淺談柿子園隧道穿越活動斷裂帶施工措施

范上海

（中鐵十六局集團有限公司第二工程有限公司，天津市 300162）

1 工程概況

成蘭鐵路柿子園隧道D2K76+695～D2K82+320段穿越龍門山前山斷裂帶，區(qū)域構(gòu)造有彭縣～灌縣斷層、映秀～北川斷層、曉壩場斷層等，其中彭縣～灌縣斷層、映秀～北川斷層為全新世活動斷裂，在5.12地震中發(fā)生破裂。

該活動斷裂帶的特征為逆沖兼由旋走滑斷層，為全新世活動斷裂，水平和垂直活動滑動速率均為1 mm/a。斷層總體走西N35-50°E，侵向N W，傾角約50°～70°。上盤為T3x泥灰?guī)r夾砂巖的層間斷裂，5.12地震最新破裂面；破碎帶寬度約10～20 m。斷層為5.12地震最新破裂面，物探揭示不明顯，預(yù)設(shè)計里程段為D2K76+870～D2K76+990，長度為 120 m[2]。

2 活動斷層的處理目標及實現(xiàn)目標的措施

2.1 處理目標

（1）支護結(jié)構(gòu)滿足施工開挖及正常運營的安全（基本功能要求）

目前技術(shù)手段通過加強支護結(jié)構(gòu)能滿足開挖及正常運營要求。

（2）地震時，滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”（抗震能力要求）

由于斷層帶的隧道抗震分析尚未完善，因此襯砌地震時的可靠性分析缺乏理論依據(jù)。根據(jù)汶川地震的調(diào)研，地下結(jié)構(gòu)基本滿足大震不垮的要求，但斷層帶襯砌破壞現(xiàn)象仍較嚴重。

（3）發(fā)震時，結(jié)構(gòu)能適應(yīng)部分錯動變形，滿足可修要求（抗斷能力要求）

目前對斷層帶特別是活動斷層帶的處理，主要考慮對結(jié)構(gòu)進行加強，特別是對結(jié)構(gòu)剛度的加強?；趯顒訑嗔训恼J識可知，強剛度襯砌并不能保證抵御斷層錯動破壞，但對于錯動后的可修性（快速）會造成不利影響。

2.2 實現(xiàn)目標的處理措施及存在的問題

（1）提高抗震能力：a.使用受力條件較好的結(jié)構(gòu)輪廓，實現(xiàn)較容易。b.對圍巖加固，注漿形成加固圈，提高圍巖整體性，但加固范圍確定困難，施作時質(zhì)量控制較難。c.初支二襯之間設(shè)隔震層，采用一定厚度橡膠層或泡沫混凝土等，隔震材料的耐久性、可靠性要求難以提出，難以保證在使用期內(nèi)不發(fā)生自身沉降，（拱墻設(shè)計時影響較?。h(huán)設(shè)計可能涉及行車安全問題。

（2）盡可能減少破壞范圍：a.加強初期支護（錨管、鋼纖維噴混凝土），加強結(jié)構(gòu)，在破壞時盡可能不發(fā)生垮塌，但問題在于破壞荷載確定困難，因此加強的程度確定困難，可能造成造價大大提高。b.節(jié)段間無剛性結(jié)構(gòu)連接或弱剛性的連接。窄縫方案為加密常規(guī)變形縫，寬縫方案為預(yù)留較寬的剪切縫，環(huán)節(jié)間鉸鏈方案為環(huán)節(jié)間設(shè)錨栓等保證一定的連接剛度，但能保證一定轉(zhuǎn)動。問題在于防水處理復(fù)雜，窄縫方案可以按常規(guī)變形縫進行防水處理，寬縫方案防水處理復(fù)雜，（注漿封裂隙水，對滲水設(shè)管引流）。

（3）實現(xiàn)快速修復(fù)：a.擴大內(nèi)凈空，使發(fā)生錯動時滿足仍滿足凈空要求，并可作為補強空間，可配合輪廓改變進行。問題在于軌面以上預(yù)留實現(xiàn)容易，對軌下位移，需其他方式配合實施，預(yù)留凈空量確定困難。b.節(jié)段設(shè)計同上擴挖設(shè)計。c.在破壞需拆換時，加固圍巖能保證拆換時圍巖穩(wěn)定，降低安全風(fēng)險，減少二次強度特別時減少用鋼量可減少拆換難度。實現(xiàn)較為容易。d.加強初支，二襯采用類似管片襯砌，實現(xiàn)一定程度可拆換。但尚無實施實例，可拆換設(shè)計難度較大。

因此本線斷層帶處理應(yīng)在滿足基本功能要求和抗震能力要求的情況下，著重研究襯砌的快速修復(fù)特性。即處理原則：“優(yōu)化輪廓，適度加強，重在可修”。

3 施工措施

3.1 擴挖

擴挖的主要設(shè)計目的是適應(yīng)一定的錯動，滿足凈空要求，理論擴挖量主要依據(jù)活動斷層的錯動方式及錯動量確定。但考慮實際實施中，錯動量難以預(yù)測。本階段工作暫按批復(fù)要求考慮最小30 cm預(yù)留補強空間。

3.1.1 軌下（仰拱）擴挖問題

軌下結(jié)構(gòu)可結(jié)合軌道專業(yè)的相關(guān)措施確定如何設(shè)置，以減少抬升錯動方式破壞。否則一旦抬升將對仰拱填充進行鑿除改造[5]。為減少對仰拱填充的破環(huán)，該活動斷裂帶由原設(shè)計的無砟軌道更改為有砟軌道。

3.1.2 水溝電纜槽問題

擴挖后，同樣擴大溝槽邊緣距線路中線距離。此方式有可能利于錯動后減少水溝的改造工程。

3.2 雙線輪廓選擇

雙線零加寬斷面原輪廓軌面以上為圓形，凈空81.37 m2。擬定斷面僅分3種情況，而軌面以上輪廓均在原輪廓上放大30 cm。

（1）原輪廓全周放大30 cm，含仰拱輪廓。

（2）全周圓形，即仰拱也由軌面凈空確定的圓形代替。

（3）介于前兩種輪廓之間，適當抬高仰拱，可以減少仰拱開挖及仰拱填充約8 m3。

（4）加寬襯砌輪廓：一般輪廓邊墻范圍兩邊外展（拱部120°范圍以下）；圓形輪廓加寬處理整體放大。雙線輪廓示意見圖1，雙線各輪廓參數(shù)見表1。

圖1 雙線輪廓示意圖（單位：cm）

表1 雙線各輪廓參數(shù)表

雙線推薦采用近圓形襯砌，主要理由：受力條件和圓形差異很小，但可大大減少仰拱開挖（8方以上），同時施作也較圓形襯砌方便（大挖深仰拱，開挖落底困難，施作質(zhì)量控制難）。

3.3 鉸鏈設(shè)計

鉸鏈設(shè)計主要為節(jié)段設(shè)計，即通過變形縫或剪切縫等將原縱向一體的隧道結(jié)構(gòu)分成較短的獨立節(jié)段，節(jié)段間采用柔性連接或者不連接。根據(jù)設(shè)置方式的不同，主要有2種方案：窄縫和寬縫。

3.3.1 窄縫方案

窄縫方案即通過加密原設(shè)計在抗震設(shè)防段的變形縫實現(xiàn)節(jié)段設(shè)計。變形縫作為抗震的重要措施，在一般抗震設(shè)防段已有體現(xiàn)，本線抗震設(shè)防段按30 m/處間距設(shè)置?？紤]活動斷裂的錯動特性，為加大襯砌對錯動的適應(yīng)性在活動斷裂帶加密變形縫，調(diào)查資料顯示一般間距5～30 m/處。本階段可暫按5 m/處設(shè)置。

設(shè)置：規(guī)范要求變形縫一般寬2～3 cm，全環(huán)設(shè)置。考慮斷層帶初期支護剛度也較大，于初期支護同樣設(shè)置變形縫，且與二次襯砌位置一致，即同縫設(shè)置，以保證錯動時位移盡可能集中于預(yù)設(shè)變形縫處。仰拱填充也同樣設(shè)置變形縫可考慮與初期支護一致，采用木板隔離或充填瀝青。

施作：二次襯砌變形縫按一般變形縫施作，防水措施一致。初期支護變形縫可不考慮防水要求，可以在開挖后變形縫位置插入2～3 cm厚的木板。

3.3.2 寬縫方案

建筑結(jié)構(gòu)上變形縫一般寬5～12 cm，防震縫一般不小于7 cm。暫認為隧道內(nèi)設(shè)置縫寬5 cm以上的變形縫為寬縫方案，一般也稱為剪切縫。此時一般原設(shè)計防水措施無法適用。

寬縫方案主要考慮一般地震時，斷層帶錯動往往大于2 cm。因此一般變形縫仍無法達到使節(jié)段間完全獨立，因此加大節(jié)段間縫隙一般5～50 cm，這樣錯動盡可能發(fā)生在剪切縫上，而節(jié)段間結(jié)構(gòu)卻不發(fā)生大的破壞，可大大減少修復(fù)工作量。

設(shè)置方式：二次襯砌節(jié)段間完全獨立，節(jié)段間預(yù)留5～50 cm空間，空間僅采用初期支護或設(shè)置剛度較小的結(jié)構(gòu)，同樣全環(huán)設(shè)置。寬縫設(shè)計示意見圖2。

圖2 寬縫設(shè)計示意圖

3.4 減震層設(shè)置

減免震模式的基本構(gòu)思是：在初期支護和二次襯砌之間設(shè)置減震裝置，使原有二次襯砌―初期支護―圍巖系統(tǒng)變?yōu)槎我r砌―減震層―初期支護―圍巖系統(tǒng)，其目的是通過減震層將二次襯砌與初期支護隔開，從而減小和改變地震對二次襯砌結(jié)構(gòu)的作用強度和方式，以便達到減小二次襯砌結(jié)構(gòu)振動的目的。減震層不但要能割斷初期支護對二次襯砌的約束力，而且還能吸收二次襯砌與初期支護之間反復(fù)循環(huán)的動應(yīng)變或相對動位移。此外，減震層應(yīng)該具有一定的彈性，保證在一次地震塑性化后，下一次地震時能繼續(xù)發(fā)揮其作用。減震層設(shè)計示意見圖3。

圖3 減震層設(shè)計示意圖

4 結(jié)語

綜上所述，由于活動斷裂帶的運動具有時間的不確定性和長期性，對穿越活動斷裂帶的隧道運營期間的安全性影響至關(guān)重要。通過對柿子園隧道活動斷裂帶的施工，目前主要集中在對隧道的地震監(jiān)測方面，為運營期間地震尤其是活動斷裂緩慢錯動引發(fā)的安全問題進行預(yù)警和評估，供運營部門維護決策時參考。

參考文獻：

[1]李林.隧道穿越斷裂帶地震響應(yīng)特性及抗震措施研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2014.

[2]楊光.龍門山安縣—灌縣斷裂帶的斷裂巖特征—汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔（WF S D-3）巖芯及地表研究[D].四川成都:成都理工大學(xué),2012.

[3]郭斌.龍門山造山帶構(gòu)造特征及演化過程研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2006.

[4]李天斌.汶川特大地震中山嶺隧道變形破壞特征及影響因素分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2008,16(6):742-750.

[5]江在森,牛安福,王敏,等.活動斷裂帶構(gòu)造變形定量分析[J].地震學(xué)報,2005(6):610-619.