1、長大隧道穿越大型活動斷裂帶的技術對策Technical Strategies for Large-scale Tunnels Through Large Active Fault Zone（第九屆）國際橋梁與隧道技術大會西 南 交 通 大 學第2頁竢實揚華，自強不息目錄CONTENTS1 1活動斷裂帶特征2 2國內外研究現(xiàn)狀3 3相關研究工作概要4 4川藏鐵路等重大工程思考竢實揚華自強不息壹第一部分第一部分活動斷裂帶特征活動斷裂帶特征一、活動斷裂帶特征近年我國大量交通隧道工程穿越活動斷裂，如我國映秀映秀- -汶川高汶川高速公路、廣元速公路、廣元- -甘肅高速公路甘肅高速公路、云南華坪云南華坪-

2、 -麗江高速公路、金沙江沿麗江高速公路、金沙江沿江高速、成都江高速、成都- -蘭州鐵路蘭州鐵路隧道群、最長鐵路隧道大瑞鐵路高黎貢山隧高黎貢山隧道道、川藏鐵路等大量工程川藏鐵路等大量工程均穿越大量活動斷裂帶均穿越大量活動斷裂帶。一、活動斷裂帶特征活動斷裂的確定必須通過了解它在“過去”和“現(xiàn)在”的活動過程來推斷。常見的時限或采用的時間點主要集中在5個不同時間尺度上:新構造期、第四紀、晚第四紀、全新世、歷史上（因地而異）的某一時間段。中國活動斷裂帶分布圖一、活動斷裂帶特征活動斷裂：在某種意義上等于潛在突發(fā)性黏滑黏滑地震災害源及無震（或小震）蠕滑蠕滑地質災害源。一、活動斷裂帶特征第7頁竢實揚華，自強不

3、息黏滑型活動斷層的運動具有突發(fā)性，板塊運動積聚的能量在短時間內以斷裂帶突然錯動的形式釋放。如汶川地震即是青藏高原在運動過程中，在四川盆地一帶遭到華南板塊阻擋，使得能量在龍門山構造帶不斷積累，使得映秀北川斷裂發(fā)生突然錯動，引起8.0級強震，隧道震害嚴重，如鋼架扭曲，仰拱開裂、錯臺，襯砌開裂、錯斷，圍巖掉塊、坍塌等。一、活動斷裂帶特征第8頁竢實揚華，自強不息2008年汶川地震隧道震害環(huán)向縱向斜向隧道洞身襯砌開裂襯砌錯臺襯砌掉落一、活動斷裂帶特征第9頁竢實揚華，自強不息2008年汶川地震隧道震害襯砌鋼筋扭曲襯砌局部掉塊底板隆起仰拱隆起一、活動斷裂帶特征第10頁竢實揚華，自強不息1999年集集地震隧道

4、震害1999年9月21日，臺灣中部集集鎮(zhèn)發(fā)生7.3級地震,沿著已知活動斷層車籠埔斷層，在西部麓山帶和濱海平原的接觸帶形成約100km長的地表破裂帶。一、活動斷裂帶特征第11頁竢實揚華，自強不息里冷隧道洞口受損新集集右線隧道襯砌受損1999年集集地震隧道震害一、活動斷裂帶特征第12頁竢實揚華，自強不息1995年阪神地震地下結構震害竢實揚華自強不息貳第二部分第二部分國內外研究現(xiàn)狀國內外研究現(xiàn)狀二、國內外研究現(xiàn)狀襯砌節(jié)段連接斷面1襯砌節(jié)段橫斷面2采用鉸接設計，使得在斷層錯動時，隧道連接部位首先產生位移；在此情況下，斷裂錯動引發(fā)的破壞主要發(fā)生在襯砌結構較小范圍內，不會導致大面積的襯砌結構破壞。土耳其B

5、olu公路隧道二、國內外研究現(xiàn)狀第15頁竢實揚華，自強不息根據(jù)活動斷層可能的錯動量擴大隧道斷面尺寸，以保證隧道斷面的凈空面積，盡可能減小錯動導致的隧道結構破壞。采用擴挖時隧道結構一般采用雙層襯砌，內外襯砌間充填多孔材料或不填充。二、國內外研究現(xiàn)狀第16頁竢實揚華，自強不息蠕滑型活動斷層表現(xiàn)為在無震狀態(tài)下持續(xù)性滑動，其對隧道工程的影響需建成后較長時間才能顯現(xiàn)。實際工程中觀察到由斷層蠕滑導致的隧道破壞失穩(wěn)例子較少，一個典型的例子是美國加州舊金山灣區(qū)捷運系統(tǒng)的BerkeleyHills隧道。該隧道穿越Hayward活動斷層。設計時，對穿越活斷層的區(qū)段采取了加大洞徑為主的措施。二、國內外研究現(xiàn)狀第17

6、頁竢實揚華，自強不息烏鞘嶺隧道擴挖縱斷面烏鞘嶺隧道橫斷面烏鞘嶺隧道穿越活動斷層處采用了擴挖設計，襯砌結構采用圓形斷面雙層襯徹，并在內、外襯砌間預留活動斷層預計的百年位移量以保證隧道橫斷面的凈空面積，減小由于斷層錯動引起的隧道結構破壞。烏鞘嶺隧道二、國內外研究現(xiàn)狀同時采用了擴大隧道斷面尺寸和鉸接設計，以適應斷層位移。這樣的設計使破壞發(fā)生在連接部位，盡可能減小破壞發(fā)生的范圍。第18頁竢實揚華，自強不息美國克萊爾蒙特輸水隧洞克萊爾蒙特輸水隧洞鉸接構造每1.5m設置一個0.3m的剪切縫，以適應斷層位移。二、國內外研究現(xiàn)狀第19頁竢實揚華，自強不息改善斷層帶內的巖土體的物理力學參數(shù)，減小斷層帶與較好圍巖

7、段的物理力學性質的差異，從而減小隧道結構由于不同段圍巖位移差引起的破壞。通過合適的襯砌結構形式、新型結構材料等，提高隧道在斷層活動時的適應能力，以減輕隧道穿越斷裂帶時因斷層位移而受到的影響。竢實揚華自強不息叁第三部分第三部分相關研究工作概要相關研究工作概要三、開展的工作及研究成果竢實揚華，自強不息隧道穿越活動斷裂帶的動力響應規(guī)律、失穩(wěn)破壞機制自由場地震波傳播正斷層作用下隧道襯砌力學行為逆斷層作用下隧道襯砌力學行為正斷層作用下隧道襯砌力學行為斷層錯動下隧道變形破壞三、開展的工作及研究成果第22頁竢實揚華，自強不息粘性邊界級圍巖斷層帶 接觸面單元 級圍巖穿越斷層帶隧道數(shù)值模擬三、開展的工作及研究成

8、果第23頁竢實揚華，自強不息臺面尺寸6m6m最大載荷60t自由度三向六自由度滿載最大加速度水平向1g；垂向0.8g最大行程水平向150mm；垂向100mm穿越斷層帶隧道振動臺試驗三、開展的工作及研究成果第24頁竢實揚華，自強不息振動臺試驗物理量相似比振動臺試驗模型箱及其邊界處理物理量基礎相似比導出相似比密度長度彈性模量時間加速度應變相似比0.851/401/1000.230.471/mpCl/mpCll/EmpCEElECCClECC C/mp 三、開展的工作及研究成果第25頁竢實揚華，自強不息高黎貢山隧道34.531km典型斷層示意圖基本地震烈度度大（理）瑞（麗）鐵路高黎貢山隧道，長度34.

9、531km，場區(qū)內斷層、褶皺發(fā)育，共有14條主要活動斷層，根據(jù)活動斷層鑒定與工程場地地震安全性評價，工程場區(qū)具備發(fā)生7級及以上地震構造條件和6級及以上地震構造條件的斷層各有兩條。高黎貢山隧道三、開展的工作及研究成果位移分析（a）斷層蠕滑距離10cm（b）斷層蠕滑距離20cm（c）斷層蠕滑距離30cmp 隨著錯動位移量的增大，隧道襯砌整體位移量加大，且靠近上盤襯砌位移量受斷層蠕滑錯動影響更大，其整體位移量也達到上盤發(fā)生錯動的位移量。對隧道襯砌結構的影響對隧道襯砌結構的影響p 絕對值最大的主應力，主要出現(xiàn)在斷層蠕滑錯動發(fā)生界面前后10-20m范圍內。最大主應力分析第26頁竢實揚華，自強不息下隧道襯

10、砌開裂力學行為三、開展的工作及研究成果p 總的來看，傾角越小，拱腰監(jiān)測點以上部位最大主應力值越大。而拱腳至仰拱底部部分監(jiān)測點傾角對于主應力最大值的影響沒有出現(xiàn)類似規(guī)律。p 隧道襯砌位移量最大發(fā)生在上盤內隧道，但斷層傾角對于上盤內隧道結構位移最大值幾乎無影響。只對下盤內隧道結構位移有影響，但由于下盤區(qū)域隧道結構位移本身十分微小，所以影響較小。最大主應力分析位移分析（a）斷層傾角60（b）斷層傾角75（c）斷層傾角90對于隧道襯砌結構的影響對于隧道襯砌結構的影響三、開展的工作及研究成果（c）節(jié)段長度7m（d）無節(jié)段分割隧道（a）節(jié)段長度2m（b）節(jié)段長度5m最大主應力p 柔性連接結構有效的吸收了部

11、分應力，節(jié)段長度越小，柔性連接結構之間的間距越小，從而柔性連接結構的數(shù)量越多，使得隧道整體柔性越大，襯砌不致出現(xiàn)過大的應力，更有利于隧道的抗錯斷。（e）斷層錯動20cm襯砌最大主應力變化圖第28頁竢實揚華，自強不息與無節(jié)段分割隧道襯砌對比與無節(jié)段分割隧道襯砌對比三、開展的工作及研究成果p 對于不同節(jié)段長度損傷最為嚴重的斷面，柔性連接結構的加入有效的減小了斷面出現(xiàn)較大損傷的區(qū)域面積，并且節(jié)段長度越短，消減量越明顯。p 貫通性損傷容易成為結構的薄弱部位，并對結構的受力產生不利影響，造成局部應力集中，形成裂縫，而柔性連接結構使得出現(xiàn)較大損傷的區(qū)域分散開來，有效的提高了隧道抗錯斷性能。（e）靠近上盤目

12、標分析截面拉致?lián)p傷對比（f）靠近下盤目標分析截面拉致?lián)p傷對比（c）節(jié)段長度7m（d）無節(jié)段分割隧道（a）節(jié)段長度2m（b）節(jié)段長度5m第29頁竢實揚華，自強不息隧道與無節(jié)段分割隧道襯砌對比隧道與無節(jié)段分割隧道襯砌對比三、開展的工作及研究成果p 隧道襯砌壓致?lián)p傷出現(xiàn)的位置與拉致?lián)p傷基本一致，主要集中在靠近上下盤蠕滑錯動面附近，但壓致?lián)p傷面積相比拉致?lián)p傷面積要小。p 對于損傷最為嚴重的斷面，柔性連接結構有效的減小了斷面出現(xiàn)較大損傷的區(qū)域面積，并且節(jié)段長度越短，消減量越明顯。（c）節(jié)段長度7m（d）無節(jié)段分割隧道（a）節(jié)段長度2m（b）節(jié)段長度5m（e）靠近上盤目標分析截面壓致?lián)p傷對比（f）靠近下盤

13、目標分析截面壓致?lián)p傷對比第30頁竢實揚華，自強不息隧道與無節(jié)段分割隧道襯砌對比隧道與無節(jié)段分割隧道襯砌對比三、開展的工作及研究成果p 鉸接設計：縱向內力 鉸接長度3m不同剛度比工況下縱向彎矩圖 剛度比0.1不同鉸接長度工況下縱向彎矩圖三、開展的工作及研究成果第32頁竢實揚華，自強不息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級圍巖（b）斷層破碎帶（c）IV級圍巖斷層帶處隧道斷面內力大幅增大！p 襯砌橫斷面內力包絡圖三、開展的工作及研究成果第33頁竢實揚華，自強不息設置隔震層對襯砌加速度響應的影響（a）設置隔震層（b）未設置隔震層設置隔震層對襯砌內力響應的影響（彎矩）（a）設置隔震

15、層（b）未設置隔震層三、開展的工作及研究成果穿越活動斷裂帶的綜合抗震設防措施設置泡沫混凝土減震層設置泡沫混凝土減震層跨活動斷裂帶縱向鉸接體系跨活動斷裂帶支護結構體系三、開展的工作及研究成果第35頁竢實揚華，自強不息深埋段過于保守！深埋段過于保守！淺埋段不安全！淺埋段不安全！上覆地層等效高度上覆地層等效高度上覆圍巖等效高度（Hv）IV級2.5B2.2B2.0B1.8B1.5BV級4.0B3.0B2.5B2.2B1.8B（非圓形斷面應乘以放大系數(shù)，按1.11.3取值，復雜斷面取高值）結構體系及抗震計算方法（修正靜力法、廣義反應位移法）納入國家與相關行業(yè)標準三、開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 巖體破碎巖體破碎n 余震頻發(fā)余震頻發(fā) 汶川地震災后重建工程 映秀-汶川、廣元-甘肅 等多條 高速公路三、開展的工作及研究成果 特點：l大型活動斷裂帶及次生斷裂分布極為復雜l一般只能根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖獲取峰值加速度，無法獲得場地輸入地震動時程l山嶺隧道地形復雜，地表水平位移一般無法使用竢實揚華自強不息肆第四部分第四部分川藏鐵路等重大工程思考川藏鐵路等重大工程思考四、相關思考東馬場東馬場1 1號隧道號隧道1.5kmF4華坪至麗江高速公路華坪至麗江高速公路（華麗高速）南連大理、北接迪慶、東經華坪、西過保山，線路全長全長150.9km，是連接四川-云南的重要公路。其中

17、東馬場東馬場1號隧道號隧道位于程海東側，隧道長度左線5098m，右線5205m，最大埋深最大埋深613m。隧道開挖過程中大變大變形問題突出形問題突出，為華麗高速公路項目的控制性工程之一。四、相關思考泥巖、石英砂巖、泥質砂巖、泥質粉砂巖泥巖、石英砂巖、泥質砂巖、泥質粉砂巖灰?guī)r、白云質灰?guī)r灰?guī)r、白云質灰?guī)r東馬場1號隧道縱斷面及施工進度圖東馬場1號隧道于2017年1月10日進洞，截止2020年9月19日，開累掘進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個洞口掌子面距離程海斷層約550-650米米。四、相關思考初支單側破壞二襯單側破壞初支掉塊剝落二襯開裂破

18、壞仰拱隆起鋼拱架扭曲折疊受活動斷裂帶、高地應力、軟巖、凈距小活動斷裂帶、高地應力、軟巖、凈距小等因素的影響，大變形，尤其大變形，尤其是非對稱大變形是非對稱大變形成為東馬場1號隧道面臨的主要難題。仰拱累計最大隆起170cm；拱頂累計最大沉降156cm；周邊收斂累計139cm，且變形仍在持續(xù)發(fā)變形仍在持續(xù)發(fā)展展，尚未收斂。初支、二襯等支護結構破壞極為嚴重。初支、二襯等支護結構破壞極為嚴重。四、相關思考擬建的瀘定至石棉高速公路瀘定至石棉高速公路（瀘石高速）位于四川省甘孜州瀘定縣及雅安市石棉縣境內，地處青藏高原東南緣的橫斷山脈，并位于大渡河中上游處。項目北接雅康高速，南連雅西高速。設計時速80公里，雙

19、向四車道，全線橋隧比橋隧比89.8，推薦線全長全長96.154公里公里。四、相關思考瀘石高速全線多處于典型的深切割的高山峽谷地貌高烈度地震區(qū)高烈度地震區(qū)，隧隧道占比高達道占比高達70%，地層條件差、地應地應力高且復雜力高且復雜；近距離平行或小角度穿近距離平行或小角度穿越越鮮水河斷裂、滇東構造帶等多條區(qū)區(qū)域性活動大斷裂帶。域性活動大斷裂帶。在近接多條大型活動斷裂帶的在近接多條大型活動斷裂帶的復雜地質條件下，平行于斷裂帶走復雜地質條件下，平行于斷裂帶走向修建如此大規(guī)模的長大深埋隧道向修建如此大規(guī)模的長大深埋隧道群在工程界尚屬首次。群在工程界尚屬首次。瀘石高速隧道建設與后期營運將面臨近接活動近接活動

20、斷裂帶與高地應力疊加作用斷裂帶與高地應力疊加作用下的隧隧線布設線布設問題、施工安全性施工安全性問題以及結構長期安全性結構長期安全性問題。四、相關思考川藏鐵路從成都經雅安、康定、昌都、林芝到拉薩。線路依次經過四川盆地、川西高山峽谷區(qū)、川西高原山區(qū)、藏東南橫斷山區(qū)、藏南谷地區(qū)等地貌單元。其中雅安至林芝新建正線長度1008.45km，新建隧道72座計851.48km，占線路全長的84.43%。長度10-20km隧道19座座、長度20-30km隧道10座座、長度30km以上以上隧道6座座。雅魯藏布江易貢藏布江怒江瀾滄江金沙江雅礱江大渡河四、相關思考n 穿越橫斷山脈川藏鐵路工程概述四、相關思考第46頁竢

21、實揚華，自強不息沿線區(qū)域地震震中分布川藏鐵路所經區(qū)域地勢跌宕起伏，跨越金沙江、瀾滄江、怒江三江并流的橫斷山區(qū)，地處歐亞板塊與印度板塊碰撞隆升形成的青藏高原中東部，沿線山高谷深、地層巖性混雜多變，新構造運動劇烈，深大活動斷裂廣泛新構造運動劇烈，深大活動斷裂廣泛分布分布，內、外動力地質作用強烈，。四、相關思考川藏線工程區(qū)域以板塊縫合帶、地殼拼接帶等深大活動斷裂為構造格架，與其它活動斷裂帶一起，構成了與川藏鐵路關系最為密切的地質構造。板塊縫合帶斷裂帶主要包括瀾滄江斷裂帶、雅魯藏布江斷裂帶等；地殼拼接帶斷裂主要包括龍門山斷裂、金沙江斷裂、怒江斷裂帶；其他活動斷裂帶還包括鮮水河斷裂、甘孜玉樹斷裂、理塘斷裂、巴塘斷裂、玉龍希斷裂、八宿斷裂、嘉黎斷裂和米林-魯朗斷裂，屬于全新活動斷裂。川藏鐵路四、相關思考第48頁竢實揚華，自強不息 龍門山斷裂帶南段：主要耿達-隴東斷裂、鹽井-五龍斷裂、大川-雙石斷裂組成，斷裂指向涉及線路； 瀾滄江斷裂帶：南北走向，最大突發(fā)垂直位錯量