穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震關鍵技術

田四明， 吳克非， 于 麗， 黎 旭， 鞏江峰， 王新東

(1. 中國鐵路經濟規劃研究院有限公司， 北京 100038； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031； 3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031； 4. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

“門源1·8地震”后，蘭新高鐵大梁隧道震損嚴重，為人們認識發震斷裂對隧道工程帶來的影響提供了第一手經驗實例[1]。近年來，隨著高地震烈度地區鐵路建設需求的日益增大，特別是穿越活動斷裂帶隧道日益增多，我國鐵路隧道抗震技術面臨巨大挑戰。

活動斷裂帶對隧道的破壞主要有2類，即高烈度地震引起的隧道震動破壞和斷裂錯動引起的隧道錯斷破壞。隧道震動破壞是指在地震傳播過程中，隧道結構隨圍巖變形而發生破壞的現象；隧道錯斷破壞是指斷層發生錯動時，帶動穿越斷層隧道共同運動，導致隧道隨之發生較大扭曲變形而產生破壞的現象。其中，活動斷裂帶上下盤發生的不均勻位錯是活動斷裂帶對隧道造成威脅的主要形式，在不均勻的相向位錯條件下，隧道的襯砌結構可能因為剪切、拉伸等因素損壞，威脅隧道安全[2]。此外，“5·12汶川地震”隧道震害調研顯示，活動斷裂帶附近隧道結構在地震中的破壞程度明顯高于其他區域[3-10]。

目前，公路行業已針對公路隧道抗震設計發布了JTG/T 2232-01—2019《公路隧道抗震設計規范》[11]，但鐵路行業尚無隧道抗震方面的專門規范，雖然TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[12]、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范(2009年版)》[13]中已建立以靜力計算為基礎的隧道抗震設計方法，但尚無穿越活動斷裂帶隧道的抗震設計方法及相應工程措施。

國內學者針對穿越活動斷裂帶隧道抗震設防技術開展了大量的研究。其中，劉學增等[14-16]通過模型試驗，研究了正斷層和逆斷層黏滑錯動對公路隧道的影響規律，明確了正斷層和逆斷層錯動影響下隧道結構的破壞特征及受力特征。崔光耀等[17-20]通過模型試驗及數值模擬，研究了穿越活動斷裂帶隧道抗錯技術，明確了減震層、減震縫等措施的抗錯機制及效果。石吉森[21]通過模型試驗、改進數值模擬的方法，研究了傾斜場地下斷層錯動與隧道的相互作用，分析了隧道位置、形式的影響。Zhong等[22]建立了穿越多個活動走滑斷層的輸水隧洞三維數值模型，考慮斷層運動的幅度、相鄰斷層面之間的距離、隧道與斷層相交角度以及斷層破碎帶內巖體的力學性質4個影響因素，對隧道結構損傷規律進行了分析。孫風伯[23]針對穿越活動斷裂帶山嶺隧道抗位錯機制與方法，開展了系統性研究，分析了斷層錯動影響范圍并確定了隧道縱向設防范圍，揭示了穿越活動斷裂帶隧道破壞機制，提出了隧道抗位錯方式。趙天次等[24]從分層位錯理論出發，結合逆斷層特點，依托成蘭鐵路某隧道建立隧道位錯反應分析模型，分析了隧道襯砌結構的應力應變、損傷特點。安韶等[25]基于烏魯木齊地鐵2號線，建立三維有限元模型，結合損傷理論討論了柔性接頭的減災效果。汪振等[26]、王鴻儒等[27]以香爐山隧洞為依托，采用數值模擬及模型試驗手段，分析了走滑斷層錯動下隧道變形特征，研究了斷層錯動量、斷層破碎帶寬度和隧道穿越斷層方位的影響。唐浪洲等[28]采用數值模擬手段，研究了走滑斷層錯動下隧道結構的受力變形特征，明確了走滑斷層錯動對隧道結構安全性的影響規律。周光新等[29]基于模型試驗手段，對斷層錯動模擬過程中的隧洞上覆圍巖破裂形態、襯砌破壞形態和裂紋發展、應變分布特征等關鍵響應特征開展試驗分析，研究了走滑斷層錯動影響下跨活斷層鉸接隧洞的破壞形式及破壞機制。

綜上，國內相關研究主要集中于斷層錯動下隧道受力變形特征等方面，對于穿越活動斷裂帶隧道支護結構設計對策方面的研究較少，且目前尚未形成相應的工程規范，導致穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震設防技術方面仍存在一定的不足。對此，本文通過現場調研、模型試驗及理論分析等方法，對穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震設防分區、隧道襯砌變形破壞機制、隧道抗震設防措施及搶通方案開展研究。

1 穿越活動斷裂帶鐵路隧道震害特征及抗震設防分區

1.1 “門源1·8地震”概況

2022年1月8日，青海省門源縣發生6.9級地震，震源深度10 km，地震的發震斷裂為青藏高原北東緣祁連—海原斷裂中西段的冷龍嶺斷裂(F5)，具有左旋走滑兼逆斷性質，震中位于F5斷裂南側約3～4 km，距蘭新高鐵大梁隧道最近距離約4.5 km，如圖1所示。

圖1 “門源1·8地震”震源與蘭新高鐵線位關系Fig. 1 Relationship between source of Menyuan 1·8 earthquake and line location of Lanzhou-Urumqi high-speed railway

地震烈度分布如圖2所示。隧道穿越活動斷裂帶的發震烈度與斷裂帶距離關系明顯，其中，大梁隧道進口段K1 967+418至祁連山隧道進口段K1 973+718為Ⅸ度區，蘭新高鐵K1 949+474至大梁隧道進口段K1 967+418、祁連山隧道進口段K1 973+718～K1 986+318為Ⅷ度區，蘭新高鐵K1 920+374～K1 949+474、蘭新高鐵K1 986+318～K2 010+389為Ⅶ度區。

圖2 “門源1·8地震”烈度圖Fig. 2 Intensity map of Menyuan 1·8 earthquake

門源地震致蘭新高鐵沿線地表變形，大梁隧道全隧和祁連山隧道進口段發生整體偏移和扭轉，其中F5斷裂帶及附近影響段尤為明顯。大梁隧道出口段和祁連山隧道進口段出現震損，其中大梁隧道出口段震損嚴重，特別是F5活動斷裂帶及影響段，結構破壞十分嚴重。

1.2 “門源1·8地震”鐵路隧道變形特征

通過各級控制測量網顯示，大梁隧道及祁連山隧道發生了平面偏移扭轉、高程錯臺、縱向壓縮拉伸等多方向的空間變形。

1.2.1 平面方向

地震前后大梁隧道及祁連山隧道平面偏移扭轉情況如圖 3所示。F5斷裂帶以南隧道平面向東偏移1 776～1 781 mm，F5斷裂帶以北隧道向西偏移620～1 101 mm，斷裂帶處偏移最大，并向兩端逐漸變小。

圖3 隧道整體平面偏移扭轉示意圖Fig. 3 Schematic of overall plane offset and torsion of tunnel

1.2.2 高程方向

采用CPⅠⅠⅠ(軌道控制網)測量得出地震前后大梁隧道高程變化如圖 4所示。從大梁隧道進口開始，高程逐步抬高，在距離斷裂帶約900 m(K1 970+500)處達到峰值，約68.4 cm；之后高程逐步回落，在F5斷裂帶(K1 971+400)處形成約40 cm的錯臺；到大梁隧道出口，軌面高程比原設計標高低15～22 cm。

圖4 大梁隧道高程變化示意圖Fig. 4 Schematic of elevation variation of Daliang tunnel

1.2.3 縱向方向

在大梁隧道進口至F5斷裂帶間，出現了縱向壓縮變形，位移量為82～53 cm；在F5斷裂帶至大梁隧道出口間，出現了拉伸變形，位移量為43～32 cm，錯臺處拉張裂隙寬約1.1 m。

1.3 “門源1·8地震”鐵路隧道破壞特征

“門源1·8地震”造成大梁隧道結構錯斷，隧道襯砌產生震損。

1.3.1 隧道內凈空錯動情況

大梁隧道斷裂處點云俯視圖見圖5,斷層帶錯斷部位斷面變形示意如圖6所示。隧道斷面凈空掃描顯示，隧道結構錯動主要集中在F5活動斷裂帶內的主破裂面附近約21 m(K1 971+390.4～+411.7)范圍內，結構內輪廓最大偏移量約2.8 m；而其余段落隧道以整體偏移為主，未發生明顯錯斷。

圖5 大梁隧道斷裂處點云俯視圖Fig. 5 Top view of point cloud of Daliang tunnel fracture

(a) K1 970+400處

(b) K1 971+411處圖6 大梁隧道斷層帶錯斷部位斷面變形示意圖Fig. 6 Schematic of cross-sectional deformation of staggered part of Daliang tunnel fault zone

1.3.2 隧道結構震損情況

“門源1·8地震”導致蘭新高鐵大梁隧道和祁連山隧道進口產生結構震損。其中，大梁隧道出口段震損較嚴重，特別是F5斷裂帶及影響段；祁連山隧道進口段震損較輕微。從震損部位來看，隧道洞口工程震損總體較輕微，隧道洞身相對嚴重。2座隧道洞門端墻基本完好，無明顯震裂；坡面及地表無明顯溜滑、裂縫現象；截、排水溝無明顯新裂縫。

大梁隧道洞身結構震損按嚴重程度分為極嚴重震害、嚴重震害和一般震害。其中,極嚴重震害是指襯砌結構破壞特別嚴重，需進行整體重建，主要集中在F5活動斷裂帶及影響帶地段，約350 m范圍，如圖7所示。該段軌下結構整體破壞，具體表現為隆起嚴重(20～70 cm)、軌道變形；水溝局部破壞，具體表現為兩側水溝蓋板擠壓隆起、水溝側壁傾斜。斷層位置處襯砌環向擠壓破壞，隔水層外露，拱部大面積脫落，大量鋼筋變形斷裂外漏，拱頂電力設備損壞。隧道結構在斷層處環向錯斷，大里程側向西錯動1.5～1.8 m，襯砌間裂縫寬30～80 cm，結構損毀極為嚴重。此外，該段隧道初期支護與二次襯砌之間設有5 cm厚的保溫隔熱層，應具有較好的抗地震動能力，但仍無法承受活動斷層突然的強制位移破壞，說明僅從提高結構承載力角度抵抗活動斷裂帶的位錯是難以達到的。

(a) 軌下結構隆起

(b) 軌道變形

(c) 襯砌環向錯斷

(d) 襯砌拱部大面積脫落圖7 極嚴重震害段現場情況Fig. 7 Photographs of site of extremely severe earthquake damage

嚴重震害是指襯砌出現了較大的掉塊或嚴重開裂，需進行拆換處理，主要集中于活動斷裂帶小里程方向1.8 km范圍內。嚴重剝落掉塊段共計10處，每處長度1.5～10 m不等，掉塊面積0.5～15 m2不等，部分位置鋼筋外漏、變形彎曲。襯砌開裂受損嚴重段共計14處，包括斜向和環向貫通裂縫、多道平行或交錯呈網狀裂縫，部分襯砌受擠壓變形明顯，發生開裂錯動等，如圖 8所示。

(a) 襯砌剝落掉塊

(b) 襯砌環向開裂圖8 嚴重震害段現場情況Fig. 8 Photographs of site of severe earthquake damage

一般震害是指襯砌結構出現環向開裂、軌下結構開裂，需進行套拱或施工縫處置。主要病害包括邊墻裂縫(以環向裂縫為主)、軌下結構裂縫、滲漏水、水溝破壞和附屬洞室裂縫等,如圖 9所示。

(a) 襯砌邊墻開裂

(b) 道床開裂圖9 一般震害段現場情況Fig. 9 Photographs of site of general earthquake damage

根據現場調研結果可知，現有鐵路隧道抗震技術及工程措施，可保證洞口、淺埋及洞身非活動斷裂帶段的隧道結構在地震作用下保持穩定，滿足設防目標要求。鐵路隧道抗震方案總體是合理的，工程措施是可靠的。穿越活動斷裂帶及其附近的隧道破壞十分嚴重，表現為隧道垮塌，軌下結構底鼓、錯臺，拱墻襯砌結構垮塌、開裂，一方面是由于穿越活動斷裂帶的隧道受較大的錯動位移影響，結構發生嚴重破壞；另一方面是由于在隧道結構已經發生嚴重破壞的同時，又受到強烈的地震作用，且由于距離震源近、地震波頻率成分復雜、震動幅值大、垂直地震動參數大，因此，隧道出現垮塌、軌下結構底鼓、拱墻襯砌結構垮塌等現象。

1.4 穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震設防分區

大梁隧道震后整體變形情況如圖 10所示,結合大梁隧道現場調研結果可知，穿越活動斷裂帶隧道的破壞程度與距斷層的距離關系明顯，根據隧道破壞機制可以將活動斷裂帶影響區分為2個區段，即活動斷裂帶錯斷的強烈影響段及一般影響段。其中，活動斷裂帶錯斷強烈影響段受強地震力、橫向變形和軸向變形作用，出現軌下結構底鼓、錯臺，拱墻襯砌結構垮塌、開裂、大面積脫落等震害；活動斷裂帶錯斷一般影響段主要受強地震力及軸向變形作用，出現襯砌開裂、局部剝落、道床開裂等震害。應針對2種區段分別進行設防。

圖10 大梁隧道震后整體變形情況Fig. 10 Overall deformation of Daliang tunnel after earthquake

根據“門源1·8地震”后隧道破壞特征可知，穿越活動斷裂帶段隧道的破壞主要集中在活動斷裂帶錯斷的強烈影響段(Lp1+D+Lp2)和一般影響段(Ls1+Ls2)這2個區段(如圖 11所示):

圖11 穿越活動斷裂帶隧道設防分區示意圖Fig. 11 Schematic of fortification zoning of tunnel crossing active fault zone

1)活動斷裂帶錯斷強烈影響段是指斷裂帶及從斷裂帶邊緣向兩側受到嚴重震害的區段，在該區段既受活動斷裂帶斷層錯動位移影響又受強地震力作用下橫向變形和軸向變形的共同作用。

2)活動斷裂帶錯斷一般影響段是指從活動斷裂帶錯斷強烈影響段邊緣向外受到震害影響逐漸降低的區段，該區段距離震源近、地震波頻率成分復雜、震動幅值大、垂直地震動參數大，深埋隧道受強地震力作用十分明顯，隧道結構變形受到的橫向變形影響較小，主要是軸向變形。

1.5 傍行活動斷裂帶隧道抗震設防范圍

根據GB/T 51336—2018《地下結構抗震設計標準》，鐵路隧道工程為特殊設防類結構(甲類)或重點設防類結構(乙類)，其避讓距離為400 m。

國內隧道(巷道)傍行于斷層的工程案例如表1所示。

表1 隧道(巷道)傍行于斷層的工程案例Table 1 Engineering cases of tunnel (roadway) parallel to fault

由表1可知，傍行于活動斷裂時的避讓距離為100～700 m。

湯淼鑫[30]對不同覆蓋層厚度下的安全距離開展了研究，給出了地震烈度為Ⅸ度下的安全距離： 1)覆蓋層厚度大于100 m時，建筑物安全距離為150～250 m； 2)走滑型斷裂發震覆蓋層較薄或基巖出露斷裂帶附近巖體較完整時，建筑物安全距離為300～1 000 m；3)在覆蓋層較薄或基巖出露區，由多條相距不遠的走滑型斷裂組合發震，斷裂破碎帶較寬，或由附近巖體較破碎的傾滑型斷裂發震時，安全避讓距離為1 000～2 000 m。

為驗證以上安全距離的合理性，采用數值模擬方法分析錯動量在1.5 m、地震烈度為Ⅸ度時，與斷層距離分別為50、100、150、200、250 m時隧道結構內力及安全系數的變化規律。5組計算工況的軸力、彎矩和安全系數的計算結果如表2所示。

表2 各工況軸力最大值、彎矩最大值和安全系數最小值對比Table 2 Comparison of maximum axial force, maximum bending moment, and minimum safety factor under various conditions

由表2可知： 1)軸力方面，間距50～150 m，二次襯砌軸力變化較大；間距100～150 m，軸力峰值降低218 kN；間距150～250 m，二次襯砌軸力變化僅約3%；間距200～250 m，軸力峰值降低0.3%。2)彎矩方面，間距50～100 m，彎矩峰值降低10.8 kN·m，即37%；間距100～150 m，彎矩峰值降低1.7 kN·m，即9%；間距150～250 m，二次襯砌彎矩變化較小；間距150～200 m，彎矩峰值降低0.2 kN·m，即1%；間距200～250 m,彎矩峰值降低0.1 kN·m，即0.6%。3)安全系數方面，間距50～100 m，安全系數增大1.5，即54%；間距100～150 m，安全系數增大0.6，即14%；間距150～250 m，二次襯砌安全系數變化較小；間距150～200 m，安全系數增大0.1，即2%；間距200～250 m，安全系數不變。

根據以上分析可知，傍行于活動斷裂帶的隧道受活動斷裂發震的影響范圍與斷層錯動量、地震烈度、地層條件、埋深等因素密切相關。通常條件下，其影響在200～1 000 m。在覆蓋層較薄或基巖出露區，由多條相距不遠的走滑型斷裂組合發震，斷裂破碎帶較寬，或由附近巖體較破碎的傾滑型斷裂發震等特殊條件下，安全避讓距離可取1 000～2 000 m。但在實際工程設計中，還應充分考慮地震等級、錯動量、斷裂性質等因素綜合確定設防范圍。

2 穿越活動斷裂帶鐵路隧道變形和破壞機制

根據門源地震現場調研可知，穿越活動斷裂帶隧道襯砌破壞嚴重，為進一步研究明確穿越活動斷裂帶鐵路隧道變形和破壞機制，開展模型試驗和數值模擬研究。

2.1 模型試驗研究

2.1.1 模型試驗概況

依托某鐵路隧道工程，模型采用傾斜正斷左旋錯動剛性模型箱，如圖 12所示。試驗模型箱內部尺寸為2.5 m(長)×2.5 m(寬)×2.2 m(高)，采用鋼結構，由5塊鋼板焊接而成，外部由鋼矩管加固，四周壁厚1 cm，底板厚為0.6 cm，最大承載質量為20 t。

圖12 斷層黏滑錯動模型試驗箱(單位： m)Fig. 12 Fault stick-slip dislocation model test box (unit: m)

采用粉煤灰、河砂和機油(質量比為57∶31∶12)配置Ⅵ級圍巖相似材料，采用石膏、水和重晶石(質量比為1.1∶1∶0.3)配置襯砌相似材料，采用雙層鋼絲網模擬鋼筋，圍巖及襯砌相似材料力學參數如表3所示。

表3 圍巖及襯砌相似材料力學參數Table 3 Mechanical parameters of similar materials of surrounding rock and lining

2.1.2 模型試驗方案

試驗中采用了2種穿越活動斷裂帶分節段隧道襯砌結構，即普通型仰拱襯砌結構(工況1)及加強型仰拱襯砌結構,(工況2)如圖 13所示。

(a) 普通型仰拱襯砌結構(工況1)

(b) 加強型仰拱襯砌結構(工況2)圖13 隧道襯砌結構(單位： cm)Fig. 13 Tunnel lining structure (unit: cm)

斷層錯動如圖14所示。襯砌與斷層斜交14°，共分10個襯砌節段，其中,1#節段徑向寬度為34.5 cm、2#和9#節段徑向寬度為29.5 cm、3#—8#和10#節段徑向寬度為19.5 cm。試驗模型箱上盤為正斷左旋活動盤，下盤為固定約束盤，1#—5#節段位于錯動帶下盤，6#—10#節段位于錯動帶上盤。采用千斤頂進行分級錯動，最終正斷3 cm、左旋10 cm。

圖14 斷層錯動示意圖Fig. 14 Schematic of fault dislocation

2.1.3 穿越活動斷裂帶鐵路隧道襯砌變形破壞特征

不同工況下，正斷3 cm、左旋10 cm后，斷層破碎帶錯動位置的襯砌(4#節段)破壞特征如圖 15所示。其中，普通型仰拱襯砌結構的仰拱、拱部及拱腳發生破壞，加強型仰拱襯砌結構的拱頂及拱腳發生破壞。

(a) 普通型仰拱襯砌結構

(b) 加強型仰拱襯砌結構圖15 隧道襯砌結構破壞特征試驗結果(4#節段)Fig. 15 Damage characteristics of tunnel lining structure (segment No. 4)

正斷3 cm、左旋10 cm后，隧道襯砌結構位錯變形如圖16所示。2種襯砌結構均出現了較為嚴重的錯臺，其中，普通型仰拱襯砌結構錯臺為6.89～9.80 cm，加強型仰拱襯砌結構錯臺為1～4 cm。

(a) 普通型仰拱襯砌結構位錯變形

(b) 加強型仰拱襯砌結構位錯變形圖16 隧道襯砌結構位錯變形示意圖(單位： cm)Fig. 16 Schematic of dislocation deformation of tunnel lining structure (unit: cm)

2.2 數值模擬研究

為進一步驗證模型試驗結果，開展數值模擬研究，計算參數與模型試驗相同，計算模型如圖17所示。

圖17 斷層黏滑錯動數值模型Fig. 17 Numerical model of fault stick-slip dislocation

正斷3 cm、左旋10 cm后，隧道襯砌結構破壞特征如圖18所示。其中，普通型仰拱襯砌結構的仰拱、拱部及拱腳發生破壞，加強型仰拱襯砌結構的拱部及拱腳發生破壞，與模型試驗結果吻合。

(a) 普通型仰拱襯砌結構

(b) 加強型仰拱襯砌結構圖18 隧道襯砌結構破壞特征模擬結果(4#節段)Fig. 18 Damage characteristics of tunnel lining structure (segment No. 4)

根據以上模型試驗及數值模擬結果可知，穿越活動斷裂帶錯斷強烈影響段的隧道襯砌結構，在受到大位錯橫向變形和軸向變形的共同作用下，襯砌結構無法適應大尺度位錯，不可避免地出現錯臺和結構開裂問題。

3 穿越活動斷裂帶鐵路隧道抗震設防技術

3.1 穿越活動斷裂帶隧道抗震設防措施調研

為總結穿越活動斷裂帶隧道抗震設防措施經驗，調研了國內外鐵路隧道(成蘭鐵路柿子園隧道、拉林鐵路桑珠嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道、肯尼亞內馬鐵路隧道等)、公路隧道(土耳其Bolu公路隧道、墨脫公路嘎隆拉隧道等)抗震設防措施，調研結果如表4所示。目前針對隧道抗減震構造措施主要包括： 1)預留變形空間，優化斷面形狀及襯砌節段設計； 2)改變圍巖性質，如對圍巖進行注漿或增設錨桿等； 3)提高襯砌性能，如增加隧道結構強度、阻尼、剛度調整等； 4)設置減震措施，如在隧道與地層之間設置減震構造等。

3.2 穿越活動斷裂帶隧道抗震設防措施優化

根據穿越活動斷裂帶隧道抗震設防措施調研結果(見表4)，結合前文中所述的隧道設防分區理念及變形破壞特征，得出穿越活動斷裂帶隧道應分區設防，基于現有技術水平，提出穿越活動斷裂帶隧道抗震設防措施優化方案。

表4 地下結構主要抗減震措施分類Table 4 Classification of main anti-seismic measures for underground structure

3.2.1 活動斷裂帶抗震設防范圍

活動斷裂帶分為活動斷裂帶錯斷強烈影響段和一般影響段。

活動斷裂帶強烈影響段，采用“預留空間+圓形斷面+節段設計”的工程方案，目前設計一般考慮在斷裂帶兩側延伸30 m，但研究發現延伸長度不足，建議根據斷層性質、斷層與隧道交角、隧道埋深等因素綜合確定兩側延伸長度；在施工階段，可結合超前地質預報和揭示的地質條件進一步優化調整延伸長度。

活動斷裂帶錯斷一般影響段，主要采用“加強襯砌結構及設置變形縫”的工程方案。目前設計中一般未單獨考慮，建議對活動斷裂帶錯斷強烈影響帶兩側各1 000 m范圍進行抗震設防，加強襯砌結構并合理設置變形縫。

3.2.2 活動斷裂帶抗震設防措施

活動斷裂帶錯斷強烈影響段： 1)進一步優化活動斷裂帶地段節段設計。經調研，活動斷裂帶節段設計按照6～12 m的不等間距設置，多為9 m。結合課題科研試驗，發現節段長度對隧道抗錯斷效果明顯，可有效縮短錯斷范圍，建議根據抗震設防要求，考慮施工影響，按“宜小不宜大”的原則，進一步縮短活動斷裂帶地段襯砌節段，以使隧道結構更好地適應變形。2)加強活動斷裂帶地段軌下結構設計。通過震害調研和模型試驗分析，在活動斷裂帶錯斷地段，軌下結構破壞最為嚴重，結合受力分析，建議加強活動斷裂帶地段軌下結構整體性。

活動斷裂帶錯斷一般影響段： 按照場地地震安評結果進行抗震驗算，采用鋼筋混凝土襯砌，設置變形縫，加強軌下結構的整體性設計，提高襯砌結構的抗震能力。

3.3 新型多級減隔震結構技術體系

穿越活動斷裂帶隧道隔震減震結構斷面如圖19所示。1)對于強烈影響段，通過擴挖斷面預留活動斷裂帶最大位錯量，采用徑向注漿提高圍巖物理力學指標，采用高韌性噴射混凝土、錨桿及鋼拱架作為初期支護層，泡沫混凝土作為減震層，鋼結構襯砌作為二次襯砌層，縱向連接采用柔性連接器。當發生錯斷后，外層襯砌錯斷，通過外層和內層襯砌之間的柔性緩沖層，減小內層襯砌的錯斷，盡可能減小對隧道運營的影響。2)對于一般影響段，通過增設錨桿加固圍巖，采用鋼拱架和高韌性噴射混凝土作為初期支護層、凸殼式防排水板作為減隔震層、鋼筋混凝土作為二次襯砌層，并在縱向設置寬變形縫，凸殼式防排水層兼作防水層，吸收耗散地震能量。

圖19 穿越活動斷裂帶隧道隔震減震結構斷面圖Fig. 19 Typical tunnel section of seismic isolation and shock absorption crossing active fault zone

為解決隧道穿越活動斷裂帶隧道抗錯斷問題，針對活動斷裂帶錯斷強烈影響段，初步提出以“外層錯斷，中間吸能，內層抗震”為設計理念的穿越活動斷裂帶雙層離壁式新型隧道結構構想。當發生位錯后，外層襯砌結構出現錯斷，但內外層襯砌之間預留了足夠的位錯空間，避免內層襯砌結構出現大尺度的位錯，內層襯砌主要承擔強烈地震震動帶來的影響。為了驗證雙層離壁式結構的抗錯斷性能，開展了模型試驗研究，襯砌結構、試驗裝置、方案同第2.1節。雙層離壁式襯砌結構如圖20所示。

圖20 雙層離壁式襯砌結構(單位： mm)Fig. 20 Double layer off-wall lining structure (unit: mm)

正斷3 cm、左旋10 cm后，斷層破碎帶錯動位置的襯砌(4#節段)破壞特征如圖21所示，雙層離壁式襯砌結構外襯拱腳及拱頂發生破壞，但內襯未發生破壞。

圖21 雙層離壁式襯砌結構破壞特征(4#節段)Fig. 21 Damage characteristics of double lager off-wall lining structure (segment No. 4)

正斷3 cm、左旋10 cm后，隧道襯砌結構位錯變形如圖22所示，雙層離壁式襯砌結構外襯錯臺為2～7 cm。

圖22 隧道襯砌結構位錯變形示意圖(單位： cm)Fig. 22 Schematic of dislocation deformation of tunnel lining structure (unit: cm)

根據試驗結果可知，在大尺度條件下，該新型襯砌結構外襯結構產生破壞，外層襯砌和減震層吸收了大部分的位錯量，內襯結構處于安全狀態，但是內襯結構節段之間仍然產生錯臺。因此，建議進一步考慮新型襯砌結構對運營的影響，優化軌下結構設計方案，繼續深化模型試驗。同時，本文所提的穿越活動斷裂帶新型多級減震可變結構存在施工難度大、非震條件下對運營影響大及缺乏可靠的工程實踐等問題，尚需進一步深化研究，經現場試驗驗證后方可用于實踐。

而對于傍行于活動斷裂帶的隧道，經調研分析，在活動斷裂帶1 000 m范圍內隧道受活動斷裂震動影響嚴重。因此，建議對傍行于活動斷裂1 000 m以內的隧道段進行抗震設防檢算，加強襯砌結構，合理設置變形縫。

3.4 穿越活動斷裂帶鐵路隧道搶通方案

根據以上研究可知，穿越活動斷裂帶的隧道，在發震時出現大位錯，基于現有技術水平，尚無可靠的隧道結構形式可以應對，結構出現一定程度的損壞是難以避免的，若待正洞修復后再恢復通車，往往時間較長。因此，本文針對分修隧道及合修隧道提出了快速搶通方案。

3.4.1 合修隧道搶通方案

合修隧道震后快速搶通方案如圖23所示。對于合修帶平導和合修隧道，首先在距離活動斷裂帶兩側合適位置預留2條渡線隧道使正洞與平導相連，渡線采用內輪廓5.4 m×6.82 m(寬×高)的小斷面，小于正洞單線內輪廓6.9 m×7.52 m(寬×高)，渡線采用相對簡單有效的支護措施，便于震后快速搶通。震后利用小斷面易修復的特點，采用臨時措施(噴混凝土、鋼架、局部波紋板等)快速加固活動斷裂帶段渡線結構，列車從渡線繞行，實現快速保通目的，待正洞修復后再恢復正常行車。

(a) “合修+平導”隧道

(b) “合修”隧道圖23 合修隧道震后快速搶通方案示意圖Fig. 23 Schematic of rapid recovery scheme after earthquake of jointly constructed tunnel

3.4.2 分修隧道搶通方案

分修隧道采用“搶通一側線路，單側臨時通行”方案，即震后采用臨時措施加固震損相對較輕的一側隧道，通過調整行車組織，在上下行臨近車站組織行車等待、避讓，搶通線路區間單線臨時通行。

3.4.3 渡線搶通方案

搶通階段渡線隧道的修復以實現快速整治、保障臨時行車安全為目標，其搶通方案主要分為以下3類：

1)震害極嚴重地段是指結構損毀嚴重、結構功能基本喪失的地段，采用以局部擴挖(不滿足行車限界地段)+噴混凝土或鋼纖維混凝土+工字鋼+局部波紋鋼板為主的臨時修復對策，確保修復后結構不掉塊、不變形。

2)震害嚴重地段是指襯砌剝落掉塊嚴重、襯砌局部變形、裂縫發育、擠壓變形明顯、結構基本功能未喪失的地段，采用噴混凝土或鋼纖維混凝土+局部工字鋼+局部波紋鋼板為主的臨時修復對策，局部變形地段核實限界情況，不滿足地段進行擴挖。

3)震害中等地段是指出現邊墻裂縫(主要是環向裂縫)、仰拱填充層裂縫、附屬洞室裂縫和滲漏水、水溝堵塞、施工縫剝落、底板或仰拱局部變形、裂縫等震害的地段，搶通階段主要對水溝進行疏通，對較大的滲漏水進行引排，裂縫及不影響有砟道床鋪設的底板變形等震害不進行處理，待列車臨時通行后利用天窗時間采取裂縫封閉、基底注漿等措施進行修補。

由此可見，搶通方案具有快速性及可行性，可大幅減少震后通車時間，但仍需根據不同的震害情況，進一步細化渡線搶通方案。

4 結論與建議

4.1 結論

1)現有鐵路隧道抗震技術及工程措施，可保證洞口、淺埋及洞身非活動斷裂帶段的隧道結構在地震作用下保持結構穩定，滿足設防目標要求，現行的鐵路隧道工程抗震方案合理，工程措施可靠。

2)穿越活動斷裂帶錯斷強烈影響段的隧道襯砌結構，在受到大位錯橫向變形和軸向變形的共同作用下，襯砌結構無法適應大尺度位錯，不可避免地出現錯臺和結構開裂問題。

3)基于門源地震隧道震害資料統計及分析，提出了穿越活動斷裂帶隧道抗震2個區段。一個是活動斷裂帶錯斷強烈影響段，該區段隧道結構受強地震力作用下的橫向變形和軸向變形共同作用；另一個是活動斷裂帶錯斷一般影響段，該區段距離震源近，震動幅值大，垂直地震動參數大，隧道結構變形受橫向變形影響較小，主要是軸向變形。

4)對傍行于活動斷裂帶的隧道，其受活動斷裂發震的影響范圍與斷層錯動量、地震烈度、地層條件、埋深等因素密切相關。通常條件下，其影響范圍在200 m～1 000 m。在覆蓋層較薄或基巖出露區，由多條相距不遠的走滑型斷裂組合發震，斷裂破碎帶較寬，或由附近巖體較破碎的傾滑型斷裂發震等特殊條件下，安全避讓距離可取1 000～2 000 m。但在實際工程設計中，還應充分考慮地震等級、錯動量、斷裂性質等因素綜合確定設防范圍。

5)雖然基于現有技術，隧道結構難以適應大尺度(m級)位錯，但可通過工程措施以降低活動斷裂帶錯動帶來的破壞程度，縮小破壞范圍。一方面是設防長度，按照強烈影響段和一般影響段進行分區設防，加大強烈影響段的設防長度，對兩側的一般影響段進行抗震設防。另一方面是工程措施，對強烈影響段進一步縮小節段長度，加強軌下結構整體性；對兩側一般影響段應按照場地地震安評結果進行抗震驗算，采用鋼筋混凝土襯砌，設置變形縫，提高襯砌結構的抗震能力。

6)針對穿越活動斷裂帶鐵路隧道強烈影響段及一般影響段，提出了新型多級減震可變結構設計體系。其中，一般影響段增設錨桿加固圍巖，采用鋼拱架和高韌性噴射混凝土作為初期支護層，凸殼式防排水板作為減隔震層，鋼筋混凝土作為二次襯砌層，并在縱向設置寬變形縫；強烈影響段采用雙層離壁式新型隧道結構，但新型體系尚不成熟，還需進一步試驗驗證。

7)對于大尺度位錯，現有隧道結構難以適應，提出了快速搶通方案，針對穿越活動斷裂帶合修和分修隧道，分別提出了震后快速搶通方案，并分析了震后渡線搶通對策。

4.2 建議

1)活動斷裂帶活動性及活動特征參數對隧道抗震設防的影響極大，建議進一步加強活動斷裂帶的活動性、錯動方式及洞內外錯動位移量等地質基礎理論研究，進一步加強對新建鐵路沿線斷裂帶活動性的調查研究工作，提出準確的設防范圍及相關地震動參數，提高設計的針對性、可靠性。

2)考慮到活動斷裂帶相關地震動參數對抗震設防的影響大，建議對穿越活動斷裂帶隧道進行場地安全性評價工作，提出精確的抗震設防參數。

3)由于活動斷裂帶發生大位錯將導致隧道結構錯斷，仰拱隆起，影響行車安全，建議進一步研究活動斷裂帶發震時的監測、預警技術及相關機制，必要時扣停列車，確保行車安全。

4)基于現有認識，隧道結構難以適應大尺度活動斷裂帶位錯，建議開展可適應活動斷裂帶大位錯的韌性隧道結構體系的攻關，攻克隧道抗錯斷難題，提升我國鐵路隧道的抗災水平。