跨活斷層隧洞抗錯斷技術模型試驗研究

曹俊 崔臻 顏天佑 李建賀

摘要：長大隧洞工程不可避免地要跨越活動斷裂帶及其影響區域，為減少因斷層錯動而導致的隧洞結構破壞，抗錯斷設計是隧洞設計的重要內容。以滇中引水工程香爐山隧洞為背景，對包括鉸接設計、擴挖-緩沖層設計以及鉸接-擴挖-緩沖層在內的3種抗錯斷措施進行模型試驗研究；從襯砌內部破壞、隧洞整體破壞、襯砌應變方面，對上述3種抗錯斷措施抗斷效果進行了驗證評估。研究結果表明：① 從隧洞襯砌結構內部破壞特征來看，鉸接設計與擴挖-緩沖層設計都可以對襯砌起到保護作用。② 從隧洞整體變形和裂紋分布來看，使用鉸接設計增大了隧洞在斷層帶區域的變形程度，但減小了襯砌本身的破壞；使用擴挖-緩沖層設計不僅減小了隧洞在斷層帶區域的變形，同時也相對減小了對襯砌本身的破壞，經鉸接-擴挖-緩沖層設計的隧洞變形幾乎只出現在鉸接處，襯砌破壞更小。③ 從隧洞縱向應變分布規律來看，擴挖設計和鉸接設計都減小了襯砌的應變，其中鉸接設計對襯砌應變的減弱最為突出。相關研究成果可為跨活斷裂隧洞實際工程中抗錯斷方案的選用提供參考。

摘要：隧洞工程； 活動斷裂帶； 抗錯段技術； 鉸接設計； 擴挖設計； 香爐山隧洞； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV311

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.028

0 引 言

由于斷層錯動引起的永久性地層位移將帶來軸向、剪切和彎曲載荷，這可能導致穿越其中的隧洞或地下管道發生張拉、扭剪和彎曲破壞。因此，公路隧洞、鐵路隧洞和引水隧洞的選線應盡可能避開活動斷層。然而，受到工程選線的限制，中國大量長大隧洞工程尤其是位于西南地區的隧洞不可避免地需要接近或跨越活動斷裂帶及其影響區域。因此，對于跨活動斷裂帶的長大隧洞工程的抗錯斷研究與設計成為一大重點與難點，減少因斷層錯動而導致的隧洞結構破壞已成為亟待克服的關鍵問題。

對于隧洞跨活斷層抗錯斷結構設計，諸多學者開展了大量的研究工作，目前較為常用的跨斷層隧洞抗錯斷方法包括鉸接設計、超挖設計、隔離效能設計［1-4］。針對各種隧道抗錯斷理論及方法，也有不少學者開展了大量研究工作。

馬亞麗娜等［5］針對強震誘發斷層錯動的超越概率，提出了相關理論和錯動量分析方法，對實際設防或者模型試驗中斷層錯動量的取值有一定指導意義。劉學增［6-8］、杜修力［9］、周光新［10］等通過室內模型試驗，研究了鉸接隧洞的破壞機制。閆高明［11-12］、翁文林［13］等采用數值模擬方法和模型試驗研究了鉸接隧道襯砌損傷模式。還有其他學者［14-17］通過建立數值模型對一些設防手段的抗錯斷效果進行了研究。Shahidi等［18］針對Koohrang-Ⅲ隧道提出了一種在活動斷層區域內設計柔性連接的方法并驗證了其可行性與優越性。范雪寧等［19］在南水北調西線調水工程中穿越活斷層處采用了柔性復合襯砌結構以適應斷層錯動。李守剛［20］采用室內模型試驗的方法，研究減震層對跨斷層隧道的減錯效果。

當前，學者們對跨活斷層隧洞模型試驗研究主要集中在鉸接隧洞，而對擴挖-緩沖層隧洞的模型試驗涉及較少。本文以滇中引水工程香爐山隧洞為背景，針對目前工程中較為常用的鉸接設計、擴挖-緩沖層設計、鉸接-擴挖-緩沖層設計開展室內模型試驗，并對3種抗錯斷方法的抗錯斷效果進行驗證評估，對比不同抗錯斷方法的優劣，以為實際施工中抗錯斷方案的選用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

本次研究模型試驗裝置見圖1。試驗裝置由模型箱、加載系統和支撐框架組成。其中模型箱為長方體，長寬高分別為100 cm×50 cm×60 cm；按照是否移動，模型箱分為主動側與固定側；為方便試驗觀察及材料進出，模型箱為頂部開口；前部及固定側采用鋼化玻璃封閉，后部用鋼板拼接組成。加載系統豎直方向的推力加載設備最大行程10 cm；加載設備動力方式采用油壓泵驅動千斤頂加載，油壓泵加載，模型箱主動側上升，模擬逆斷層錯動；油壓泵卸載，模型箱主動側下降，模擬正斷層錯動。

1.2 相似材料

本次研究采用CL=100的縮尺比例開展試驗，設置隧洞斷面為圓形。其縮尺關系引用文獻［9］中的縮尺比例，如表1所列。襯砌和圍巖物理力學參數見表2。本文主要考慮鉸接、擴挖對隧洞抗錯斷效果的研究，設置斷層帶寬度為10 cm，錯斷方式設置為直角斷層錯斷，最大錯斷位移為5 cm。

1.3 試驗工況

本次研究工況設置見表3。隧洞長度為60 cm，在模型中放置直徑0.5 mm、間距5 mm的單層鋼絲網模擬二襯中的鋼筋網。工況2中鉸接隧洞每一節段長10 cm；工況3，4擴挖尺寸為1.5 cm。隧洞外直徑為10 cm，厚度為1 cm，模型見圖2。

隧洞上覆填土為15 cm，原型15 m，模擬淺埋工況，由于試驗模型箱上部開口無法施加外部圍壓且模型箱深度有限，故無法模擬深埋工況。深埋工況下的試驗將在后續工作中完成。

對于模型試驗中隧洞鉸接結構，本文采用鉸接接頭，具體為文獻［9］中走滑工況采用的鉸接方式，接頭結構模型見圖3。擴挖段采用套管的方式模擬，使用內徑13 cm的無鋼絲網石膏套管放置在擴挖段以模擬擴挖段加強初襯，在空腔中填充高密度海綿碎片模擬高壓縮性緩沖材料。

1.4 監測方式

本次試驗主要監測圍巖破裂情況、襯砌開裂過程、襯砌整體變形以及襯砌應變?？刂魄Ы镯旈_始錯動，每錯動10 mm進行一次詳細記錄，通過探入工業內窺鏡監測襯砌內部破壞情況，通過工業相機記錄圍巖在斷層錯動后的破裂情況。使用動態應變箱采集應變數據。監測設備如圖4所示。

為方便后期數據的處理，將每個應變測點進行編號，其中，工況1，3，4采用同樣的編號方式，均設置7個量測斷面，記為1，2，3，4，5，6，7號，其中1～7號拱頂與拱底均設置縱向應變片，3～6號處于斷層帶附近，拱頂、拱底以及左右邊墻均設置縱向應變片與環向應變片，試驗量測斷面及測點布置如圖5（a）所示；工況2為鉸接隧洞，設置6個量測斷面記為1，2，3，4，5，6號，其中1～6號拱頂與拱底均設置縱向應變片，2～5號處于斷層帶附近，拱頂、拱底以及左右邊墻均設置縱向應變片與環向應變片，其試驗量測斷面及測點布置如圖5（b）所示。

1.5 試驗步驟

跨活斷層隧洞抗錯斷模型試驗研究按照以下試驗步驟實施。

（1） 襯砌模型制作與養護。

將制作好的鋼絲網放置于定制的襯砌模具中，按照襯砌相似材料配比稱取材料，將拌合好的石膏漿液澆筑于襯砌模具中，澆筑完畢后靜置凝固，拆模后養護72 h以上。養護完畢后用紅色顏料在關鍵斷面做標記并用數字印章標記關鍵斷面編號。

（2） 圍巖相似材料的配置與填筑。

按照圍巖材料相似比配置圍巖相似材料。向試驗箱里填筑圍巖相似材料，以錯動縫為中線的10 cm范圍內為斷層破碎帶，每填充5 cm圍巖材料進行一次夯實處理，破碎帶不做夯實處理，隨后在靠近鋼化玻璃一側用石英砂充填一條變形觀察線。按照上述方法繼續填充下一層直至填充至8層（40 cm）。

（3） 襯砌模型與監測系統的布置。

圍巖材料填充至15 cm后將隧洞模型放置于模型箱中間，將應變片接至動態應變采箱，預留內窺鏡出入口，繼續填充圍巖直至40 cm處。填筑完成后正對試驗箱架設工業相機。

（4） 隧洞穿越斷層錯動模型試驗。

每錯動10 mm進行一次詳細監測記錄。錯斷位移達到50 mm后刨除圍巖材料，拍照記錄隧洞模型的破壞形態。

2 試驗結果分析

2.1 隧洞圍巖破裂特征

圖6（a）所示為工況1無抗錯斷設計隧洞的圍巖破裂特征。圍巖首先在斷層帶上端產生兩條較細的裂紋，且隨著模型箱主動側位錯量的增大，最終形成貫穿剪切帶，裂紋主要出現在斷層帶內且主要集中在圍巖上部。

圖6（b）所示為4種工況下最終破裂特征，鉸接隧洞圍巖材料產生的裂紋相對于無抗錯斷設計的隧洞圍巖產生的裂紋較多，主要是由于鉸接隧洞剛度較小，使得其圍巖破裂更明顯。

2.2 隧洞結構內部破壞特征

對于工況1無抗錯斷設計的隧洞（見圖7（a）），錯動量為10 mm時開始產生縱向裂縫，錯動30 mm時沿著主裂縫產生支裂縫，錯動至50 mm時，隧洞底部沿著裂縫的方向發生襯砌材料起皮現象，且裂縫向兩端延伸。

對于工況2鉸接隧洞（見圖7（b）），當錯動量為10 mm時，襯砌內部無裂縫產生，4號與3號，3號與2號之間均發生轉動，同時，鋼絲網產生錯位。錯動50 mm時，3號和4號轉動量過大致使鋼絲網斷開，漏沙現象明顯。從始至終隧洞襯砌均無裂縫產生。

對于工況3擴挖-緩沖層隧洞（見圖7（c）），當錯動量為20 mm時，2號洞頂開始出現裂縫，且隨著錯動量增大而延伸，錯動至50 mm時，洞底出現裂縫。

對于工況4鉸接-擴挖-緩沖層隧洞（見圖7（d）），錯動量為20 mm時，2號與3號間鉸接出現輕微轉動，錯動至50 mm時鉸接處鋼絲網發生錯動，襯砌沒有產生裂縫。

試驗結果表明：在斷層錯動下，工況1無抗錯斷設計的隧洞襯砌破壞最為嚴重，出現大量裂縫，并且由于圍巖的擠壓致使主動側洞底出現襯砌起皮剝落現象。相對于無抗錯斷設計的隧洞來看，工況2鉸接設計與工況3擴挖-緩沖層設計均可以有效減輕錯斷對襯砌的破壞。鉸接隧洞破壞主要集中在襯砌節段之間的轉動，沒有出現明顯裂縫。擴挖-緩沖層隧洞破壞主要由擴挖段邊緣處開始向中間延伸，相對于工況1無抗錯斷設計隧洞來說，其裂縫寬度更小，無支裂縫的產生。工況4是在工況3下的改進，考慮到擴挖-緩沖層隧洞襯砌主要在擴挖段邊緣出現裂縫，因此在擴挖

段邊緣設置鉸接。設置鉸接后，錯斷對襯砌的破壞明顯減小，幾乎沒有裂縫產生，主要變形為鉸接位置的轉動，并且相對于工況2中的純鉸接設計，工況4鉸接處轉動較小，鋼絲沒有明顯錯動。

2.3 隧洞整體變形和裂紋分布

從圖8可以看出工況1無抗錯斷設計隧洞發生了嚴重變形，特別是穿越斷層帶的襯砌部分。穿越斷層帶部位的襯砌由于受到明顯的剪力作用，跨越斷層帶節段的裂縫較多，包括沿縱向方向和環向，其中沿縱向的裂縫中還出現了支裂縫，其中襯砌節段頂部裂縫的出現會導致襯砌內部漏進少量的砂。

工況2鉸接隧洞也發生嚴重變形，整體呈現“S”形。斷層帶范圍內的襯砌節段所受錯動影響最大，2號與3號應變片位置，3與4號應變片位置的破壞最為嚴重，2號、3號、4號之間呈一定的角度，角度的變化導致柔性橡膠帶與襯砌節段脫落從而致使襯砌內部進砂。與無抗錯斷設計隧洞相比，鉸接隧洞主要變形由節段間的鉸接部位發生轉動而承擔，對襯砌的破壞較小。

工況3擴挖-緩沖層隧洞產生變形較小，僅在6號與2號附近觀測到細微裂紋。與工況1完整隧洞相比，擴挖-緩沖層隧洞變形更小，由于擴挖段將局部剪切破壞分攤至整個擴挖段，因而對襯砌的破壞較小。與工況2鉸接隧洞相比，擴挖-緩沖層隧洞在斷層帶區域的變形更小，不會出現襯砌破損而漏砂的情況。

工況4在鉸接-擴挖-緩沖層設計中，隧洞變形主要發生在鉸接處，兩個鉸接發生轉動，外部沒有觀察到裂縫產生。相對于工況3中的擴挖-緩沖層隧洞，在其基礎上設置鉸接后，襯砌自身破壞更小，變形主要集中于鉸接處。而與工況2純鉸接隧洞相比，工況4在斷層帶區域變形更小，且節段間轉動相對較小而不至于出現漏砂現象。

試驗結果表明：幾種抗錯斷設計均可以有效減輕錯斷對襯砌的破壞。無抗錯斷設計的隧洞（工況1）發生了較為嚴重的破壞，特別是穿越斷層帶的襯砌部分，產生了大量裂縫。與工況1相比，鉸接隧洞、擴挖-緩沖層隧洞襯砌外側均沒有產生明顯裂縫。鉸接隧洞錯斷后變形最明顯，因為多處鉸接設計使得其整體剛度減小，此方法通過犧牲鉸接處的變形從而保護襯砌其他部位不出現破壞，而擴挖-緩沖層隧洞不僅變形較小，錯斷對襯砌的破壞也較小，不僅可以降低震后裂縫處滲漏水的風險，還可以降低震后的維修成本。

2.4 隧洞應變分布規律

本文著重選取破壞最嚴重的隧洞洞底部分進行應變分布的研究。斷層錯動作用下，4種工況下的隧洞洞底縱向應變如圖9所示。

對于工況1無抗錯斷設計隧洞，其洞底最大縱向拉應變出現在斷層帶內，活動側主要為拉應變，固定側主要為壓應變。對于工況2鉸接隧洞，其整體趨勢與工況1類似，但應變明顯減小，最大拉應變與最大壓應變均降低了60%以上。對于工況3擴挖-緩沖層隧洞，其應變峰值往兩側移動，擴挖段應變明顯降低，其最大拉應變出現在固定側，最大壓應變出現在活動側，應變峰值相對于工況1有一定減小。對于工況4鉸接-擴挖-緩沖層隧洞，設置鉸接后，峰值應變相對于工況3明顯減小。

試驗結果表明：以上抗錯斷措施均可以一定程度上減小襯砌的變形。其中，設置鉸接對于減小襯砌變形尤為明顯。擴挖-緩沖層會使最大應變出現在擴挖段端部附近，而不在斷層帶處，同時也一定程度上減小了襯砌應變。

3 結 論

本研究以滇中引水工程香爐山隧洞為背景，對包括鉸接設計、擴挖-緩沖層設計在內的3種抗錯斷方案進行了4種工況的模型試驗研究，得到了以下結論：

（1） 從隧洞襯砌結構內部破壞特征來看，鉸接設計與擴挖-緩沖層設計都可以對襯砌起到保護作用。鉸接設計將變形集中在節段鉸接處，從而減輕了襯砌結構本身的破壞，而擴挖-緩沖層設計將斷層帶區域的局部剪切破壞分攤到整個擴挖段，從而減輕了襯砌在斷層帶區域的破壞程度。鉸接隧洞襯砌內部幾乎不產生裂紋，但節段之間轉動明顯；擴挖-緩沖層隧洞出現細微裂紋，隧洞在斷層帶區域的變形相對鉸接隧洞更??；而鉸接-擴挖-緩沖層隧洞不僅襯砌保護良好沒有裂紋，其鉸接位置的轉動也相對純鉸接隧洞更小。因此，從隧洞襯砌結構破壞程度來看，鉸接-擴挖-緩沖層隧洞破壞程度最小。

（2） 從隧洞整體變形和裂紋分布來看，使用鉸接設計使得隧洞在斷層帶區域變形更大，斷層帶附近節段間轉動明顯，但是減小了對襯砌自身的破壞，沒有發現襯砌外部有明顯裂紋產生；使用擴挖-緩沖層設計不僅減小了隧洞在斷層帶區域的變形，也有效減小了對襯砌的破壞，但襯砌外部還是會產生肉眼可見的變形，出現少量細微裂紋；鉸接-擴挖-緩沖層設計的隧洞變形僅出現在鉸接處，襯砌沒有明顯變形且沒有產生裂紋。因此從隧洞整體變形和裂紋分布來看，鉸接-擴挖-緩沖層隧洞具備相對較好的抗錯斷性能。

（3） 從隧洞縱向應變分布規律來看，擴挖設計和鉸接設計都減小了襯砌的應變，其中鉸接設計對襯砌變形的減弱最為突出。相對于無抗錯斷設計的隧洞來說，鉸接設計對襯砌縱向應變減小量達到60%以上，擴挖-緩沖層隧洞對縱向應變減小量在30%以上，鉸接-擴挖-緩沖層隧洞對縱向應變減小量在50%以上。目前的模型試驗無法精確還原真實情況，所得應變數據只能用于發現規律，并不能據此進行結構設計。

綜上可見，鉸接設計可以顯著降低襯砌的應變，擴挖設計可以減弱襯砌在斷層帶區域的變形程度。根據實際情況將兩種設計結合可以起到良好的抗斷效果。

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（編輯：鄭 毅）

Model experiment on resist breakage design of tunnels crossing active fault

CAO Jun1，2，CUI Zhen1，2，YAN Tianyou3，LI Jianhe3

（1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics of Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

A large number of long tunnels in China inevitably cross active fracture zones and influencing areas.In order to reduce the structural damage of these tunnels due to fault misalignment，various anti-breakage measures are taken.In this paper，a model test study on the effectiveness of three anti-breakage measures was conducted，including articulation design，expansion-buffer design and articulation-expansion-buffer.Taking the Xianglushan tunnel of the Central Yunnan Water Diversion Project as the background，the effects of the above three types of anti-breakage measures were verified and evaluated from the perspectives of internal lining damage，overall tunnel damage and lining strain.The results show that ① Based on the characteristics of internal damage in the lining structure of the tunnel，the design of hinge joint，expanded excavation and buffer layer can all protect the lining.② From the overall distortion situation and crack distribution of the tunnel，the adopt of hinge joint aggravates the overall distortion of the tunnel in the fault zone area but meanwhile alleviates the damage to the lining itself.The design of expanded excavation-buffer layer not only eases the distortion of the tunnel but also mitigates the destruction of lining itself at the same time.Whats more，the distortion of tunnel in the design of hinge joint-expanded excavation-buffer layer only happens in the hinge joint，which causes little damage to the lining.③ In terms of distribution rules of longitudinal strain in the tunnel，the expanded excavation and hinge joint can both reduce the strain of lining，especially the latter one has obvious effect in alleviate lining strain.The relevant research findings can offer a reference to the selection of anti-breakage solutions in actual tunnels crossing active faults.

Key words：

tunnel engineering；active fault；resist breakage design；articulation design；expanded excavation design；Xianglushan tunnel；Central Yunnan Water Diversion Project