隧道穿越大型活动断裂带的技术对策

1、长大隧道穿越大型活动断裂带的技术对策Technical Strategies for Large-scale Tunnels Through Large Active Fault Zone（第九届）国际桥梁与隧道技术大会西 南 交 通 大 学第2页竢实扬华，自强不息目录CONTENTS1 1活动断裂带特征2 2国内外研究现状3 3相关研究工作概要4 4川藏铁路等重大工程思考竢实扬华自强不息壹第一部分第一部分活动断裂带特征活动断裂带特征一、活动断裂带特征近年我国大量交通隧道工程穿越活动断裂，如我国映秀映秀- -汶川高汶川高速公路、广元速公路、广元- -甘肃高速公路甘肃高速公路、云南华坪云南华坪-

2、 -丽江高速公路、金沙江沿丽江高速公路、金沙江沿江高速、成都江高速、成都- -兰州铁路兰州铁路隧道群、最长铁路隧道大瑞铁路高黎贡山隧高黎贡山隧道道、川藏铁路等大量工程川藏铁路等大量工程均穿越大量活动断裂带均穿越大量活动断裂带。一、活动断裂带特征活动断裂的确定必须通过了解它在“过去”和“现在”的活动过程来推断。常见的时限或采用的时间点主要集中在5个不同时间尺度上:新构造期、第四纪、晚第四纪、全新世、历史上（因地而异）的某一时间段。中国活动断裂带分布图一、活动断裂带特征活动断裂：在某种意义上等于潜在突发性黏滑黏滑地震灾害源及无震（或小震）蠕滑蠕滑地质灾害源。一、活动断裂带特征第7页竢实扬华，自强不

3、息黏滑型活动断层的运动具有突发性，板块运动积聚的能量在短时间内以断裂带突然错动的形式释放。如汶川地震即是青藏高原在运动过程中，在四川盆地一带遭到华南板块阻挡，使得能量在龙门山构造带不断积累，使得映秀北川断裂发生突然错动，引起8.0级强震，隧道震害严重，如钢架扭曲，仰拱开裂、错台，衬砌开裂、错断，围岩掉块、坍塌等。一、活动断裂带特征第8页竢实扬华，自强不息2008年汶川地震隧道震害环向纵向斜向隧道洞身衬砌开裂衬砌错台衬砌掉落一、活动断裂带特征第9页竢实扬华，自强不息2008年汶川地震隧道震害衬砌钢筋扭曲衬砌局部掉块底板隆起仰拱隆起一、活动断裂带特征第10页竢实扬华，自强不息1999年集集地震隧道

4、震害1999年9月21日，台湾中部集集镇发生7.3级地震,沿着已知活动断层车笼埔断层，在西部麓山带和滨海平原的接触带形成约100km长的地表破裂带。一、活动断裂带特征第11页竢实扬华，自强不息里冷隧道洞口受损新集集右线隧道衬砌受损1999年集集地震隧道震害一、活动断裂带特征第12页竢实扬华，自强不息1995年阪神地震地下结构震害竢实扬华自强不息贰第二部分第二部分国内外研究现状国内外研究现状二、国内外研究现状衬砌节段连接断面1衬砌节段横断面2采用铰接设计，使得在断层错动时，隧道连接部位首先产生位移；在此情况下，断裂错动引发的破坏主要发生在衬砌结构较小范围内，不会导致大面积的衬砌结构破坏。土耳其B

5、olu公路隧道二、国内外研究现状第15页竢实扬华，自强不息根据活动断层可能的错动量扩大隧道断面尺寸，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。采用扩挖时隧道结构一般采用双层衬砌，内外衬砌间充填多孔材料或不填充。二、国内外研究现状第16页竢实扬华，自强不息蠕滑型活动断层表现为在无震状态下持续性滑动，其对隧道工程的影响需建成后较长时间才能显现。实际工程中观察到由断层蠕滑导致的隧道破坏失稳例子较少，一个典型的例子是美国加州旧金山湾区捷运系统的BerkeleyHills隧道。该隧道穿越Hayward活动断层。设计时，对穿越活断层的区段采取了加大洞径为主的措施。二、国内外研究现状第17

6、页竢实扬华，自强不息乌鞘岭隧道扩挖纵断面乌鞘岭隧道横断面乌鞘岭隧道穿越活动断层处采用了扩挖设计，衬砌结构采用圆形断面双层衬彻，并在内、外衬砌间预留活动断层预计的百年位移量以保证隧道横断面的净空面积，减小由于断层错动引起的隧道结构破坏。乌鞘岭隧道二、国内外研究现状同时采用了扩大隧道断面尺寸和铰接设计，以适应断层位移。这样的设计使破坏发生在连接部位，尽可能减小破坏发生的范围。第18页竢实扬华，自强不息美国克莱尔蒙特输水隧洞克莱尔蒙特输水隧洞铰接构造每1.5m设置一个0.3m的剪切缝，以适应断层位移。二、国内外研究现状第19页竢实扬华，自强不息改善断层带内的岩土体的物理力学参数，减小断层带与较好围岩

7、段的物理力学性质的差异，从而减小隧道结构由于不同段围岩位移差引起的破坏。通过合适的衬砌结构形式、新型结构材料等，提高隧道在断层活动时的适应能力，以减轻隧道穿越断裂带时因断层位移而受到的影响。竢实扬华自强不息叁第三部分第三部分相关研究工作概要相关研究工作概要三、开展的工作及研究成果竢实扬华，自强不息隧道穿越活动断裂带的动力响应规律、失稳破坏机制自由场地震波传播正断层作用下隧道衬砌力学行为逆断层作用下隧道衬砌力学行为正断层作用下隧道衬砌力学行为断层错动下隧道变形破坏三、开展的工作及研究成果第22页竢实扬华，自强不息粘性边界级围岩断层带 接触面单元 级围岩穿越断层带隧道数值模拟三、开展的工作及研究成

8、果第23页竢实扬华，自强不息台面尺寸6m6m最大载荷60t自由度三向六自由度满载最大加速度水平向1g；垂向0.8g最大行程水平向150mm；垂向100mm穿越断层带隧道振动台试验三、开展的工作及研究成果第24页竢实扬华，自强不息振动台试验物理量相似比振动台试验模型箱及其边界处理物理量基础相似比导出相似比密度长度弹性模量时间加速度应变相似比0.851/401/1000.230.471/mpCl/mpCll/EmpCEElECCClECC C/mp 三、开展的工作及研究成果第25页竢实扬华，自强不息高黎贡山隧道34.531km典型断层示意图基本地震烈度度大（理）瑞（丽）铁路高黎贡山隧道，长度34.

9、531km，场区内断层、褶皱发育，共有14条主要活动断层，根据活动断层鉴定与工程场地地震安全性评价，工程场区具备发生7级及以上地震构造条件和6级及以上地震构造条件的断层各有两条。高黎贡山隧道三、开展的工作及研究成果位移分析（a）断层蠕滑距离10cm（b）断层蠕滑距离20cm（c）断层蠕滑距离30cmp 随着错动位移量的增大，隧道衬砌整体位移量加大，且靠近上盘衬砌位移量受断层蠕滑错动影响更大，其整体位移量也达到上盘发生错动的位移量。对隧道衬砌结构的影响对隧道衬砌结构的影响p 绝对值最大的主应力，主要出现在断层蠕滑错动发生界面前后10-20m范围内。最大主应力分析第26页竢实扬华，自强不息下隧道衬

10、砌开裂力学行为三、开展的工作及研究成果p 总的来看，倾角越小，拱腰监测点以上部位最大主应力值越大。而拱脚至仰拱底部部分监测点倾角对于主应力最大值的影响没有出现类似规律。p 隧道衬砌位移量最大发生在上盘内隧道，但断层倾角对于上盘内隧道结构位移最大值几乎无影响。只对下盘内隧道结构位移有影响，但由于下盘区域隧道结构位移本身十分微小，所以影响较小。最大主应力分析位移分析（a）断层倾角60（b）断层倾角75（c）断层倾角90对于隧道衬砌结构的影响对于隧道衬砌结构的影响三、开展的工作及研究成果（c）节段长度7m（d）无节段分割隧道（a）节段长度2m（b）节段长度5m最大主应力p 柔性连接结构有效的吸收了部

11、分应力，节段长度越小，柔性连接结构之间的间距越小，从而柔性连接结构的数量越多，使得隧道整体柔性越大，衬砌不致出现过大的应力，更有利于隧道的抗错断。（e）断层错动20cm衬砌最大主应力变化图第28页竢实扬华，自强不息与无节段分割隧道衬砌对比与无节段分割隧道衬砌对比三、开展的工作及研究成果p 对于不同节段长度损伤最为严重的断面，柔性连接结构的加入有效的减小了断面出现较大损伤的区域面积，并且节段长度越短，消减量越明显。p 贯通性损伤容易成为结构的薄弱部位，并对结构的受力产生不利影响，造成局部应力集中，形成裂缝，而柔性连接结构使得出现较大损伤的区域分散开来，有效的提高了隧道抗错断性能。（e）靠近上盘目

12、标分析截面拉致损伤对比（f）靠近下盘目标分析截面拉致损伤对比（c）节段长度7m（d）无节段分割隧道（a）节段长度2m（b）节段长度5m第29页竢实扬华，自强不息隧道与无节段分割隧道衬砌对比隧道与无节段分割隧道衬砌对比三、开展的工作及研究成果p 隧道衬砌压致损伤出现的位置与拉致损伤基本一致，主要集中在靠近上下盘蠕滑错动面附近，但压致损伤面积相比拉致损伤面积要小。p 对于损伤最为严重的断面，柔性连接结构有效的减小了断面出现较大损伤的区域面积，并且节段长度越短，消减量越明显。（c）节段长度7m（d）无节段分割隧道（a）节段长度2m（b）节段长度5m（e）靠近上盘目标分析截面压致损伤对比（f）靠近下盘

13、目标分析截面压致损伤对比第30页竢实扬华，自强不息隧道与无节段分割隧道衬砌对比隧道与无节段分割隧道衬砌对比三、开展的工作及研究成果p 铰接设计：纵向内力 铰接长度3m不同刚度比工况下纵向弯矩图 刚度比0.1不同铰接长度工况下纵向弯矩图三、开展的工作及研究成果第32页竢实扬华，自强不息15010050-50-100-150450300150-150-300-450-5558-14854-123224-338171Bending moment(kN m)Axial force(kN)400300200100-100-200-300-40016001200800400-400-80012001600

14、-73 -218623142-397-1634117 357Bending moment(kN m)Axial force(kN)15010050-50-100-150450300150-150-300-450-21 -1463427267148-135-412Bending moment(kN m)Axial force(kN)（a）V级围岩（b）断层破碎带（c）IV级围岩断层带处隧道断面内力大幅增大！p 衬砌横断面内力包络图三、开展的工作及研究成果第33页竢实扬华，自强不息设置隔震层对衬砌加速度响应的影响（a）设置隔震层（b）未设置隔震层设置隔震层对衬砌内力响应的影响（弯矩）（a）设置隔震

15、层（b）未设置隔震层三、开展的工作及研究成果穿越活动断裂带的综合抗震设防措施设置泡沫混凝土减震层设置泡沫混凝土减震层跨活动断裂带纵向铰接体系跨活动断裂带支护结构体系三、开展的工作及研究成果第35页竢实扬华，自强不息深埋段过于保守！深埋段过于保守！浅埋段不安全！浅埋段不安全！上覆地层等效高度上覆地层等效高度上覆围岩等效高度（Hv）IV级2.5B2.2B2.0B1.8B1.5BV级4.0B3.0B2.5B2.2B1.8B（非圆形断面应乘以放大系数，按1.11.3取值，复杂断面取高值）结构体系及抗震计算方法（修正静力法、广义反应位移法）纳入国家与相关行业标准三、开展的工作及研究成果地震后重建后n 5

16、.12 5.12震中震中n 岩体破碎岩体破碎n 余震频发余震频发 汶川地震灾后重建工程 映秀-汶川、广元-甘肃 等多条 高速公路三、开展的工作及研究成果 特点：l大型活动断裂带及次生断裂分布极为复杂l一般只能根据中国地震动参数区划图获取峰值加速度，无法获得场地输入地震动时程l山岭隧道地形复杂，地表水平位移一般无法使用竢实扬华自强不息肆第四部分第四部分川藏铁路等重大工程思考川藏铁路等重大工程思考四、相关思考东马场东马场1 1号隧道号隧道1.5kmF4华坪至丽江高速公路华坪至丽江高速公路（华丽高速）南连大理、北接迪庆、东经华坪、西过保山，线路全长全长150.9km，是连接四川-云南的重要公路。其中

17、东马场东马场1号隧道号隧道位于程海东侧，隧道长度左线5098m，右线5205m，最大埋深最大埋深613m。隧道开挖过程中大变大变形问题突出形问题突出，为华丽高速公路项目的控制性工程之一。四、相关思考泥岩、石英砂岩、泥质砂岩、泥质粉砂岩泥岩、石英砂岩、泥质砂岩、泥质粉砂岩灰岩、白云质灰岩灰岩、白云质灰岩东马场1号隧道纵断面及施工进度图东马场1号隧道于2017年1月10日进洞，截止2020年9月19日，开累掘进7726米米，剩余2577米米，其中左幅剩余1228米米，右幅剩余1349米米。目前4个洞口掌子面距离程海断层约550-650米米。四、相关思考初支单侧破坏二衬单侧破坏初支掉块剥落二衬开裂破

18、坏仰拱隆起钢拱架扭曲折叠受活动断裂带、高地应力、软岩、净距小活动断裂带、高地应力、软岩、净距小等因素的影响，大变形，尤其大变形，尤其是非对称大变形是非对称大变形成为东马场1号隧道面临的主要难题。仰拱累计最大隆起170cm；拱顶累计最大沉降156cm；周边收敛累计139cm，且变形仍在持续发变形仍在持续发展展，尚未收敛。初支、二衬等支护结构破坏极为严重。初支、二衬等支护结构破坏极为严重。四、相关思考拟建的泸定至石棉高速公路泸定至石棉高速公路（泸石高速）位于四川省甘孜州泸定县及雅安市石棉县境内，地处青藏高原东南缘的横断山脉，并位于大渡河中上游处。项目北接雅康高速，南连雅西高速。设计时速80公里，双

19、向四车道，全线桥隧比桥隧比89.8，推荐线全长全长96.154公里公里。四、相关思考泸石高速全线多处于典型的深切割的高山峡谷地貌高烈度地震区高烈度地震区，隧隧道占比高达道占比高达70%，地层条件差、地应地应力高且复杂力高且复杂；近距离平行或小角度穿近距离平行或小角度穿越越鲜水河断裂、滇东构造带等多条区区域性活动大断裂带。域性活动大断裂带。在近接多条大型活动断裂带的在近接多条大型活动断裂带的复杂地质条件下，平行于断裂带走复杂地质条件下，平行于断裂带走向修建如此大规模的长大深埋隧道向修建如此大规模的长大深埋隧道群在工程界尚属首次。群在工程界尚属首次。泸石高速隧道建设与后期营运将面临近接活动近接活动

20、断裂带与高地应力叠加作用断裂带与高地应力叠加作用下的隧隧线布设线布设问题、施工安全性施工安全性问题以及结构长期安全性结构长期安全性问题。四、相关思考川藏铁路从成都经雅安、康定、昌都、林芝到拉萨。线路依次经过四川盆地、川西高山峡谷区、川西高原山区、藏东南横断山区、藏南谷地区等地貌单元。其中雅安至林芝新建正线长度1008.45km，新建隧道72座计851.48km，占线路全长的84.43%。长度10-20km隧道19座座、长度20-30km隧道10座座、长度30km以上以上隧道6座座。雅鲁藏布江易贡藏布江怒江澜沧江金沙江雅砻江大渡河四、相关思考n 穿越横断山脉川藏铁路工程概述四、相关思考第46页竢

21、实扬华，自强不息沿线区域地震震中分布川藏铁路所经区域地势跌宕起伏，跨越金沙江、澜沧江、怒江三江并流的横断山区，地处欧亚板块与印度板块碰撞隆升形成的青藏高原中东部，沿线山高谷深、地层岩性混杂多变，新构造运动剧烈，深大活动断裂广泛新构造运动剧烈，深大活动断裂广泛分布分布，内、外动力地质作用强烈，。四、相关思考川藏线工程区域以板块缝合带、地壳拼接带等深大活动断裂为构造格架，与其它活动断裂带一起，构成了与川藏铁路关系最为密切的地质构造。板块缝合带断裂带主要包括澜沧江断裂带、雅鲁藏布江断裂带等；地壳拼接带断裂主要包括龙门山断裂、金沙江断裂、怒江断裂带；其他活动断裂带还包括鲜水河断裂、甘孜玉树断裂、理塘断裂、巴塘断裂、玉龙希断裂、八宿断裂、嘉黎断裂和米林-鲁朗断裂，属于全新活动断裂。川藏铁路四、相关思考第48页竢实扬华，自强不息 龙门山断裂带南段：主要耿达-陇东断裂、盐井-五龙断裂、大川-双石断裂组成，断裂指向涉及线路； 澜沧江断裂带：南北走向，最大突发垂直位错量