柿子園隧道穿越映秀-北川活動斷裂段施工技術

未 征

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100076)

1 引言

活動性斷層具有特殊的活動性和不穩定性，對結構的破壞可分為兩種基本形式：一是由地震作用引發的間歇性突然滑動，表現為極端事件內的大位移錯動破壞；二是斷層自身不穩定性引發的微量持續性位移，表現為長時間微量錯動累計導致的結構損毀[1]。

成蘭鐵路工程項目地處四川中部和甘肅南部的龍門山、岷山、秦嶺三大斷裂帶，尤其因2008年5.12汶川大地震，龍門山中央斷裂構造繼續發展。由中鐵十九局集團承擔的柿子園隧道穿越映秀-北川活動斷裂，設計、施工可參考的相關文獻和工程實例有限，常規隧道結構設計和施工技術均無法滿足活動斷裂帶施工要求，工程質量和后期運營安全風險極高[2]。

2 貫穿龍門山中部的“深大斷裂”——映秀-北川活動斷裂介紹

龍門山中央斷裂屬于龍門山構造帶的一部分，是我國活動斷裂和地震強烈的集中地帶之一。2008年汶川發生的8級地震，導致北川-映秀斷裂自映秀向北東發生單側破裂。根據實地調查結果，地表破裂總長度約240 km，最大同震位錯發生在北川附近，水平位錯量6 m左右，垂直位錯量9～10 m。

成蘭鐵路線路穿越段屬于映秀-北川斷裂，該斷裂延伸長約250 km，是貫穿于整個龍門山中部的一條“深大斷裂”，是龍門山中央斷裂帶的主斷裂，亦是“5·12”汶川特大地震的發震構造。斷裂發生的地表破裂多見逆沖-右旋走滑型變形。該斷裂活動構造晚第四紀以來的平均水平滑動速率在0.82 ～1.3 mm/年之間[3]。

3 活動斷裂帶隧道施工技術方案選定

隧道穿越北川-映秀活動斷裂為7級地震，結合隧道結構承受的錯位能力綜合確定，隧道與斷層面交界部位按可能發生的最大位錯量取81 cm，隧道與活動斷裂交叉位置的具體精確震級還有待進一步綜合研究(見圖1)。

圖1 隧道位錯后的位移云圖

針對龍門山中央斷裂帶映秀-北川斷裂及其影響帶，充分考慮該段地質狀態及破碎帶寬度、線路限坡要求以及超前地質預報精度等，將斷裂帶分為活動斷裂核部、活動斷裂延伸段組合模式設置，其中斷裂延伸段按斷層破碎帶向兩端延伸50 m范圍確定，即左線 D2K90+140～D2K90+272，右線YD2K90+102～YD2K90+234(見圖2)。

圖2 隧道活動斷層及影響段平面

隧道左右線活動斷裂段整體采用“大剛度襯砌環+組合變形縫”形式，并于拱墻預留30 cm的補強空間，見圖3～圖4。

圖3 大剛度圓環形襯砌結構示意(單位：cm)

圖4 活動斷裂核部襯砌軸力

4 活動斷裂帶“大剛度圓環形襯砌”施工技術

4.1大剛度圓環形襯砌施工參數

(1)活動斷裂核部施工參數

全環采用 20b型鋼鋼架，間距0.8 m。拱部設置φ42超前小導管，環向40 cm布置，每3.2 m一環，每環長4.5 m。拱墻預留變形量10～15 cm。全環噴厚度27 cm的 C30混凝土，采用 φ8@20×20 cm鋼筋網片。拱墻及仰拱設置系統錨管，采用φ42鋼花管，單根長4.5 m，間距1.2×1.0 m(環×縱)。二襯采用厚度55 cm的C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25@200設置。

(2)活動斷裂延伸段施工參數

與核部參數相比，調整拱墻及仰拱系統錨桿，拱部采用φ22組合中空錨桿，邊墻采用φ22砂漿錨桿，單根長3.5 m，間距1.2×1.0 m(環×縱)。二襯采用厚度55 cm的C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25@200設置。

隧道采用短臺階兩臺階開挖，臨時橫撐應在上臺階開挖支護時安裝施工，在下臺階跟進上臺階成環后可根據監控量測數據分析，進行快速拆除。

4.2 圓形初期支護施工技術要點

(1)隧道初期支護應緊跟開挖面及時施作，加強隧底初支與上、下臺階的初支封閉成環工序，合理安排工序時間，確保初支體系成環時間控制在10～12 d。

(2)為確保環形初期支護體系的整理受力結構安全，必須嚴格控制鋼架安裝的垂直度和連接板連接質量，使其整體成環效果得以保證[4]。

(3)鋼架安裝過程中，應加強B與C段、C與D段、D段底腳的鎖腳錨管施工，鎖腳應與鋼拱架底腳采用反扣式連接，確保連接處變形可控，以便分段連接時鋼架的順直度得以保證。

(4)隧道活動斷裂核部區段在拱墻及仰拱設置系統錨管，采用φ42鋼花管，單根長4.5 m，間距1.2×1.0 m(環×縱)。為確保開挖后鋼架支護快速封閉的要求，系統錨管宜在鋼架噴砼完畢后及時施作，并嚴格把控注漿過程質量。

4.3 圓形襯砌混凝土澆筑施工質量控制措施

(1)仰拱施工應超前拱墻二次襯砌施作，并盡量緊跟開挖工作面。對于易發生塌方段應重點控制，加強監測并及時支護、及時襯砌。

(2)仰拱模板按8 m長設置，為確保仰拱及二襯鋼筋混凝土結構成環要求，采用反模式仰拱模板，仰拱及填充應分開澆筑；同時仰拱應分段整體灌注，嚴禁半幅施工，確保仰拱及底部施工質量[5]。

(3)隧道襯砌臺車按照斷面形狀采用圓形襯砌臺車，臺車邊墻及拱部模板的澆筑窗口采用加密設置，在襯砌模板距離前后端50 cm處設置一環窗口，以便于施工縫前后端的振搗操作。

(4)混凝土澆筑和布料采用人字形溜槽布設結構形成逐窗分料系統，由拱部臺架設置的2個主料口分別進行逐層、逐窗分料，并在人字形節點處設置分料開關，實現不同區域分段灌注功能。

(5)在襯砌臺車頂模中心位置設置不少于4個的徑向注漿口，采用套管+連接板結構，前后端設置位置距離襯砌模板邊緣50 cm，主要用于襯砌施工縫拱頂逐版注漿，可確保施工縫拱部區域的密實度，解決施工縫極易出現脫空的問題；在襯砌中段等分設置2個徑向注漿口，對襯砌拱部灌注不密實出現的脫空進行逐版注漿，以確保襯砌混凝土拱部整體的密實性，杜絕脫空質量缺陷[6]。

5 活動斷裂帶“組合變形縫”防排水系統施工技術

根據斷層錯動時隧道的變形特征，采用“節段設計”理念，即盡量減小隧道節段長度，使斷層帶及其兩側一定范圍內的節段保持相對獨立，各剛性隧道節段間采用剛度相對較小的柔性連接[7]。在斷層錯動時，破壞集中在連接部位或結構的局部，而不會導致結構整體性破壞[8]，見圖5。此方法已在國內外大多數穿越活動斷裂帶的隧道施工中得到運用。

圖5 節段設計示意

通過不同變形縫寬度(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、30 cm)的對比研究，發現節段間的抗震縫間距越大，對節段間的分離效果越好[9]。

5.1 組合變形縫分段設置分析

針對映秀-北川活動斷裂帶組合設置形式，因活動斷裂破碎帶寬32 m，考慮到抗震縫寬度為15 cm，則選擇抗震縫間距為4 m。柿子園隧道左線穿越映秀-北川活動斷裂帶變形縫設置如圖6所示，變形縫設置里程和寬度見表1。

圖6 隧道左線活動斷裂寬變形縫組合分段平面(單位：m)

表1 隧道穿越映秀-北川活動斷裂變形縫設置

5.2 凸鼓型鋼板止水帶防排水結構形式

(1)變形縫防排水設置

采用凸鼓型鋼板止水帶+凸殼防水板+環向排水盲管+聚乙烯泡沫塑料板形式，形成綜合型多重防水結構[10]，并根據寬變形縫設置位置，環向分為4塊區域，見圖7。

(2)凸殼防排水板

凸殼防排水板設置于水溝底以上30 cm的拱墻范圍。水溝底以上30 cm拱墻部分的寬變形縫內設置φ50排水肓管，并接入側溝。

圖7 襯砌寬變形縫環向布置及構造

5.3 凸鼓型鋼板止水帶安裝

隧道在活動斷裂段襯砌設計中首次采用中埋凸鼓型鋼板止水帶+聚乙烯泡沫塑料板形式的襯砌變形縫。通過技術創新和現場試驗，公司自主研發了“隧道變形縫鋼板止水帶沖壓彎曲機(專利號：ZL201620443204.7)”，可將凸鼓型鋼板止水帶按照斷面弧形進行定型彎曲加工，產品質量標準完全滿足設計及施工要求，生產設備操作簡單快捷，功效高且加工成本低。

6 結束語

本文對柿子園隧道穿越龍門山中央斷裂映秀-北川活動斷裂帶施工技術進行詳細論述，結合活動斷裂特性，針對性地采用“大剛度圓環形襯砌+組合寬變形縫”技術措施，并且通過工藝工法的優化，在隧道短臺階快速閉合成環方面加強管控，可有效控制斷裂帶圍巖變形速率[11]；隧道寬變形縫首次采用鋼板止水帶，通過技術創新實現了寬縫的設置和施工。結合柿子園隧道工程現場試驗和應用效果，充分說明了“節段設計”理念的合理性，在震后活動區可確保在斷層錯動時，造成節段連接部位破壞而不會導致整體結構的破壞，在一定程度上保證了活動斷裂帶隧道施工質量，為后期運營安全提供有力保障[12]。