穿越活动断层输水隧洞病害研究进展

梅润雨 何骁 王义深 李建贺 和晋羽 崔臻

收稿日期：

2023-05-03

基金项目：

云南省重大科技专项计划项目（202102AF080001）

作者简介：

梅润雨，男，工程师，博士，主要从事水工建筑物抗震分析和安全评价方面的研究工作。E-mail：meirunyu@163.com

通信作者：

王义深，男，工程师，主要从事大型水利水电工程建设管理工作。E-mail：332704146@qq.com

引用格式：

梅润雨，何骁，王义深，等.穿越活动断层输水隧洞病害研究进展

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：44-51.

摘要：

穿越活动断裂带及大型城镇的输水隧洞，具有洞线长、埋深大、地质条件复杂等特点。为研究穿越活动断裂带的输水隧洞病害，归纳总结了关于穿越活动断裂带的隧洞结构变形、应力和损伤特征等方面的研究成果，对汶川地震和台湾集集地震灾区位于活动断裂带影响范围内的隧洞结构破坏统计数据进行系统整理，分析隧洞病害的主要特点、产生原因、破坏机理与案例病害类型，并将病害等级分成无病害、轻度病害、中度病害和严重病害4级。最后对隧洞病害处理措施进行归纳，并提出相应处置建议。研究结果可为輸水隧洞病害的归类与处置提供参考。

关键词：

活动断层； 输水隧洞； 病害机理； 病害类型； 病害处置措施

中图法分类号：TV698

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.008

文章编号：1006-0081（2024）01-0044-08

0  引  言

为解决水资源空间分布不均问题，促进地区经济社会高质量发展，长距离跨流域调水工程很有必要。在中国水资源相对丰富的青藏高原、云贵高原等的一批重大取调水工程中，如滇中引水工程、引大济湟工程，输水隧洞占其重要组成部分。由于受到总体线路布置、地形和地质等条件限制，输水隧洞无法避开穿越活动断裂带。断裂带活动会导致隧洞衬砌开裂、剥落、剪切错位，甚至导致隧洞无法正常运行。较典型的是克莱尔蒙特（Claremont）输水隧洞，其隧洞轴线与走滑活动断层海沃德（Hayward）断裂带呈近垂直相交。由于发生13英寸（33.02 cm）的蠕滑错断（图1），导致隧洞不能正常运行，在2006年于活动断裂段旁重建，耗时3 a，耗费巨大。诸多案例表明，活动断裂带附近的隧洞结构极易遭受严重破坏［1-2］，不利于输水隧洞的长期运行安全。然而，目前关于穿越活动断层带的隧洞工程设计和应对措施均以避让处理为主，没有给出明确处置建议［3］。本文通过对穿越活动断层隧洞病害机理、研究方法和相关研究成果进行系统整理，分析病害的主要特点。综合对比分析穿越活动断层既有的隧洞案例病害类型，并进行初步总结。最后对隧洞病害处理措施进行系统整理，提出针对输水隧洞病害的处置建议。

1  穿越活动断层的隧洞病害产生机理

1.1  活动断层分类

活动断层是现今仍在活动或近代地质时期曾有过活动，将来还可能重新活动的断层。根据断层的运动形式，活动断层分为黏滑型和蠕滑型。

黏滑型活动断层表现为间歇性突然滑动，属于潜在突发性地震灾害源，比较典型的是汶川地震。汶川地震是青藏高原在运动过程中遭到华南活动地块的强烈阻挡导致沿映秀-北川段出现断裂并突然发生错动引起。根据汶川地震的震后调查，跨活动断层隧道结构震害严重，部分段落甚至出现了二次衬砌垮塌、围岩垮塌等严重震害［4］。

蠕滑型活动断层表现为持续性连续滑动，属无震的地质灾害源，比较典型的是美国加州旧金山的伯克利山（Berkeley Hills）隧道。该隧道穿越海沃德活动断层，从1969年到1981年12 a间，在监测的67.1 m宽的洞段内发生了约80 mm的右旋偏移，导致海沃德断层上盘附近的衬砌出现了较多的轴向压剪裂纹［5］。

1.2  穿越活动断层隧洞设计方法

根据国内外穿越活动断层隧洞工程设计经验，隧道工程抗错断防护设计可以归纳为扩挖设计、铰接设计及隔离消能设计三大类。

扩挖设计即根据活动断层可能的错动量，扩大隧道断面尺寸，如图2所示。在断层错动时，扩大的隧道断面尺寸可以保证隧道断面的净空面积，尽可能减小错动导致的隧道结构破坏。扩挖量主要依据活动断层的错动方式及错动量确定。

铰接设计指尽量减小隧洞节段长度，使断层带及其两侧一定范围内的节段保持相对独立，各刚性隧洞节段间采用刚度相对较小的柔性连接，如图3所示。在断层错动时，破坏将集中在连接部位或结构局部，而不会导致结构整体性破坏。

隔离消能设计是指采用钢筋混凝土复合衬砌，由初期支护、二次衬砌和中间回填柔性材料组成，如图4所示，其设计思路是外柔内刚，尽可能将地层蠕变和地震引起突变的位移吸收消化在初期支护和中间的缓冲层上，从而不影响二次衬砌的正常使用。

一般而言，超挖设计是最有效的抗断防护对策，但如果隧洞通过断层带的区间较长，则扩大横断面开挖面积会使工程成本增加很多。因此，超挖设计适用于断层带宽度较小的情况。铰接设计适合于断层带区间较长或隧洞具有很大断面面积的情况。

1.3  穿越活动断层隧洞破坏机理

活动断层在发生错动时，围岩沿着错动缝发生错动，在围岩约束作用下，衬砌将发生一定变形，如图5所示。在活动盘、固定盘与断层带交界处，活动盘范围内沿着错动方向的衬砌边墙处于受拉状态，背对着错动方向的衬砌边墙则呈现受压趋势；在固定盘内，断层围岩处于固定状态，但在错动影响下，两盘与断层带交界处，固定盘范围内衬砌边墙的受力状态同活动盘范围内的衬砌相反［6-8］。

图5所示的断层错动下衬砌应变响应是较理想化的情况，隧洞与断层垂直相交。在实际工程中，隧洞衬砌结构的应变响应规律与断层特征因素及隧洞结构特征因素相关。从隧洞名称、断层运动型式、断层特征因素、隧洞特征因素、分析方法和软件及分析内容6个方面，对相关学者关于穿越活动断层隧洞破坏机理研究成果进行了归纳，见表1。

目前主要分析方法主要有3种：数值分析方法（包括三维有限元法、三维有限差分法和三维离散元法）、弹性地基梁理论分析方法和物理模型试验。分析内容主要是从隧道衬砌结构变形、内力、应力及裂缝变化特征等方面来评价不同影响因素作用下衬砌的破坏特点。分析的隧洞类型包含水工隧洞、公路隧洞和铁路隧洞。断层主要特征因素包括隧洞同断层的空间相对位置关系以及断层活动性质，见图6。隧洞和活动断层的空间相对位置关系受断层的走向及倾向、隧洞的埋深控制。断层活动性质包括断层运动方向、运动形式、宽度、围岩力学性质以及错动量等因素，见图7。隧洞结构主要特征因素除了上述介绍的三大类抗错断防护设计方法外，还包括衬砌结构尺寸及形状。

相关研究表明，增加衬砌厚度、减小隧洞断面直径、增加隔离消能层和提高衬砌强度等措施均可有效提高隧洞的抗错断性能。对于铰接设计，减小衬砌节段长度、适当增加设防范围可以有效提高铰接隧洞的抗错断性能。断层错动量的大小、断层宽度及断层埋深对隧洞衬砌的破坏有重要影响，断层错动量增加、断层宽度增加以及隧洞埋深增加均会加大隧洞衬砌的破坏程度。对于隧洞断面形式，圆形断面抗错断能力优于马蹄形断面。隧洞穿越断层带的最佳夹角为90°，当隧洞洞轴线与断层夹角较小时，断层错动作用影响范围较大，隧洞更有可能遭受严重破坏。

2  穿越活动断层输水隧洞病害分类

隧洞衬砌结构的破坏与众多影响因素相关。隧洞衬砌应力、应变和变形等指标在超过一定阈值后，衬砌结构将出现裂缝与混凝土剥落，在严重情况下会发生隧洞坍塌等病害现象。经过对比分析，输水隧洞和公路隧洞、铁路隧洞衬砌结构在活动断裂带作用下的破坏机理相似，不同类型的隧洞发生的破坏特征无较大差异。

通过物理模型试验，在一定程度上揭示了隧洞的破坏特征。周光新［19］通过试验结果得出，在走滑断层错断作用下，铰接隧洞整体呈“S”形变形，其破坏多表现为衬砌节段间铰接结构破坏，节段间发生大角度转动和错台，少数情况下衬砌节段发生压剪破坏。Liu等［22］通过研究表明在断层活动作用下，上覆松散地层中将会出现多个断层破裂，这些断裂延伸到地表，形成三角形剪切带，穿过断层带的隧道衬砌承受较大的不均匀位移，产生弯曲破坏或剪切破坏。孙飞［20］的试验结果表明隧道衬砌在受断层黏滑错动作用下，隧道结构裂缝种类包括纵向裂缝、环向裂缝及斜裂缝，断层带内的衬砌结构损坏最为严重。

虽然上述学者对衬砌结构的破坏情况进行了分析，但根据实际穿越活动断裂带的隧洞结构破坏情况来看，试验所表征的隧洞病害类型与实际仍有一定差别。考虑到穿越活动断裂带输水隧洞破坏案例较少，本文通过分析已经发生的汶川大地震穿越活动断裂带公路隧洞和集集地震震区引水隧洞的破坏情况，对输水隧洞病害类型进行总结。

汶川大地震灾区共有6座隧道穿越断层破碎带，见表2，酒家垭隧洞、友谊隧洞和白云顶隧洞是最严重的破坏类型，为二衬坍塌，龙溪隧道发生了最为严重的隧道垮塌的震害类型［28-30］。以龙溪隧道F8断层为例，相较于普通段隧道，穿越断层破碎带的隧道結构震害更为严重，震害类型主要有：衬砌开裂、衬砌渗水、衬砌错台、二衬坍塌、混凝土剥落、施工缝开裂和隧道垮塌（衬砌与围岩均垮塌）等，见图8。其中，出现比例最高的病害是二次衬砌垮塌，占比40.10%，其次是衬砌开裂，占比29.69%。隧道垮塌占比虽为1.04%，但此种情况下隧洞功能已完全丧失。

中国台湾省集集大地震由车笼埔断层逆冲引起，断层错动区所受震动强度最大。震区中仅有一座石岗坝引水隧道位于错动区，因地表有4 m垂直错动位移，隧道沿线衬砌有多处剥落，隧道无法通水。隧洞主体结构病害类型主要为衬砌龟裂、衬砌剥落、衬砌错动开裂、钢筋外露、伸缩缝及施工缝位移、渗漏水和隧道主体落盘路面。

区别于公路隧道和铁路隧道，输水隧洞长期有水运行，当内水压力高于外水压力，在活动断裂带错动作用下，衬砌极有可能产生渗漏通道，导致隧洞内水外渗，继而影响围岩容重以及降低岩体强度［31］；当外水压力高于内水压力时，断裂带活动导致围岩和衬砌发生破坏，原有的围岩渗控体系将会发生改变，外水会沿着新产生的渗漏通道流向洞内，长时间后会将衬砌背后中围岩内部的细小颗粒冲走，降低围岩的稳定性［32］。

根据以上分析，可将过活动断层输水隧洞病害类型分为4个方面：结构变形、结构损坏、渗漏水和附属结构物损坏。结构变形包括衬砌局部隆起和塌陷、衬砌变形、衬砌错台；结构损坏包括衬砌开裂、衬砌剥落、二次衬砌开裂；渗漏水包括衬砌渗水、衬砌突水；附属结构物损坏主要为铰接结构破坏。

3  穿越活动断层输水隧洞病害分级

隧洞衬砌病害的严重程度直接关系到隧洞结构运行安全。在对实际产生的病害进行分类后，需要对病害进行分级，以确定其严重程度，方便后续制定相关措施进行处理。

王文礼等［33］通过整理汶川地震波及的公路隧道和铁路隧道震害资料，基于隧道震害程度和与断层距离两项因素，将震害分为4种类型：重度灾害、中度灾害、轻度灾害和无灾害。基于上述衬砌破坏类型，重度灾害包括衬砌错台、二次衬砌垮塌和隧洞垮塌；中度灾害包括混凝土剥落和衬砌开裂且裂缝走向清晰；轻度灾害包括衬砌渗水、施工缝开裂和衬砌开裂且无明显裂缝走向。

中国台湾省集集大地震发生后，根据公路隧道能否安全通行，将隧道损害程度分为3个类别，见表3［33-34］。其中受损轻微占55%，受损中等占20%，受损严重占25%，受损以衬砌龟裂为主。

在JTG H12-2015《公路隧道养护技术规范》中，根据衬砌结构裂损情况、变形情况和背后空洞分布情况制定了衬砌破损技术状况评定标准，将衬砌破损状态分为5个级别。

由于一般混凝土衬砌裂缝宽度可以有效地反映结构的损伤程度，其经常被用作输水隧洞结构性能评估的指标。根据SL 279-2016《水工隧洞设计规范》相关规定和过镇海［35］的试验结果，Zhong等［26］根据4种裂缝宽度范围给出了输水隧洞4种损伤状态：无损伤、轻微损伤、中度损伤和严重破坏，见表4。

输水隧洞病害分级需要根据隧洞能否正常输水为评判标准，除了衬砌的破坏评价标准外，还应考虑活动断裂带上下盘竖向错动量对隧洞局部水流流态的影响程度。一旦上下盘发生错动，对于无压输水隧洞，除了增加隧洞的局部水头损失，在严重情况下错动量超过一定范围将可能造成隧洞内壅水，使隧洞净空不满足规范要求。根据相关学者研究成果以及规范规定，结合输水隧洞的特点，其分级可参考公路隧道和铁路隧道衬砌破坏的分级标准，从结构变形程度、结构损坏程度、渗漏水程度、附属结构物损坏程度和对正常输水功能的影响程度5个方面来综合评价确定。病害等级分成4个等级：无病害、轻度病害、中度病害和严重病害，见表5，其中裂缝宽度评判标准可参考表4中描述。

4  隧洞病害处置措施

对隧洞病害进行分类分级后，为保证隧洞结构的安全性和功能性，需要根据现场的调查结果制定隧洞病害处置措施。

张伟等［36］结合引滦入津输水隧洞，总结了输水隧洞节段伸缩缝缺陷、衬砌裂缝、低强混凝土、脱空洞段等病害的治理技术。刘美玲［37］系统总结了输水隧洞衬砌混凝土裂缝处理对策，阐述了表面裂缝修补措施、灌浆嵌缝封堵裂缝措施以及结构加固措施的施工方式。秦敢［38］系统评价了拱顶欠厚对穿黄隧洞预应力混凝土衬砌的影响，分析拱顶回填混凝土和内贴钢板等加固方案的可行性。Fei等［39］收集整理90条国内高速公路隧洞病害相关信息，总结结合病害严重程度，对于轻微病害，采用化学注浆、表面密封和灌浆等常规的修复方法，其中灌浆方法采用最多（32条隧道）；中等病害可使用纤维复合材料、钢板（带）、钢拱架和套拱等措施来处理，其中套拱采用最多（35条隧道）；对于严重病害，通过维修措施很难改善隧道的状况，需要采用更换措施。

根据相关学者研究成果，无论是输水隧洞，还是公路、铁路隧洞，隧洞病害的处置措施通常分为修复、加固和更换3类。

对于运行期穿越活动断裂带的输水隧洞，在运行过程中对断层位移进行持续监测，定期对衬砌状态进行检查，一旦发现轻度（等级B）及以上的病害应及时采取措施对衬砌进行修复和加固，避免病害进一步恶化。对于地震作用下的黏滑破坏情况，针对输水隧洞的结构特点，应根据不同的恢复标准和阶段制定相应的处置措施。

对于B类轻度病害的隧洞，对衬砌结构进行修补并局部补强后达到原设计标准。对于C类中度病害的隧洞，应采用拆除重建或加固补强后达到现有设防标准。对于D类等级，需对地震病害段进行重建，并按相关规范要求进行抗震设防设计。

公路和铁路隧洞将震害处置分为3个阶段：抢通、保通和恢复重建［40］。对于长距离输水隧洞，其在不停水情况下进行检修和修复非常困难，地震发生后，需对隧洞病害进行较为彻底的处理后才能正常通水，因而可将其病害处置分为2个阶段：应急抢险阶段和恢复重建阶段。

在应急抢险阶段，应紧急切断上游来水后，观察隧洞内水位变化情况，初步判断隧洞内是否因为坍塌导致隧洞内水流不易排出。待判断隧洞内水流稳定后，可先安排机器人探查等手段对隧洞内的情况进行初步检查，查看隧洞衬砌的稳定情况以及是否有二次混凝土剥落、掉块或局部垮塌的洞段。确认隧洞内状况相对稳定且隧洞内无明显积水后，应及时对隧洞内掉块、垮塌体进行清理，接着采用喷混凝土或安设型钢钢架等临时支护措施加固围岩，防止围岩进一步破坏。

在恢复重建阶段，首先通过专业仪器设备对隧洞进行全面详细的检测评估，并根据检测结果提出经济可行的处理方案。对于二次衬砌掉块、严重开裂和垮塌洞段，可采用型钢钢架和钢管片处理等方式。对于衬砌渗漏水，应根据渗漏量、渗漏部位以及渗漏形式采取相应的处置措施，防止进一步渗水，应对因内水外渗导致围岩强度降低的洞段围岩进行补强，对因外水內渗的洞段，应检查衬砌后是否存在空腔现象，及时灌浆处理增加围岩强度。对于衬砌裂缝较小的洞段可用嵌补法、外贴碳纤维布和黏贴钢板等方式进行加固。对于衬砌开裂严重的洞段，可采用面层和钢拱架等方式进行加固。对于垮塌段，应采用套拱加固、换拱加固以及注浆加管棚的方法进行处置。因错台造成隧洞输水功能受到影响的洞段，应通过对拆除局部衬砌，扩挖围岩，复建衬砌等方式恢复隧洞正常输水功能。

5  结  语

本文通过汇总相关学者关于穿越活动断裂带的隧洞结构变形、应力和损伤特征等方面的研究成果，以及对汶川地震和台湾集集地震灾区位于活动断裂带影响范围内的隧洞结构破坏统计数据进行系统梳理和整理，对穿越活动断层隧洞病害机理、隧洞病害类型以及隧洞病害处理措施进行分析和研究。根据输水隧洞的结构特点，提出了输水隧洞病害分类、分级及相应处理措施建议。

（1） 穿越活动断裂带的输水隧洞的破坏程度，受隧洞同断层的空间相对位置关系以及断层活动性质等断层特征因素影响，以及抗错断防护设计方案、衬砌结构尺寸及形状等隧洞结构特征因素直接影响。

（2） 输水隧洞病害分类可从结构变形、结构损坏、渗漏水和附属结构物损坏4个方面综合评价来确定。

（3） 对于隧洞病害分級标准，可从结构变形程度、结构损坏程度、渗漏水程度、附属结构物损坏程度和对正常输水功能的影响程度5个方面来综合评价确定。

（4） 因断裂带活动导致输水隧洞产生病害，对蠕滑破坏应及时观察及时处理，黏滑破坏应分不同标准和阶段制定相应方案进行处理。

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（编辑：唐湘茜，张  爽）

Research progress of water conveyance tunnel defects crossing active faults

MEI Runyu1，HE Xiao2，WANG Yishen2，LI Jianhe1，HE Jinyu2，CUI Zhen3

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430014，China；  2.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.，Ltd.，Kunming 650000，China；  3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

Water conveyance tunnels passing through active fault zones and large cities and towns were characterized by long tunnel lines，large burial depths and complex geological conditions.To study the defects of water conveyance tunnels crossing through active fault zones，the research results of relevant scholars on the structural deformation，stress，and damage characteristics of tunnels were analyzed.The statistical data of tunnel structure damage in affected areas of Wenchuan earthquake and Chichi earthquake were systematically collated，and the main characteristics，causes and damage mechanisms，and case types of tunnel defects were analyzed.The defect grades were divided into four levels： no defect，mild defect，moderate defect，and serious defect.The treatment measures for tunnel defects were summarized and corresponding disposal suggestions were proposed．

Key words：

active fault； water conveyance tunnel； defect mechanism； defect type； damage treatment measures