材料力学参数Table 3 Mechanical parameters of similar materials of surrounding rock and lining

2.1.2 模型试验方案

试验中采用了2种穿越活动断裂带分节段隧道衬砌结构，即普通型仰拱衬砌结构(工况1)及加强型仰拱衬砌结构,(工况2)如图 13所示。

(a) 普通型仰拱衬砌结构(工况1)

(b) 加强型仰拱衬砌结构(工况2)图13 隧道衬砌结构(单位： cm)Fig. 13 Tunnel lining structure (unit: cm)

断层错动如图14所示。衬砌与断层斜交14°，共分10个衬砌节段，其中,1#节段径向宽度为34.5 cm、2#和9#节段径向宽度为29.5 cm、3#—8#和10#节段径向宽度为19.5 cm。试验模型箱上盘为正断左旋活动盘，下盘为固定约束盘，1#—5#节段位于错动带下盘，6#—10#节段位于错动带上盘。采用千斤顶进行分级错动，最终正断3 cm、左旋10 cm。

图14 断层错动示意图Fig. 14 Schematic of fault dislocation

2.1.3 穿越活动断裂带铁路隧道衬砌变形破坏特征

不同工况下，正断3 cm、左旋10 cm后，断层破碎带错动位置的衬砌(4#节段)破坏特征如图 15所示。其中，普通型仰拱衬砌结构的仰拱、拱部及拱脚发生破坏，加强型仰拱衬砌结构的拱顶及拱脚发生破坏。

(a) 普通型仰拱衬砌结构

(b) 加强型仰拱衬砌结构图15 隧道衬砌结构破坏特征试验结果(4#节段)Fig. 15 Damage characteristics of tunnel lining structure (segment No. 4)

正断3 cm、左旋10 cm后，隧道衬砌结构位错变形如图16所示。2种衬砌结构均出现了较为严重的错台，其中，普通型仰拱衬砌结构错台为6.89～9.80 cm，加强型仰拱衬砌结构错台为1～4 cm。

(a) 普通型仰拱衬砌结构位错变形

(b) 加强型仰拱衬砌结构位错变形图16 隧道衬砌结构位错变形示意图(单位： cm)Fig. 16 Schematic of dislocation deformation of tunnel lining structure (unit: cm)

2.2 数值模拟研究

为进一步验证模型试验结果，开展数值模拟研究，计算参数与模型试验相同，计算模型如图17所示。

图17 断层黏滑错动数值模型Fig. 17 Numerical model of fault stick-slip dislocation

正断3 cm、左旋10 cm后，隧道衬砌结构破坏特征如图18所示。其中，普通型仰拱衬砌结构的仰拱、拱部及拱脚发生破坏，加强型仰拱衬砌结构的拱部及拱脚发生破坏，与模型试验结果吻合。

(a) 普通型仰拱衬砌结构

(b) 加强型仰拱衬砌结构图18 隧道衬砌结构破坏特征模拟结果(4#节段)Fig. 18 Damage characteristics of tunnel lining structure (segment No. 4)

根据以上模型试验及数值模拟结果可知，穿越活动断裂带错断强烈影响段的隧道衬砌结构，在受到大位错横向变形和轴向变形的共同作用下，衬砌结构无法适应大尺度位错，不可避免地出现错台和结构开裂问题。

3 穿越活动断裂带铁路隧道抗震设防技术

3.1 穿越活动断裂带隧道抗震设防措施调研

为总结穿越活动断裂带隧道抗震设防措施经验，调研了国内外铁路隧道(成兰铁路柿子园隧道、拉林铁路桑珠岭隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道、肯尼亚内马铁路隧道等)、公路隧道(土耳其Bolu公路隧道、墨脱公路嘎隆拉隧道等)抗震设防措施，调研结果如表4所示。目前针对隧道抗减震构造措施主要包括： 1)预留变形空间，优化断面形状及衬砌节段设计； 2)改变围岩性质，如对围岩进行注浆或增设锚杆等； 3)提高衬砌性能，如增加隧道结构强度、阻尼、刚度调整等； 4)设置减震措施，如在隧道与地层之间设置减震构造等。

3.2 穿越活动断裂带隧道抗震设防措施优化

根据穿越活动断裂带隧道抗震设防措施调研结果(见表4)，结合前文中所述的隧道设防分区理念及变形破坏特征，得出穿越活动断裂带隧道应分区设防，基于现有技术水平，提出穿越活动断裂带隧道抗震设防措施优化方案。

表4 地下结构主要抗减震措施分类Table 4 Classification of main anti-seismic measures for underground structure

3.2.1 活动断裂带抗震设防范围

活动断裂带分为活动断裂带错断强烈影响段和一般影响段。

活动断裂带强烈影响段，采用“预留空间+圆形断面+节段设计”的工程方案，目前设计一般考虑在断裂带两侧延伸30 m，但研究发现延伸长度不足，建议根据断层性质、断层与隧道交角、隧道埋深等因素综合确定两侧延伸长度；在施工阶段，可结合超前地质预报和揭示的地质条件进一步优化调整延伸长度。

活动断裂带错断一般影响段，主要采用“加强衬砌结构及设置变形缝”的工程方案。目前设计中一般未单独考虑，建议对活动断裂带错断强烈影响带两侧各1 000 m范围进行抗震设防，加强衬砌结构并合理设置变形缝。

3.2.2 活动断裂带抗震设防措施

活动断裂带错断强烈影响段： 1)进一步优化活动断裂带地段节段设计。经调研，活动断裂带节段设计按照6～12 m的不等间距设置，多为9 m。结合课题科研试验，发现节段长度对隧道抗错断效果明显，可有效缩短错断范围，建议根据抗震设防要求，考虑施工影响，按“宜小不宜大”的原则，进一步缩短活动断裂带地段衬砌节段，以使隧道结构更好地适应变形。2)加强活动断裂带地段轨下结构设计。通过震害调研和模型试验分析，在活动断裂带错断地段，轨下结构破坏最为严重，结合受力分析，建议加强活动断裂带地段轨下结构整体性。

活动断裂带错断一般影响段： 按照场地地震安评结果进行抗震验算，采用钢筋混凝土衬砌，设置变形缝，加强轨下结构的整体性设计，提高衬砌结构的抗震能力。

3.3 新型多级减隔震结构技术体系

穿越活动断裂带隧道隔震减震结构断面如图19所示。1)对于强烈影响段，通过扩挖断面预留活动断裂带最大位错量，采用径向注浆提高围岩物理力学指标，采用高韧性喷射混凝土、锚杆及钢拱架作为初期支护层，泡沫混凝土作为减震层，钢结构衬砌作为二次衬砌层，纵向连接采用柔性连接器。当发生错断后，外层衬砌错断，通过外层和内层衬砌之间的柔性缓冲层，减小内层衬砌的错断，尽可能减小对隧道运营的影响。2)对于一般影响段，通过增设锚杆加固围岩，采用钢拱架和高韧性喷射混凝土作为初期支护层、凸壳式防排水板作为减隔震层、钢筋混凝土作为二次衬砌层，并在纵向设置宽变形缝，凸壳式防排水层兼作防水层，吸收耗散地震能量。

图19 穿越活动断裂带隧道隔震减震结构断面图Fig. 19 Typical tunnel section of seismic isolation and shock absorption crossing active fault zone

为解决隧道穿越活动断裂带隧道抗错断问题，针对活动断裂带错断强烈影响段，初步提出以“外层错断，中间吸能，内层抗震”为设计理念的穿越活动断裂带双层离壁式新型隧道结构构想。当发生位错后，外层衬砌结构出现错断，但内外层衬砌之间预留了足够的位错空间，避免内层衬砌结构出现大尺度的位错，内层衬砌主要承担强烈地震震动带来的影响。为了验证双层离壁式结构的抗错断性能，开展了模型试验研究，衬砌结构、试验装置、方案同第2.1节。双层离壁式衬砌结构如图20所示。

图20 双层离壁式衬砌结构(单位： mm)Fig. 20 Double layer off-wall lining structure (unit: mm)

正断3 cm、左旋10 cm后，断层破碎带错动位置的衬砌(4#节段)破坏特征如图21所示，双层离壁式衬砌结构外衬拱脚及拱顶发生破坏，但内衬未发生破坏。

图21 双层离壁式衬砌结构破坏特征(4#节段)Fig. 21 Damage characteristics of double lager off-wall lining structure (segment No. 4)

正断3 cm、左旋10 cm后，隧道衬砌结构位错变形如图22所示，双层离壁式衬砌结构外衬错台为2～7 cm。

图22 隧道衬砌结构位错变形示意图(单位： cm)Fig. 22 Schematic of dislocation deformation of tunnel lining structure (unit: cm)

根据试验结果可知，在大尺度条件下，该新型衬砌结构外衬结构产生破坏，外层衬砌和减震层吸收了大部分的位错量，内衬结构处于安全状态，但是内衬结构节段之间仍然产生错台。因此，建议进一步考虑新型衬砌结构对运营的影响，优化轨下结构设计方案，继续深化模型试验。同时，本文所提的穿越活动断裂带新型多级减震可变结构存在施工难度大、非震条件下对运营影响大及缺乏可靠的工程实践等问题，尚需进一步深化研究，经现场试验验证后方可用于实践。

而对于傍行于活动断裂带的隧道，经调研分析，在活动断裂带1 000 m范围内隧道受活动断裂震动影响严重。因此，建议对傍行于活动断裂1 000 m以内的隧道段进行抗震设防检算，加强衬砌结构，合理设置变形缝。

3.4 穿越活动断裂带铁路隧道抢通方案

根据以上研究可知，穿越活动断裂带的隧道，在发震时出现大位错，基于现有技术水平，尚无可靠的隧道结构形式可以应对，结构出现一定程度的损坏是难以避免的，若待正洞修复后再恢复通车，往往时间较长。因此，本文针对分修隧道及合修隧道提出了快速抢通方案。

3.4.1 合修隧道抢通方案

合修隧道震后快速抢通方案如图23所示。对于合修带平导和合修隧道，首先在距离活动断裂带两侧合适位置预留2条渡线隧道使正洞与平导相连，渡线采用内轮廓5.4 m×6.82 m(宽×高)的小断面，小于正洞单线内轮廓6.9 m×7.52 m(宽×高)，渡线采用相对简单有效的支护措施，便于震后快速抢通。震后利用小断面易修复的特点，采用临时措施(喷混凝土、钢架、局部波纹板等)快速加固活动断裂带段渡线结构，列车从渡线绕行，实现快速保通目的，待正洞修复后再恢复正常行车。

(a) “合修+平导”隧道

(b) “合修”隧道图23 合修隧道震后快速抢通方案示意图Fig. 23 Schematic of rapid recovery scheme after earthquake of jointly constructed tunnel

3.4.2 分修隧道抢通方案

分修隧道采用“抢通一侧线路，单侧临时通行”方案，即震后采用临时措施加固震损相对较轻的一侧隧道，通过调整行车组织，在上下行临近车站组织行车等待、避让，抢通线路区间单线临时通行。

3.4.3 渡线抢通方案

抢通阶段渡线隧道的修复以实现快速整治、保障临时行车安全为目标，其抢通方案主要分为以下3类：

1)震害极严重地段是指结构损毁严重、结构功能基本丧失的地段，采用以局部扩挖(不满足行车限界地段)+喷混凝土或钢纤维混凝土+工字钢+局部波纹钢板为主的临时修复对策，确保修复后结构不掉块、不变形。

2)震害严重地段是指衬砌剥落掉块严重、衬砌局部变形、裂缝发育、挤压变形明显、结构基本功能未丧失的地段，采用喷混凝土或钢纤维混凝土+局部工字钢+局部波纹钢板为主的临时修复对策，局部变形地段核实限界情况，不满足地段进行扩挖。

3)震害中等地段是指出现边墙裂缝(主要是环向裂缝)、仰拱填充层裂缝、附属洞室裂缝和渗漏水、水沟堵塞、施工缝剥落、底板或仰拱局部变形、裂缝等震害的地段，抢通阶段主要对水沟进行疏通，对较大的渗漏水进行引排，裂缝及不影响有砟道床铺设的底板变形等震害不进行处理，待列车临时通行后利用天窗时间采取裂缝封闭、基底注浆等措施进行修补。

由此可见，抢通方案具有快速性及可行性，可大幅减少震后通车时间，但仍需根据不同的震害情况，进一步细化渡线抢通方案。

4 结论与建议

4.1 结论

1)现有铁路隧道抗震技术及工程措施，可保证洞口、浅埋及洞身非活动断裂带段的隧道结构在地震作用下保持结构稳定，满足设防目标要求，现行的铁路隧道工程抗震方案合理，工程措施可靠。

2)穿越活动断裂带错断强烈影响段的隧道衬砌结构，在受到大位错横向变形和轴向变形的共同作用下，衬砌结构无法适应大尺度位错，不可避免地出现错台和结构开裂问题。

3)基于门源地震隧道震害资料统计及分析，提出了穿越活动断裂带隧道抗震2个区段。一个是活动断裂带错断强烈影响段，该区段隧道结构受强地震力作用下的横向变形和轴向变形共同作用；另一个是活动断裂带错断一般影响段，该区段距离震源近，震动幅值大，垂直地震动参数大，隧道结构变形受横向变形影响较小，主要是轴向变形。

4)对傍行于活动断裂带的隧道，其受活动断裂发震的影响范围与断层错动量、地震烈度、地层条件、埋深等因素密切相关。通常条件下，其影响范围在200 m～1 000 m。在覆盖层较薄或基岩出露区，由多条相距不远的走滑型断裂组合发震，断裂破碎带较宽，或由附近岩体较破碎的倾滑型断裂发震等特殊条件下，安全避让距离可取1 000～2 000 m。但在实际工程设计中，还应充分考虑地震等级、错动量、断裂性质等因素综合确定设防范围。

5)虽然基于现有技术，隧道结构难以适应大尺度(m级)位错，但可通过工程措施以降低活动断裂带错动带来的破坏程度，缩小破坏范围。一方面是设防长度，按照强烈影响段和一般影响段进行分区设防，加大强烈影响段的设防长度，对两侧的一般影响段进行抗震设防。另一方面是工程措施，对强烈影响段进一步缩小节段长度，加强轨下结构整体性；对两侧一般影响段应按照场地地震安评结果进行抗震验算，采用钢筋混凝土衬砌，设置变形缝，提高衬砌结构的抗震能力。

6)针对穿越活动断裂带铁路隧道强烈影响段及一般影响段，提出了新型多级减震可变结构设计体系。其中，一般影响段增设锚杆加固围岩，采用钢拱架和高韧性喷射混凝土作为初期支护层，凸壳式防排水板作为减隔震层，钢筋混凝土作为二次衬砌层，并在纵向设置宽变形缝；强烈影响段采用双层离壁式新型隧道结构，但新型体系尚不成熟，还需进一步试验验证。

7)对于大尺度位错，现有隧道结构难以适应，提出了快速抢通方案，针对穿越活动断裂带合修和分修隧道，分别提出了震后快速抢通方案，并分析了震后渡线抢通对策。

4.2 建议

1)活动断裂带活动性及活动特征参数对隧道抗震设防的影响极大，建议进一步加强活动断裂带的活动性、错动方式及洞内外错动位移量等地质基础理论研究，进一步加强对新建铁路沿线断裂带活动性的调查研究工作，提出准确的设防范围及相关地震动参数，提高设计的针对性、可靠性。

2)考虑到活动断裂带相关地震动参数对抗震设防的影响大，建议对穿越活动断裂带隧道进行场地安全性评价工作，提出精确的抗震设防参数。

3)由于活动断裂带发生大位错将导致隧道结构错断，仰拱隆起，影响行车安全，建议进一步研究活动断裂带发震时的监测、预警技术及相关机制，必要时扣停列车，确保行车安全。

4)基于现有认识，隧道结构难以适应大尺度活动断裂带位错，建议开展可适应活动断裂带大位错的韧性隧道结构体系的攻关，攻克隧道抗错断难题，提升我国铁路隧道的抗灾水平。