牛金山隧道穿越活動斷層技術研究

梁文輝

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程背景

G2003太原繞城高速公路義望至凌井店段（太原北二環）是太原二環高速公路的重要組成部分，是《山西省高速公路網調整規劃》中重要組成部分，對完善國家高速公路網和山西省高速公路網有著非常重要的意義。

牛金山隧道是太原北二環的控制性工程，設計為雙向六車道分離式隧道。位于太原市陽曲縣北家莊村東側的中山區，右洞起迄樁號為K42+158—K48+770，全長6 612 m，隧道底板最大埋深350.36 m；左洞起迄樁號為Z4K42+205—Z4K48+812，全長6 607 m，隧道底板最大埋深357.15 m。

2 牛金山隧道活動斷層工程地質條件

2.1 牛金山隧道地形地貌

根據地表形態特征，隧址區地貌單元分為黃土丘陵區和侵蝕溶蝕中山區。黃土丘陵區分布于K41+158—K43+060（Z4K42+205—Z4K43+040），表現為黃土梁峁狀，沖溝發育，地層主要為上更新統（Q3）黃土和中更新統（Q2）粉質黏土夾碎石，海拔高程1 145～1 269 m，相對高差124 m；侵蝕溶蝕中山區分布于K43+060—K48+770（Z4K43+040—Z4K48+812），位于系舟山南端的中山區，由于長期的侵蝕溶蝕作用，地形起伏，溝壑縱橫，地層主要為奧陶系馬家溝組石灰巖夾泥灰巖，海拔高程1 246～1 566 m，相對高差320 m。植被較發育，黃土丘陵區以灌木和農作物為主，中山區以灌木和松樹為主。

2.2 活動斷裂帶地質情況

牛金山隧道進口洞身穿越系舟山西麓活動斷裂帶，該活動斷裂帶為忻定盆地定襄凹陷的主控邊界斷裂，該斷裂北起鴨兒坑，向南越石嶺關，全長30 km，斷裂走向NNW，傾向SWW，傾角65°，是一條右旋剪切的正傾滑斷裂。斷裂出露于系舟山西麓基巖與黃土梁分界線附近，斷裂東盤為古生代奧陶系灰巖，西盤為第四紀沖洪積地層。由兩條正傾斷層組成，靠山側表現為右旋走滑特征，破碎帶寬度200余米，全長30 km。未來百年發生的最大水平位錯量為2.79±1.29 m。垂直位錯為1.6 m，最大地殼伸長量為0.75 m。斷層全新世以來的水平活動速率為5.68 mm/a，垂直活動速率為0.19 mm/a。路線分別以路基和隧道形式與斷裂大角度相交，與線路相交于K41+795及K42+530，該斷裂對隧道工程K42+330—K42+530、Z4K42+350—Z4K42+550有影響。

2.3 活動斷裂圍巖巖性

活動斷裂帶圍巖由第四系中更新統（Q2pl）粉質黏土與碎石互層組成。Q2pl粉質黏土，褐黃-褐紅色，硬塑，局部夾角礫；碎石呈中密狀，黏性土充填；圍巖穩定性差，易坍塌。地下水出水狀態呈滴滲狀。圍巖綜合判定為V1級。

2.4 地震動參數

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB 18306—2015）圖A1，牛金山隧道項目區屬Ⅱ類場地條件，基本地震動峰值加速度為0.2g，相應地震基本烈度為Ⅷ度。

圖1 活動斷層與牛金山隧道位置關系圖

3 活動斷裂隧道國內研究現狀及實例

活斷層又稱活動斷裂（Active fault），通常是指在最新的地質時期持續活動，并且未來仍將活動的斷裂[1]。按斷層活動性質分類，活動斷層分為正斷型、逆斷型和走滑型。

活動斷裂意味著在地震條件下對該活動斷裂帶影響范圍內的建（構）筑物存在潛在的災害風險。因活動斷裂造成的顯著錯動對建（構）筑物的嚴重破壞尚無有效的方法抵抗，建（構）筑物當需穿越活動斷裂時往往以避讓為主，無法避讓的需布設在斷裂帶較窄的部位。

針對活動斷裂，我國主要公路隧道設計規范中相關規定見表1。

表1 我國主要公路隧道設計規范中穿越活動斷裂相關規定

我國隧道穿越活動斷層最為典型工程為蘭新鐵路烏鞘嶺特長隧道穿越F7活動斷層[7]，采用動態設計動態施工理念，多方案比選，最終確定了采用圓形斷面形式；初期支護采用雙層襯砌、預留變形量，圍巖變形逐漸釋放；二次襯砌采用鋼筋混凝土剛性結構；擴大內輪廓斷面預留活動斷層位錯量；施工過程中采用短臺階、預留核心土、仰拱及時閉合等設計和施工理念成功控制了隧道大變形，穿越了活動斷裂帶。

4 隧道設計思路及方案

4.1 隧道建筑限界設計

牛金山隧道設計速度100 km/h，隧道建筑限界為：凈寬0.75+0.75+3.75×3+1.00+1.00=14.75 m；凈高5.0 m。

根據建筑限界確定隧道斷面高跨比為0.69。

圖2 牛金山隧道主洞建筑限界圖（單位：cm）

圖3 牛金山隧道主洞斷面設計圖（單位：cm）

4.2 牛金山隧道穿越活動斷裂帶襯砌支護參數

結合現有的活動斷裂研究成果，充分考慮活動斷裂帶隧道變形受力特點，牛金山隧道穿越活動斷裂帶采用近圓形斷面以提高斷面高跨比、剛性結構柔性連接、擴大結構斷面預留位錯變形量、復合式襯砌支護等，同時采用合理的施工組織最大限度地降低隧道開挖對圍巖的擾動。

針對活動斷裂帶采用如下措施：

a）調整隧道高跨比，將內輪廓高跨比調整為0.72，整體開挖高跨比為0.75。

b）采用近圓形襯砌斷面，斷面內拱圈凈空預留60 cm補強空間。

c）超前支護采用φ42小導管，小導管長度3.5 m，環向間距35 cm，縱向間距2 m。

d）采用φ42注漿系統錨管支護，錨管長度4.5 m，環縱向間距120×50 cm，梅花型布設。

e）采用加強型的襯砌結構，鋼架采用I25a，縱向間距0.5 m。

f）二次襯砌采用75 cm厚C30鋼筋混凝土剛性結構。

g）二次襯砌采用小模板支模，每6 m設置一道環向施工縫，施工縫即為抗震縫，抗震縫寬度10 cm，采用聚乙烯泡沫塑料板、雙組份聚硫密封膠等相對柔性材料將剛性結構分割成多個結構單元。

h）加強超前地質預報，采用地質雷達并設φ89超前水平地質鉆孔，用于探測掌子面前方斷層規模、產狀、地下水發育情況以及圍巖破碎情況。

i）隧道與活動斷裂帶交叉影響范圍段采用雙側壁導坑法開挖，二次襯砌緊跟掌子面，并嚴格按設計參數進行施工。

j）加強施工控制，采用雙側壁導坑法施工，施工應嚴格遵循“重超前、弱爆破、快封閉、勤量測”原則和“隨挖隨支、先噴后錨”來組織施工，控制隧道拱部開挖時爆破參數，減少爆破擾動次數，嚴格控制超欠挖。

圖4 牛金山隧道襯砌設計圖

5 結語

如何穿越活動斷層是我國大跨度隧道建設面臨的一大難題。國內的隧道相關規范均未就隧道穿越活動斷層帶的工程設計和應對措施給出明確技術方案和建議，因此如何穿越活動斷層已成為亟待解決的問題。基于活動斷層對隧道工程的影響，開展了牛金山隧道穿越活動斷層時的應對措施研究，得到以下主要結論：

a）大跨度隧道在穿越活動斷層時盡可能選取受力條件更好的近圓形斷面以提高斷面高跨比。

b）隧道采用強支撐，整體視為剛性結構，采用小模板，縮短施工縫（抗震縫）間距，將活動斷層內的隧道襯砌分割成多個獨立的單元。同時每個單元之間采用強度剛度相對較低的材料連接，使得每個單元獨立受力，又共同分擔變形，避免隧道整體受力破壞。

c）采用擴大斷面預留斷層錯位變形量，保證在隧道發生變形錯動凈空縮減后，能保證有效凈空，不影響隧道的正常運營。

d）隧道穿越土質圍巖段，襯砌采用強支撐，隨挖隨支，減少圍巖暴露時間，使隧道初期支護及早閉合成環，提高襯砌結構的整體受力能力，保證隧道穩定性。