司建強(qiáng)，王 濤，向天兵，蔣 敏

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；2.云南省滇中引水工程建設(shè)管理局 楚雄分局，云南 楚雄 675000)

1 研究背景

活動(dòng)性區(qū)域斷裂帶一般具有規(guī)模大、變形量大、地震設(shè)防烈度高的特點(diǎn)，就要求穿越此區(qū)域的引水工程建筑物具有較大柔性和必要的剛性，采用合適的穿越方案對(duì)引水工程能否成功建設(shè)和安全平穩(wěn)運(yùn)行是至關(guān)重要的[1]。

滇中引水工程位于青藏高原東南緣的云南省滇中高原山區(qū)，沿線山高谷深，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育且復(fù)雜。滇中引水工程從石鼓提水，沿線經(jīng)過(guò)大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪至紅河蒙自結(jié)束，全長(zhǎng)661 km。工程全線不良地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，與輸水總干渠直接相交的主要斷裂帶共43條，屬工程活動(dòng)性斷裂有16條，其中全新世活動(dòng)斷裂5條，晚更新世活動(dòng)斷裂共11條。輸水總干渠楚雄段及昆明段沿線共發(fā)育4條晚更新世活動(dòng)斷裂，分別為鳳凰山隧洞穿越元謀-綠汁江斷裂、觀音山倒虹吸穿越羅茨-易門斷裂、龍泉隧洞穿越普渡河斷裂和昆呈隧洞穿越一朵云-龍?zhí)渡綌嗔选?/p>

區(qū)域性活動(dòng)斷裂帶作為地震動(dòng)參數(shù)圖編制、重大工程場(chǎng)地選址和生命線工程安全評(píng)價(jià)的重要影響因素[2]，是指目前正在活動(dòng)，或者近期曾有過(guò)活動(dòng)，并在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)仍有可能活動(dòng)，或具備發(fā)生中強(qiáng)地震能力的斷層。

目前國(guó)內(nèi)外已有多條隧洞穿越活動(dòng)性斷裂帶的工程實(shí)例。例如美國(guó)加利福尼亞州克萊爾蒙特新建輸水隧洞穿越 Hayward 活動(dòng)斷層采用擴(kuò)大斷面+鋼襯鉸鏈混凝土設(shè)計(jì)[3]，預(yù)計(jì)50 a內(nèi)蠕滑變形0.3 m，至今工程正常運(yùn)行。伊朗中部的Koohrang—Ⅲ輸水隧洞穿越活動(dòng)斷層，該輸水隧洞直徑4 m，沿線至少穿越了4條斷裂帶[4]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋼襯混凝土，節(jié)段間采用柔性連接，預(yù)計(jì)100 a內(nèi)蠕滑變形0.37 m，至今正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)昆明市掌鳩河供水工程輸水隧洞穿越普渡河斷裂[5]，結(jié)構(gòu)形式采用洞內(nèi)明鋪鋼管設(shè)計(jì)，目前已安全運(yùn)行6 a。中國(guó)臺(tái)灣石崗水庫(kù)輸水隧洞穿越車輪鋪活動(dòng)性斷裂帶[6]，1999 年發(fā)生7.3級(jí)地震，斷層黏滑垂直錯(cuò)動(dòng)4 m，水平錯(cuò)動(dòng)3 m，造成隧洞襯砌局部剪斷垮塌，大范圍縱向裂縫。

本文針對(duì)我國(guó)西南高原山區(qū)大規(guī)模輸水隧洞穿越區(qū)域性活動(dòng)斷裂帶重大技術(shù)難題，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建類似工程經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)雙洞方案、洞內(nèi)明管方案和單洞縮徑方案進(jìn)行了適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)比選，推薦采用單洞縮徑工程方案。通過(guò)對(duì)推薦方案襯砌結(jié)構(gòu)穿越活動(dòng)斷裂帶蠕滑變形和黏滑變形適應(yīng)性分析，提出了工程運(yùn)行合理檢修年限，為確保滇中引水工程施工及運(yùn)行安全提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

2 工程概況

鳳凰山隧洞位于滇中引水工程楚雄州祿豐市境內(nèi)，隧洞全長(zhǎng)24 991.012 m，總體方向東偏北20°～25°，設(shè)計(jì)流量為10 m3/s，底坡坡比為1/5 900，設(shè)計(jì)斷面尺寸8.26 m×8.96 m，馬蹄形斷面，隧洞采用無(wú)壓輸水。

鳳凰山隧洞通過(guò)地段屬低中山地貌，隧洞前段山脊、沖溝呈東西向展布，中、后段主要山脊、沖溝近南北向展布，與線路大角度相交。隧洞沿線地形起伏較大，隧洞埋深一般在100～400 m，最大埋深約421 m，位于隧洞前段鳳凰山山脊。隧洞穿越的地層為“滇中紅層”，巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖等。

隧洞沿線以發(fā)育斷層構(gòu)造為主，沿線共穿越21條Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)斷層，其中Ⅰ級(jí)斷層1條，為元謀—綠汁江斷裂(F20)分為東、西兩支，斷層帶寬100～150 m，Ⅱ級(jí)斷層5條，Ⅲ級(jí)斷層15條。穿越的斷層帶及影響帶累計(jì)長(zhǎng)度約2.332 km，約占該條隧洞總長(zhǎng)的9.3%。斷層帶組成物質(zhì)主要為糜棱巖、碎裂巖和少量斷層泥、透鏡體，局部見碳化現(xiàn)象，擠壓緊密，膠結(jié)較差。

鳳凰山隧洞共設(shè)置7條施工支洞，其中7#施工支洞布置在元謀—綠汁江斷裂(F20)東、西兩支之間，是鳳凰山隧洞施工工期控制的關(guān)鍵線路。

3 斷層工程特性

根據(jù)云南省地震工程勘察院《滇中引水工程水源及總干渠線路地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》及中國(guó)地震局地質(zhì)研究所《滇中引水工程水源及總干渠線路區(qū)活動(dòng)斷層鑒定》成果，楚雄段鳳凰山隧洞在7#施工支洞上、下游兩側(cè)近垂直穿越元謀—綠汁江斷裂東、西支，鳳凰山隧洞過(guò)元謀—綠汁江斷裂帶布置見圖1。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖圖1 鳳凰山隧洞穿越元謀—綠汁江斷裂帶平面圖和剖面圖Fig.1 Plan view and cross section of Fenghuangshan tunnel crossing Yuanmou-Lüzhijiang fault zone

元謀—綠汁江斷裂帶出露寬度約200 m，活動(dòng)時(shí)代為晚更新世，拉張—左旋運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，活動(dòng)類型以黏滑為主，水平滑動(dòng)速率為1.6～3.3 mm/a，平均2.5 mm/a，垂直滑動(dòng)速率為0.25 mm/a；北段昔格達(dá)斷裂歷史上發(fā)生過(guò)1955年魚鲊6.75級(jí)地震，未來(lái)百年可能發(fā)生的地震震級(jí)為6.5級(jí)，加權(quán)綜合法計(jì)算得到的交叉段未來(lái)百年最大水平位錯(cuò)量為1.3 m(范圍值為0.85～1.3 m)，垂直位移為0.23 m(范圍值為0.15～0.23 m)。

4 隧洞穿越活動(dòng)斷裂帶布置

4.1 方案擬定

楚雄段元謀—綠汁江斷裂屬于晚更世新活動(dòng)斷裂帶，屬于黏滑為主斷裂帶，對(duì)鳳凰山隧洞跨越晚更世新活動(dòng)斷裂帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案主要是減小隧洞開挖施工風(fēng)險(xiǎn)，以及適應(yīng)運(yùn)行期的黏滑變形。經(jīng)分析，初步確定雙洞縮徑方案、洞內(nèi)明管方案和單洞縮徑大坡比方案。

4.1.1 雙洞縮徑方案

按照水力等效原則，擬定鳳凰山隧洞雙洞方案斷面尺寸為6.2 m×7.1 m(寬×高，馬蹄形)。隧洞縱坡坡比為1/5 000，襯砌厚0.7 m。根據(jù)雙洞開挖施工洞間巖體力學(xué)相應(yīng)分析，雙洞室在不考慮錯(cuò)動(dòng)條件下的雙洞互不影響最小間距為20～25 m，錯(cuò)動(dòng)條件下雙洞互不影響最小間距為40～45 m，為滿足隧洞抗震要求，雙洞間距確定為45 m，方案布置示意見圖2。

圖2 雙洞方案布置示意圖Fig.2 Layout of double tunnels

4.1.2 洞內(nèi)明管方案

根據(jù)水力學(xué)分析，本方案采用3根直徑4.5 m的洞內(nèi)明鋪鋼管，斷裂帶東西兩支范圍均設(shè)置6個(gè)萬(wàn)向波紋管伸縮節(jié)以適應(yīng)圍巖的蠕滑及黏滑變形，隧洞采用馬蹄形斷面，隧洞內(nèi)尺寸為6 m×6 m，隧洞襯砌厚度0.5 m。本方案運(yùn)行斷裂帶錯(cuò)位變形造成隧洞襯砌破壞，但洞內(nèi)輸水鋼管依靠萬(wàn)向波紋管伸縮節(jié)適應(yīng)錯(cuò)位變形。類似方案在昆明市掌鳩河引水工程已成功應(yīng)用，掌鳩河引水工程隧洞與普渡河斷裂帶交叉，設(shè)計(jì)中采用了洞內(nèi)明管方案，目前已安全運(yùn)行6 a，方案布置見圖3。

圖3 洞明管方案典型斷面Fig.3 Typical tunnel section with internal exposed pipe

4.1.3 單洞縮徑大坡比方案

鳳凰山隧洞過(guò)過(guò)元謀—綠汁江斷裂東支及其影響帶(樁號(hào)FHST21+910—FHST22+570 m，長(zhǎng)660 m；樁號(hào)FHST23+221—FHST24+062 m，長(zhǎng)841 m)，斷面尺寸為6.7 m×7.3 m(寬×高，馬蹄形)，襯砌分縫長(zhǎng)度為6 m，之間設(shè)5 cm寬縫適應(yīng)斷裂帶位移變形，底坡坡比為1∶1 500；為保證隧洞總水力坡降不變，其他洞段底坡坡比由原來(lái)的1∶5 000調(diào)整為1∶5 900，方案布置見圖4。

圖4 單洞縮徑方案平面布置Fig.4Plan layout of single tunnel with shrinking diameter

4.2 響應(yīng)方案選擇

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，鳳凰山隧洞穿越元謀—綠汁江活動(dòng)斷裂帶3種方案均有效縮小了隧洞規(guī)模，很大程度上減小了隧洞開挖施工風(fēng)險(xiǎn)及襯砌結(jié)構(gòu)受力，提高隧洞施工及非位移變形情況下的安全性。從結(jié)構(gòu)適應(yīng)斷裂帶蠕滑及黏滑變形來(lái)說(shuō)，由于隧洞斷面尺寸基本相當(dāng)，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但均需運(yùn)行40 a后進(jìn)行結(jié)構(gòu)修補(bǔ)。另外使用洞內(nèi)明管方案隧洞襯砌結(jié)構(gòu)僅作為明管布置通道，鋼管通過(guò)伸縮節(jié)吸收活動(dòng)變形，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性最好，但投資較高；雙洞縮徑方案隧洞規(guī)模略小于單洞大坡比方案，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性略好，但較單洞方案，穿越活動(dòng)斷裂帶次數(shù)及長(zhǎng)度增加一倍，運(yùn)行期發(fā)生事故概率明顯增加，同時(shí)投資居中。單洞大坡比方案通過(guò)縮小洞徑，有效改善隧洞受力狀態(tài)，短襯砌加寬縫可以很好地適應(yīng)斷層位移變形，同時(shí)工程投資最少，約為洞內(nèi)明管方案的2/5和雙洞方案的3/4。綜合來(lái)看，最終選擇滿足施工及運(yùn)行安全要求、工程投資省的單洞縮徑大坡比方案。

5 縮徑短襯寬縫結(jié)構(gòu)適應(yīng)性研究

5.1 計(jì)算模型

本研究分別對(duì)短襯砌為6、8、10 m這3種分節(jié)長(zhǎng)度方案，以及剪切縫為5、10、20 cm這3種縫寬方案進(jìn)行初步組合分析。經(jīng)分析襯砌長(zhǎng)度越小，活動(dòng)性斷層蠕滑變形引起的混凝土應(yīng)力計(jì)應(yīng)變?cè)叫?。結(jié)合美國(guó)加利福尼亞州輸水隧洞穿越 Hayward 活動(dòng)斷工程案例及滇中引水工程施工混凝土模板臺(tái)車長(zhǎng)度，本文選擇短襯砌分節(jié)長(zhǎng)度為6 m，變形剪切縫寬度為5 cm的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行研究[7]，進(jìn)行活動(dòng)斷裂帶蠕滑變形適應(yīng)性分析以及強(qiáng)震黏滑條件下結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析，分析采用大型三維仿真分析軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型包括斷裂帶地質(zhì)模型及襯砌結(jié)構(gòu)模型，模型尺度為5 000 m×2 500 m×500 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型中對(duì)隧洞區(qū)域?qū)ζ浞€(wěn)定性影響顯著的元謀—綠汁江斷層填充采用實(shí)體單元模擬[8-11]。計(jì)算模型及材料參數(shù)見圖5和表1。

圖5 仿真分析模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Grid division of simulation analysis model

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

鳳凰山隧洞設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度為0.10g，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 51247—2018)巖基面50 m以下隧洞可選取設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度的1/2，因此選用0.05g作為基本地震動(dòng)峰值加速度。元謀—綠汁江斷裂在20世紀(jì)曾有過(guò)5次中強(qiáng)震記錄，最大地震為1955年魚鲊6.75級(jí)，具有明顯近場(chǎng)地震波頻譜特性的Kobe波特征，其記錄時(shí)長(zhǎng)41 s，時(shí)間間隔0.01 s，峰值加速度出現(xiàn)在6.93 s，Kobe地震波加速度的時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 Kobe地震波時(shí)程曲線Fig.6 Time history curve of Kobe seismic wave

5.2 隧洞過(guò)活動(dòng)斷裂帶蠕滑變形適應(yīng)性分析

隧洞襯砌運(yùn)行期塑性區(qū)發(fā)展及與位移云圖如圖7所示。 由圖7可知， 永久襯砌在錯(cuò)動(dòng)開始10 a內(nèi)無(wú)任何塑性區(qū)， 不會(huì)發(fā)生破壞， 錯(cuò)動(dòng)20 a后， 永久襯砌外側(cè)接縫處開始出現(xiàn)少量塑性區(qū)， 錯(cuò)動(dòng)30 a永久襯砌外側(cè)接縫處塑性區(qū)有所擴(kuò)大(左側(cè)圖非藍(lán)色部分)， 但內(nèi)側(cè)基本沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。 錯(cuò)動(dòng)40 a， 襯砌拱腳開始出現(xiàn)少量塑性區(qū)。 錯(cuò)動(dòng)50 a， 永久襯砌拱腳塑性區(qū)有所擴(kuò)大， 拱頂開始出現(xiàn)少量塑性區(qū)， 外側(cè)塑性區(qū)仍沿分縫處發(fā)展。 錯(cuò)動(dòng)70 a， 襯砌外側(cè)拱頂塑性區(qū)出現(xiàn)貫通， 內(nèi)側(cè)拱腳塑性區(qū)擴(kuò)大， 拱頂出現(xiàn)大面積塑性區(qū)， 襯砌錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到10 mm， 如無(wú)維修措施， 拱頂將出現(xiàn)襯砌破壞現(xiàn)象。 錯(cuò)動(dòng)100 a， 襯砌外側(cè)塑性區(qū)大面積貫通， 襯砌錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到15 mm， 內(nèi)側(cè)拱頂、 側(cè)墻、 拱腳聯(lián)通， 永久襯砌發(fā)生損壞。

圖7 隧洞襯砌運(yùn)行期塑性區(qū)發(fā)展及與位移云圖Fig.7 Plastic zone development and displacement contours of tunnel lining during operation

根據(jù)襯砌兩相鄰變形縫間各個(gè)部位錯(cuò)動(dòng)位移變化趨勢(shì)(圖8)可以看出，在水平向上變形縫間的錯(cuò)動(dòng)位移均隨錯(cuò)動(dòng)年數(shù)的增加而增大，其中襯砌左側(cè)變形縫錯(cuò)動(dòng)位移變化較大，達(dá)到6.43 mm，底部錯(cuò)動(dòng)位移則變化較小。在豎向上襯砌左側(cè)錯(cuò)動(dòng)位移變化較大，為1.15 mm，而右側(cè)錯(cuò)動(dòng)位移變化較小。

圖8 永久襯砌縫面錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)Fig.8 Dislocation trends of permanent lining joint surface

5.3 強(qiáng)震黏滑條件下隧洞結(jié)構(gòu)損失分析

由圖9計(jì)算結(jié)果可知，在黏滑錯(cuò)動(dòng)下，整個(gè)隧洞數(shù)值網(wǎng)格模型均發(fā)生了塑性破壞，永久襯砌拱頂、邊墻、拱腳均出現(xiàn)塑性區(qū)。永久襯砌在錯(cuò)動(dòng)條件下主要承受壓應(yīng)力，內(nèi)部最大壓應(yīng)力可達(dá)30 MPa，超過(guò)了C30混凝土的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20.1 MPa[12-13](圖10)，因此，在黏滑錯(cuò)動(dòng)條件下，永久襯砌將發(fā)生破壞。

圖9 地震黏滑錯(cuò)動(dòng)網(wǎng)格模型及永久襯砌大面積塑性區(qū) 示意圖Fig.9 Large area plastic zone of seismic stick-slip dislocation grid model and permanent lining

圖10 地震黏滑錯(cuò)動(dòng)永久襯砌最小主應(yīng)力和 最大主應(yīng)力云圖Fig.10 Contours of minimum principal stress and maximum principal stress of permanent lining due to seismic stick-slip dislocation

在地震黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下，永久襯砌相鄰變形縫間錯(cuò)動(dòng)位移在水平方向上隨黏滑錯(cuò)動(dòng)的增大而增大(圖11)，其中襯砌左拱肩和左拱腰錯(cuò)動(dòng)位移變化較為明顯，最大錯(cuò)動(dòng)位移達(dá)到130 mm。在豎直方向上，變形縫錯(cuò)動(dòng)位移趨勢(shì)線均向下變化，其中拱頂和左、右拱肩的錯(cuò)動(dòng)位移變化較大，達(dá)到48 mm?？傮w來(lái)說(shuō)黏滑錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)襯砌上半部分影響較大。

圖11 變形縫錯(cuò)動(dòng)位移變化趨勢(shì)Fig.11 Variations of dislocation displacement ofdeformation joint

6 結(jié) 語(yǔ)

受大陸板塊運(yùn)動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造影響，滇中引水工程輸水線路沿線穿越16條區(qū)域性活動(dòng)斷裂帶，造成交叉段隧洞施工安全及正常運(yùn)行均面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合輸水總干渠楚雄段鳳凰山隧洞穿越元謀—綠汁江斷裂工程實(shí)例，通過(guò)隧洞結(jié)構(gòu)方案比選選擇了經(jīng)濟(jì)、安全及適應(yīng)性強(qiáng)的單洞縮徑大坡比方案。在滿足水力學(xué)條件下，方案顯著減小了隧洞開挖斷面及開挖施工風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)對(duì)6 m短襯砌聯(lián)合5 cm寬變形縫進(jìn)行了運(yùn)行期蠕滑變形以及遭遇地震黏滑變形適應(yīng)性分析，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)可以較好地適應(yīng)圍巖變形壓力，變形縫達(dá)到適應(yīng)蠕滑變形的目的，預(yù)測(cè)工程正常運(yùn)行40 a后需進(jìn)行錯(cuò)位修坡檢修，遭遇強(qiáng)震時(shí)需及時(shí)進(jìn)行檢修。計(jì)算結(jié)果為實(shí)際工程設(shè)計(jì)、施工控制及運(yùn)行維護(hù)提供力學(xué)依據(jù)，也為類似工程應(yīng)對(duì)措施提供設(shè)計(jì)思路和案例參考。