長距離隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系和布置設(shè)計(jì)

張雨霆, 王義深, 趙利鵬，黃書嶺，何 驍，李建賀

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.云南省滇中引水工程有限公司 質(zhì)量安全和技術(shù)管理部，昆明 650000； 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

“十四五”規(guī)劃擬實(shí)施的包括滇中引水、引江補(bǔ)漢、引漢濟(jì)渭等重大引調(diào)水工程建設(shè)，是推進(jìn)國家水網(wǎng)聯(lián)通的重大戰(zhàn)略需求。修建長距離輸水隧洞則是上述地處中西部的引調(diào)水工程實(shí)現(xiàn)水資源調(diào)度和配置的重要手段。這些隧洞將穿越包括活動(dòng)斷裂帶在內(nèi)的復(fù)雜地層，對(duì)隧洞長期安全性構(gòu)成威脅。圍繞隧洞穿越活動(dòng)斷裂的抗錯(cuò)斷問題，已有學(xué)者開展針對(duì)性研究，并取得一系列成果。曲桂有[1]對(duì)掌鳩河引水工程廠口隧洞穿越普渡河斷裂帶的圍巖和支護(hù)響應(yīng)開展了監(jiān)測分析；崔光耀等[2]開展了汶川地震后的公路隧道震害調(diào)查與震害特征研究，總結(jié)了跨斷層帶隧道破壞特征；王道遠(yuǎn)等[3]利用震害調(diào)查資料，發(fā)現(xiàn)軟弱圍巖段易于發(fā)生二襯垮塌震害，并提出“回填注漿+交錯(cuò)設(shè)縫”的處治措施；馬亞麗娜等[4]基于地基梁假定，研究了跨活斷裂隧洞縱向變形及內(nèi)力響應(yīng)特性；熊煒等[5]采用數(shù)值方法，對(duì)隧洞穿越正斷層時(shí)的斷層錯(cuò)動(dòng)量、傾角、隧道埋深以及隧道與斷層的交角等因素進(jìn)行分析，并歸納對(duì)襯砌破壞模式的影響。趙坤等[6]也采用數(shù)值方法，對(duì)位于活動(dòng)斷層帶內(nèi)的隧道襯砌鉸接設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析論證；劉學(xué)增等[7]采用模型試驗(yàn)方法，研究了逆斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)公路隧道影響；信春雷等[8]也采用模型試驗(yàn)方法，研究了走滑斷層隧道采用套管式可變形抗減震措施的有效性；王旺盛等[9]對(duì)引調(diào)水工程的深埋長隧洞主要地質(zhì)問題進(jìn)行梳理，認(rèn)為應(yīng)重視研究隧洞穿越活動(dòng)性斷裂的抗斷問題。綜上可知，既有的隧洞穿越活動(dòng)斷裂方面的研究，多圍繞錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)隧洞襯砌的破壞特征和影響機(jī)理，以及隧洞抗錯(cuò)斷措施和評(píng)價(jià)等方面展開。獲取隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶洞段的各種響應(yīng)量，是準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)隧洞各種抗錯(cuò)斷措施有效性和可靠性的前提。查閱文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前還少有學(xué)者針對(duì)監(jiān)測儀器的布置方式和類型開展了研究工作。

針對(duì)該課題，本文提出了過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的“五適應(yīng)”設(shè)置原則，并以滇中引水工程香爐山隧洞為對(duì)象，逐一明確了隧洞穿越活動(dòng)斷裂時(shí)的監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域、監(jiān)測儀器和布置時(shí)機(jī)，可為隧洞過活動(dòng)斷裂帶的安全監(jiān)測布置設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測設(shè)置原則

現(xiàn)有研究[10]表明，當(dāng)隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶時(shí)，勘察和設(shè)計(jì)規(guī)范均建議以避讓為主，且滿足一定避讓距離；針對(duì)無法避讓情形，也多以原則性規(guī)定為主，既未涉及隧洞過活動(dòng)斷裂的抗錯(cuò)斷措施，也沒有建議與隧洞監(jiān)測相關(guān)的內(nèi)容。同時(shí)，雖然國內(nèi)外目前已有多個(gè)隧洞穿越活動(dòng)斷裂的工程實(shí)例[11-13]，形成了隧洞抗錯(cuò)斷的應(yīng)對(duì)理念和具體措施，但還鮮有研究抗錯(cuò)斷措施的監(jiān)測設(shè)置原則和布置方法。因此，針對(duì)該情況，有必要首先研究并提出過活斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的設(shè)置原則。

綜合現(xiàn)行規(guī)范、活動(dòng)斷裂帶特性、隧洞結(jié)構(gòu)特性、抗錯(cuò)斷措施和隧洞施工方法等直接影響隧洞穿越活動(dòng)斷裂的多種因素，提出過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測布置的“五適應(yīng)”原則，具體為：

(1) 與現(xiàn)行規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)原則。表1為現(xiàn)行安全監(jiān)測規(guī)范[14-15]針對(duì)水工隧洞設(shè)置的監(jiān)測項(xiàng)目，包含變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等內(nèi)容。作為水利水電工程建筑物，過活動(dòng)斷裂的隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方案，也應(yīng)與現(xiàn)有規(guī)范規(guī)程相適應(yīng)，即擬設(shè)置的監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)盡量在規(guī)范所列的監(jiān)測項(xiàng)目中，從而方便將抗錯(cuò)斷監(jiān)測項(xiàng)目納入隧洞工程的總體安全監(jiān)測方案。

表1 水工隧洞變形監(jiān)測項(xiàng)目Table 1 Monitoring items for hydraulic tunnel deformation

(2) 與活動(dòng)斷裂帶活動(dòng)特征相適應(yīng)原則?；顒?dòng)斷裂帶的活動(dòng)特征包括活動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)模式和工程活動(dòng)性，取決于所在地質(zhì)單元的構(gòu)造特征及地質(zhì)歷史。

從活動(dòng)類型看，活動(dòng)斷裂可分為黏滑型和蠕滑型。蠕滑型活動(dòng)斷裂表現(xiàn)為長時(shí)間持續(xù)性無震錯(cuò)動(dòng)，隧洞結(jié)構(gòu)的破壞為逐漸發(fā)生，通過設(shè)置相關(guān)監(jiān)測儀器，能夠捕捉到隧洞結(jié)構(gòu)在蠕滑作用下從開始受荷到發(fā)生破壞的全過程響應(yīng)。黏滑型活動(dòng)斷裂表現(xiàn)為發(fā)震時(shí)的突然錯(cuò)動(dòng)，破壞力強(qiáng)，多座隧洞的震后調(diào)查表明，穿越斷層帶的襯砌結(jié)構(gòu)破壞較為常見，抗震措施只能減輕破壞影響，無法避免震損破壞。因此，對(duì)于受到活動(dòng)斷裂黏滑影響的隧洞，結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)響應(yīng)時(shí)間短、破壞力強(qiáng)，監(jiān)測儀器很可能在失效破壞前，因采樣頻率設(shè)置無法記錄到足夠數(shù)據(jù)，或在開始記錄數(shù)據(jù)前就被破壞。綜上對(duì)比，可知蠕滑型活動(dòng)斷裂監(jiān)測的可實(shí)施性更強(qiáng)，應(yīng)重點(diǎn)研究與此類活動(dòng)斷裂的監(jiān)測方案。

從運(yùn)動(dòng)模式看，活動(dòng)斷裂可分為正滑型、逆滑型、走滑型和復(fù)合型。不同類型的運(yùn)動(dòng)模式對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)形成不同受荷條件，力學(xué)響應(yīng)也差異明顯。如美國加州Berkeley Hills隧道[16]穿越的Hayward斷層帶為正滑兼右旋走滑型，隧道襯砌在8 a觀測中，出現(xiàn)了較多的軸向壓剪裂紋，即以壓破壞和剪切破壞為主(圖1)。因此，活動(dòng)斷裂監(jiān)測應(yīng)與其運(yùn)動(dòng)模式相適應(yīng)，設(shè)置旨在監(jiān)測壓剪型結(jié)構(gòu)響應(yīng)的儀器。

圖1 美國加州Berkeley Hills隧道因Hayward斷層帶 蠕滑產(chǎn)生的襯砌裂縫素描(立面圖)[16]Fig.1 Sketch of fractures on lining structures in Berkeley Hills Tunnel crossing Hayward fault zone (vertical view)[16]

從工程活動(dòng)性看，活動(dòng)性較強(qiáng)的斷裂帶在隧洞使用年限內(nèi)所發(fā)生的位錯(cuò)更大，對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的形變作用荷載相對(duì)更加明顯，需要匹配適應(yīng)性更強(qiáng)的抗錯(cuò)斷措施，由此監(jiān)測措施也相應(yīng)地需具備更大的量程，活動(dòng)性較弱的斷裂帶則相反。

綜上可知，隧洞過活動(dòng)斷裂帶的監(jiān)測與活動(dòng)特征相適應(yīng)，主要體現(xiàn)為應(yīng)重點(diǎn)分析蠕滑型活動(dòng)斷裂監(jiān)測，與隧洞力學(xué)響應(yīng)特征和破壞類型相適應(yīng)，以及與活動(dòng)性強(qiáng)弱相匹配等3個(gè)方面。

(3) 與隧洞結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和破壞特征相適應(yīng)原則。在活動(dòng)斷裂的影響下，隧洞結(jié)構(gòu)的變形和破壞呈現(xiàn)與一般情形完全不同的特點(diǎn)。例如設(shè)置剪切縫是隧洞襯砌的常見抗錯(cuò)斷手段，在走滑型活動(dòng)斷裂的影響下，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的變形方向和變形量與活動(dòng)斷裂的變形趨勢(shì)密切相關(guān)，完全不同于隧洞開挖后圍巖向洞內(nèi)變形的一般規(guī)律。因此，針對(duì)過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測，應(yīng)建立在查明活動(dòng)斷裂特定活動(dòng)模式所引起的隧洞結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和破壞特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在主要變形破壞區(qū)域布置監(jiān)測儀器；并根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞特征，選擇對(duì)應(yīng)監(jiān)測內(nèi)容，例如當(dāng)襯砌為剪切破壞時(shí)，可布置位錯(cuò)計(jì)，襯砌為拉壓破壞時(shí)，可布置測縫計(jì)。

(4) 與抗錯(cuò)斷措施相適應(yīng)原則。現(xiàn)有研究表明[10]，隧洞較常采用的抗錯(cuò)斷措施包括擴(kuò)挖斷面、設(shè)置鉸接段或剪切縫、復(fù)合襯砌隔離消能等。不同型式的抗錯(cuò)斷措施在承受活動(dòng)斷裂帶的形變作用時(shí)，受力機(jī)理不同。因此過活動(dòng)斷裂帶的隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測應(yīng)更具針對(duì)性，與抗錯(cuò)斷措施相適應(yīng)。

(5) 與隧洞開挖施工方法相適應(yīng)原則。隧洞一般采用鉆爆法開挖和隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)掘進(jìn)施工開挖。鉆爆法施工和TBM掘進(jìn)法施工工藝不同，選用的襯砌結(jié)構(gòu)型式和施作時(shí)機(jī)也可能不同。例如鉆爆法開挖一般以現(xiàn)澆混凝土襯砌為主，TBM掘進(jìn)則既可以采用澆筑混凝土，也可以采用預(yù)制管片；雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)則進(jìn)一步要求隨掌子面推進(jìn)同步施加襯砌管片。活動(dòng)斷裂安全監(jiān)測應(yīng)考慮上述差異給監(jiān)測項(xiàng)目及其實(shí)施時(shí)機(jī)帶來的影響，與隧洞開挖施工方法相適應(yīng)。

3 工程應(yīng)用

本節(jié)以滇中引水工程香爐山隧洞為研究對(duì)象，詳細(xì)給出上述提出的過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測設(shè)置原則在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3.1 香爐山隧洞概況

滇中引水工程是云南省有史以來投資最大、建設(shè)難度最高的水利工程。香爐山隧洞的單洞線路最長，達(dá)62.6 km。隧洞的最大埋深為1 450 m，埋深一般為600～1 200 m，67.4%洞段的埋深>600 m，34.2%洞段的埋深>1 000 m。隧洞沿線的工程地質(zhì)條件復(fù)雜，面臨軟巖大變形、硬巖巖爆、涌突水和斷層破碎帶垮塌等多種工程問題。根據(jù)隧洞施工方法、圍巖分類和斷層活動(dòng)性等情況，隧洞的襯后直徑在8.3～8.8 m之間。

3.2 隧洞穿過活動(dòng)斷裂帶的基本情況

3.2.1 活動(dòng)斷裂基本特征

根據(jù)相關(guān)研究成果[17]，香爐山隧洞沿線共有龍?bào)础獑毯蟆Ⅺ惤獎(jiǎng)Υ?、鶴慶—洱源3條活動(dòng)斷裂帶，均為全新世活動(dòng)斷裂帶，活動(dòng)性分別表現(xiàn)為左旋走滑兼正滑、左旋走滑兼逆滑、左旋走滑，其他參數(shù)見表2。本文分析時(shí)，采用“未來百年最大地表位錯(cuò)量設(shè)防參數(shù)”的上限值輸入計(jì)算模型。

表2 香爐山隧洞穿越的活動(dòng)斷裂帶的基本指標(biāo)Table 2 Basic indices of the active fracture zone crossed by Xianglushan tunnel

3.2.2 活斷斷裂帶區(qū)域的初始地應(yīng)力條件

活動(dòng)斷裂及其影響帶實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果顯示3個(gè)主應(yīng)力量值主要呈現(xiàn)“水平向大主應(yīng)力>鉛直向應(yīng)力>水平向小主應(yīng)力”的關(guān)系，表現(xiàn)為走滑型應(yīng)力狀態(tài)。受斷裂的活動(dòng)性質(zhì)影響，斷裂帶內(nèi)的最大水平主應(yīng)力方向平行或小角度相交于斷裂走向。

3.2.3 活動(dòng)斷裂帶區(qū)域的地層巖性特征

龍?bào)础獑毯髷嗔压舶?條分支斷裂，并以西支斷裂規(guī)模最大，斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖以碎粒巖和角礫巖為主，且寬度超過100 m，傾角約60°；麗江—?jiǎng)Υ〝嗔褞Ч舶?條主要分支斷裂，并以東支斷裂為主，斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖為碎粒巖和角礫巖，構(gòu)造巖帶的地面寬度約100 m，傾角約70°；鶴慶—洱源斷裂帶與隧洞呈近垂直相交，構(gòu)造巖以碎粒巖、碎粉巖及角礫巖為主，巖帶寬約30 m，傾角約70°。上述斷裂帶的寬度，是綜合地表勘察和鉆孔信息確定的。

3.3 斷裂帶蠕滑作用下隧洞結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律

3.3.1 初始計(jì)算條件

采用數(shù)值分析方法評(píng)價(jià)斷裂帶蠕滑作用下的隧洞結(jié)構(gòu)變形特征和破壞規(guī)律。根據(jù)表2，選取香爐山隧洞沿線活動(dòng)性最明顯的麗江—?jiǎng)Υ〝嗔褞|支斷裂F11-3(圖2)作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)樁號(hào)為DL24+900—DL25+005。計(jì)算模型(見圖3)的建模范圍跨度約800 m，從1 800 m高程到地表。順?biāo)鞣较蚍秶喝鐖D2所示建立產(chǎn)xOz坐標(biāo)系，順?biāo)鞣较驗(yàn)檎齲向，豎直向上為正z向，-x向邊界設(shè)置在距坐標(biāo)原點(diǎn)上游400 m，+x向邊界設(shè)置在距坐標(biāo)原點(diǎn)下游500 m。y正向根據(jù)右手定則確定，±y邊界沿隧洞洞軸線分別外推450 m，即x和y向的跨度均為900 m。計(jì)算模型共計(jì)劃分了1 090 538個(gè)單元和739 624個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果中所示的坐標(biāo)系均與此坐標(biāo)系相同。

圖2 麗江—?jiǎng)Υ〝嗔褞|支斷裂F11-3建模范圍Fig.2 Modeling range of east branch F11-3 of Lijiang-Jianchuan fault zone

圖3 計(jì)算分析模型Fig.3 Computational meshes

根據(jù)表3對(duì)計(jì)算模型內(nèi)的不同地層巖性取值。其中，主斷帶為V類圍巖，上下盤影響帶分別為Ⅳ類玄武巖和泥質(zhì)灰?guī)r，其力學(xué)參數(shù)根據(jù)工程類比和試算分析等方法優(yōu)化取值所得[18]。

表3 圍巖力學(xué)參數(shù)取值Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock mass

如圖4(a)所示，計(jì)算模型中包含了上盤影響帶、主斷帶和下盤影響帶共3個(gè)區(qū)間。同時(shí)，區(qū)分了是否考慮抗錯(cuò)斷措施的方案。如圖4(b)所示，抗錯(cuò)斷措施以設(shè)置鉸接段為主，設(shè)置的范圍為整個(gè)計(jì)算分析模型范圍內(nèi)的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，即覆蓋了上盤影響帶、主斷帶和下盤影響帶。

圖4 計(jì)算模型范圍內(nèi)的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)Fig.4 Tunnel lining structures in computational meshes

3.3.2 本構(gòu)模型和分析過程

對(duì)于圍巖體，采用摩爾-庫倫模型。對(duì)于隧洞襯砌結(jié)構(gòu)，采用塑性損傷模型，該模型由Lubliner等[19]提出，并由Lee等[20]改進(jìn)。同時(shí)定義：①壓剪，即單元壓應(yīng)力已超過材料的峰值抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度演化過程由強(qiáng)化階段進(jìn)入弱化階段；②壓損，即對(duì)于已進(jìn)入壓剪狀態(tài)的單元，其壓應(yīng)變超過混凝土的極限壓應(yīng)變。

采用同步在上盤和下盤影響帶施加水平向和垂直向速率邊界條件的方式模擬活動(dòng)斷裂帶的蠕滑運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，記錄主斷帶兩端監(jiān)測點(diǎn)的相對(duì)水平向變形和相對(duì)垂直向變形，作為水平向位錯(cuò)量和垂直向位錯(cuò)量。

3.3.3 隧洞圍巖變形分布特征

圖5為考慮了抗錯(cuò)斷措施的活動(dòng)斷裂帶圍巖變形等值線。在沿洞軸線方向上，主斷帶范圍內(nèi)的洞周圍巖變形分布在-241～543 mm之間，呈現(xiàn)上下盤影響帶之間的距離縮短、主斷帶長度被壓縮的變形特征；在水平面內(nèi)垂直洞軸線方向上，主斷帶范圍內(nèi)的洞周圍巖變形分布在-1 180～604 mm之間，呈現(xiàn)上盤一側(cè)朝-Y向、下盤一側(cè)朝+Y向的左旋走滑變形特征；在鉛直方向上，主斷帶范圍內(nèi)的洞周圍巖變形分布在-340～435 mm之間，呈現(xiàn)上盤一側(cè)上升、下盤一側(cè)下降的逆滑變形特征。 從3個(gè)方向的圍巖變形分量等值線分布特征可知，在主斷帶和影響帶內(nèi)，圍巖變形等值線總體較為均勻，但在主斷帶和影響帶的過渡區(qū)域，圍巖變形等值線在局部出現(xiàn)陡變，表明上述區(qū)域受到蠕滑運(yùn)動(dòng)作用影響相對(duì)顯著。

注：圖中數(shù)值表示變形，單位為mm。圖5 活動(dòng)斷裂帶圍巖變形分布規(guī)律Fig.5 Deformation distribution of surrounding rock mass in active fault zone

從各分量的等值線分布可知，鉸接段附近的圍巖變形梯度要大于普通襯砌節(jié)段附近的圍巖變形梯度，表明圍巖錯(cuò)動(dòng)變形主要在鉸接段附近消納。

3.3.4 襯砌結(jié)構(gòu)破壞過程

由圖6可知，當(dāng)不考慮隧洞抗錯(cuò)斷措施時(shí)，隨著活動(dòng)斷裂帶水平錯(cuò)動(dòng)量的不斷增大，襯砌結(jié)構(gòu)首先在上盤影響帶和主斷帶的交匯區(qū)域出現(xiàn)壓損，然后在下盤影響帶和主斷帶的交匯區(qū)域附近出現(xiàn)壓損，進(jìn)而在主斷帶中部出現(xiàn)壓損。最后，上述3個(gè)區(qū)域的襯砌破損區(qū)繼續(xù)發(fā)展，直至相互貫通。根據(jù)圖1的原位觀測結(jié)論，可知未設(shè)置抗錯(cuò)斷措施的襯砌結(jié)構(gòu)在活動(dòng)斷裂逆滑作用下，在主斷帶邊緣部位易發(fā)生壓剪破壞。圖6的計(jì)算結(jié)果較好地吻合這一結(jié)論，表明所采取的計(jì)算初始條件及活動(dòng)斷裂分析方法是合理的。

圖6 不考慮抗錯(cuò)斷措施時(shí)的襯砌結(jié)構(gòu)破壞過程Fig.6 Failure process of lining structures in the absence of anti-fault measures

由圖7可知，當(dāng)考慮襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)置的鉸接段抗錯(cuò)斷措施后，隨著活動(dòng)斷裂帶的錯(cuò)動(dòng)量不斷增加，隧洞襯砌節(jié)段基本保持彈性和壓剪狀態(tài)，僅在設(shè)置鉸接段的鄰近區(qū)域出現(xiàn)局部襯砌破損，且當(dāng)水平錯(cuò)動(dòng)量達(dá)1.3 m時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)仍然基本保持正常狀態(tài)。這表明設(shè)置鉸接段的抗錯(cuò)斷措施起到了較好的抵御效果。

圖7 考慮抗錯(cuò)斷措施時(shí)的襯砌結(jié)構(gòu)破壞過程Fig.7 Failure process of lining structures in the presence of anti-fault measures

3.4 蠕滑作用下隧洞結(jié)構(gòu)變形破壞的重點(diǎn)區(qū)域分析

上述計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)置鉸接段后，隧洞結(jié)構(gòu)變形劇烈和破壞顯著的區(qū)域均集中出現(xiàn)在鉸接段本身，以及相鄰的襯砌區(qū)域。從安全監(jiān)測角度分析，這些區(qū)域應(yīng)作為隧洞結(jié)構(gòu)的監(jiān)控重點(diǎn)部位，需進(jìn)一步開展更為精細(xì)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，從而為監(jiān)測方案布置提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3.4.1 沿洞軸線方向的鉸接段壓縮量分析

統(tǒng)計(jì)每個(gè)鉸接段和襯砌節(jié)段的軸向壓縮量，結(jié)果如圖8所示，可知襯砌節(jié)段的軸向壓縮量總體較小，且沿洞軸向分布較為均勻。鉸接段的軸向壓縮量總體大于襯砌節(jié)段，且沿洞軸向分布差異較大，表明采取抗錯(cuò)斷措施后，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生壓損破壞(圖6)的活動(dòng)斷裂壓縮變形被鉸接段消納，起到了保護(hù)襯砌節(jié)段的效果。進(jìn)一步地，壓縮量最為顯著的部位出現(xiàn)在主斷帶與兩側(cè)影響帶的交匯區(qū)域，表明該部位應(yīng)作為隧洞結(jié)構(gòu)壓縮變形的監(jiān)測重點(diǎn)。

圖8 沿洞軸線方向的鉸接段壓縮量分布Fig.8 Compressive magnitudes of joint section along longitudinal direction of tunnel

3.4.2 垂直洞軸線方向的鉸接段變形量分析

進(jìn)一步分析壓縮變形最為顯著區(qū)域的橫斷面隧洞結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。上盤影響帶-主斷帶交匯區(qū)域斷面內(nèi)的左側(cè)邊墻、頂拱和底板部位變形指向洞內(nèi)側(cè)，右側(cè)中下部區(qū)域的邊墻變形指向圍巖內(nèi)部(圖9(a))；下盤影響帶-主斷帶交匯區(qū)域斷面內(nèi)的右側(cè)邊墻、頂拱和底板部位變形指向洞內(nèi)側(cè)，左側(cè)中上區(qū)域的邊墻變形指向圍巖內(nèi)部(圖9(b))。由此可見，上述圍巖變形分布特征，是隧洞圍巖向洞內(nèi)變形的一般規(guī)律疊加了活動(dòng)斷裂蠕滑錯(cuò)動(dòng)影響的綜合反映。

圖9 上盤影響帶、下盤影響帶與主斷帶交匯區(qū)域隧洞 結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Structural deformation of the intersection area of upper impact zone and lower impact zone with main fault zone

3.5 基于“五適應(yīng)”設(shè)置原則的隧洞過活動(dòng)斷裂帶安全監(jiān)測體系研究

基于上述采用數(shù)值分析方法獲得的斷裂帶蠕滑作用下隧洞結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律，提出符合過活動(dòng)斷裂隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測“五適應(yīng)”原則的安全監(jiān)測方案。

首先，基于與現(xiàn)行規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)原則，確定安全監(jiān)測方案的監(jiān)測項(xiàng)目。計(jì)算分析表明，活動(dòng)斷裂帶蠕滑運(yùn)動(dòng)對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)造成的影響主要體現(xiàn)在引起附加變形和驅(qū)使襯砌結(jié)構(gòu)破壞兩方面，故應(yīng)以表1所列的變形監(jiān)測和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測為主要安全監(jiān)測類型，并進(jìn)一步選擇隧洞圍巖變形、接縫及裂縫開合度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、圍巖壓力、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸壓力為備選監(jiān)測項(xiàng)目。

其次，根據(jù)與活動(dòng)斷裂帶活動(dòng)特征相適應(yīng)的原則，確定安全監(jiān)測方案的監(jiān)測內(nèi)容。計(jì)算分析表明，在左旋走滑兼逆滑斷裂帶蠕滑運(yùn)動(dòng)作用下，隧洞圍巖主要呈現(xiàn)沿洞軸方向的壓縮變形，襯砌結(jié)構(gòu)也以壓損為主要破壞形式，故應(yīng)進(jìn)一步明確以接縫剪切壓縮量、混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋壓應(yīng)力等量測指標(biāo)為主要監(jiān)測內(nèi)容。相應(yīng)地，若隧洞圍巖主要呈現(xiàn)沿洞軸方向的拉伸變形，襯砌結(jié)構(gòu)也以拉損為主要破壞形式，則相關(guān)監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)以受拉量測指標(biāo)為主要監(jiān)測內(nèi)容。

再次，基于與隧洞結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和破壞特征相適應(yīng)的原則，確定安全監(jiān)測方案的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。計(jì)算分析表明(圖8)，在左旋走滑兼逆滑斷裂帶蠕滑運(yùn)動(dòng)作用下，影響帶和主斷帶交匯區(qū)域沿洞軸向的壓縮變形最為顯著。進(jìn)一步地，在上盤影響帶、下盤影響帶與主斷帶交匯區(qū)域內(nèi)，上盤影響帶-主斷帶交匯區(qū)域的左側(cè)邊墻、頂拱和底板部位，下盤影響帶-主斷帶交匯區(qū)域的右側(cè)邊墻、頂拱和底板部位，則是斷面內(nèi)發(fā)生顯著變形的區(qū)域(圖10)，應(yīng)作為監(jiān)測方案的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

圖10 蠕滑作用下的隧洞重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域Fig.10 Concerned area of tunnel under creep effect

然后，基于與抗斷措施相適應(yīng)原則，確定隧洞過活動(dòng)斷裂帶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的具體儀器。根據(jù)計(jì)算對(duì)比(圖6、圖7)，設(shè)置鉸接段后，襯砌節(jié)段得到有效保護(hù)，大部分位錯(cuò)變形由鉸接段消納，襯砌節(jié)段僅在與鉸接段相鄰的部位出現(xiàn)了局部破損。因此在圍巖變形和接縫開合度監(jiān)測方面，主要在鉸接段設(shè)置監(jiān)測，可采用位錯(cuò)計(jì)、錯(cuò)縫計(jì)等量測鉸接段剪切變形和法向變形的儀器(圖11(a))；在混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸壓力監(jiān)測方面，主要在襯砌節(jié)段設(shè)置監(jiān)測，可采用縱向和橫向應(yīng)變計(jì)量測混凝土在順?biāo)鞣较蚝蛿嗝鎯?nèi)二襯混凝土的應(yīng)變及潛在開裂情況，采用鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測二襯鋼筋的受力，采用壓力計(jì)量測圍巖-二次襯砌之間的界面接觸壓力(圖11(b))。應(yīng)在前述確定的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域中進(jìn)一步選擇典型部位，加密監(jiān)測儀器的布置，縮短數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔。

圖11 鉸接段和襯砌節(jié)段監(jiān)測儀器類型及布置Fig.11 Equipment and its layout for measuring joint section and lining section

最后，基于與隧洞開挖施工方案相適應(yīng)原則，確定監(jiān)測儀器的布置時(shí)機(jī)。對(duì)于鉆爆法開挖和開敞式TBM掘進(jìn)，二次襯砌和鉸接段一般在施工開挖引起的圍巖變形收斂后再施加；對(duì)于護(hù)盾式TBM，一般采用緊跟掌子面的襯砌管片作為二次襯砌，需要隨TBM掘進(jìn)及時(shí)施加。監(jiān)測儀器的布置應(yīng)與監(jiān)測對(duì)象同步實(shí)施。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系和布置設(shè)計(jì)開展了研究，主要結(jié)論為：

(1) 提出了過活動(dòng)斷裂帶隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的“五適應(yīng)”設(shè)置原則，即：與現(xiàn)行規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)、與活動(dòng)斷裂帶活動(dòng)特征相適應(yīng)、與隧洞結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和破壞特征相適應(yīng)、與抗斷措施相適應(yīng)、與隧洞開挖施工方法相適應(yīng)，并分別詳述了體現(xiàn)這些原則的具體要求。

(2)采用數(shù)值模擬方法，開展了香爐山隧洞穿越麗江—?jiǎng)Υɑ顒?dòng)斷裂在蠕滑作用下的計(jì)算分析，獲得了隧洞結(jié)構(gòu)變形破壞規(guī)律，尤其是考慮鉸接段抗錯(cuò)斷措施后的圍巖變形分布規(guī)律，為隧洞結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系提供了依據(jù)。

(3) 開展了基于“五適應(yīng)”設(shè)置原則的安全監(jiān)測體系和布置設(shè)計(jì)研究，認(rèn)為香爐山隧洞在穿越麗江—?jiǎng)Υ〝嗔褧r(shí)，應(yīng)以圍巖變形、接縫開合度等為主要監(jiān)測項(xiàng)目，以接縫剪切壓縮量和混凝土壓應(yīng)變等為基本監(jiān)測內(nèi)容，以影響帶-主斷帶的交匯區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注區(qū)域，以位錯(cuò)計(jì)、錯(cuò)縫計(jì)、應(yīng)變計(jì)和壓力計(jì)為監(jiān)測儀器，并明確了與監(jiān)測對(duì)象同步實(shí)施的布置時(shí)機(jī)，由此建立隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測體系。同時(shí)，注意到活動(dòng)斷裂帶運(yùn)動(dòng)影響下的隧洞變形規(guī)律與開挖卸荷影響下的隧洞變形存在明顯差異，為更有效地監(jiān)測隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，專門化監(jiān)測儀器的研發(fā)值得進(jìn)一步深入。