滇中引水工程凤凰山隧洞过活动断裂带结构适应性研究

司建强，王 涛，向天兵，蒋 敏

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051；2.云南省滇中引水工程建设管理局 楚雄分局，云南 楚雄 675000)

1 研究背景

活动性区域断裂带一般具有规模大、变形量大、地震设防烈度高的特点，就要求穿越此区域的引水工程建筑物具有较大柔性和必要的刚性，采用合适的穿越方案对引水工程能否成功建设和安全平稳运行是至关重要的[1]。

滇中引水工程位于青藏高原东南缘的云南省滇中高原山区，沿线山高谷深，地质构造发育且复杂。滇中引水工程从石鼓提水，沿线经过大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪至红河蒙自结束，全长661 km。工程全线不良地质构造发育，与输水总干渠直接相交的主要断裂带共43条，属工程活动性断裂有16条，其中全新世活动断裂5条，晚更新世活动断裂共11条。输水总干渠楚雄段及昆明段沿线共发育4条晚更新世活动断裂，分别为凤凰山隧洞穿越元谋-绿汁江断裂、观音山倒虹吸穿越罗茨-易门断裂、龙泉隧洞穿越普渡河断裂和昆呈隧洞穿越一朵云-龙潭山断裂。

区域性活动断裂带作为地震动参数图编制、重大工程场地选址和生命线工程安全评价的重要影响因素[2]，是指目前正在活动，或者近期曾有过活动，并在未来一定时期内仍有可能活动，或具备发生中强地震能力的断层。

目前国内外已有多条隧洞穿越活动性断裂带的工程实例。例如美国加利福尼亚州克莱尔蒙特新建输水隧洞穿越 Hayward 活动断层采用扩大断面+钢衬铰链混凝土设计[3]，预计50 a内蠕滑变形0.3 m，至今工程正常运行。伊朗中部的Koohrang—Ⅲ输水隧洞穿越活动断层，该输水隧洞直径4 m，沿线至少穿越了4条断裂带[4]，结构设计采用钢衬混凝土，节段间采用柔性连接，预计100 a内蠕滑变形0.37 m，至今正常运行。国内昆明市掌鸠河供水工程输水隧洞穿越普渡河断裂[5]，结构形式采用洞内明铺钢管设计，目前已安全运行6 a。中国台湾石岗水库输水隧洞穿越车轮铺活动性断裂带[6]，1999 年发生7.3级地震，断层黏滑垂直错动4 m，水平错动3 m，造成隧洞衬砌局部剪断垮塌，大范围纵向裂缝。

本文针对我国西南高原山区大规模输水隧洞穿越区域性活动断裂带重大技术难题，根据国内外已建类似工程经验，分别对双洞方案、洞内明管方案和单洞缩径方案进行了适应性及经济比选，推荐采用单洞缩径工程方案。通过对推荐方案衬砌结构穿越活动断裂带蠕滑变形和黏滑变形适应性分析，提出了工程运行合理检修年限，为确保滇中引水工程施工及运行安全提供重要的理论指导和技术支撑。

2 工程概况

凤凰山隧洞位于滇中引水工程楚雄州禄丰市境内，隧洞全长24 991.012 m，总体方向东偏北20°～25°，设计流量为10 m3/s，底坡坡比为1/5 900，设计断面尺寸8.26 m×8.96 m，马蹄形断面，隧洞采用无压输水。

凤凰山隧洞通过地段属低中山地貌，隧洞前段山脊、冲沟呈东西向展布，中、后段主要山脊、冲沟近南北向展布，与线路大角度相交。隧洞沿线地形起伏较大，隧洞埋深一般在100～400 m，最大埋深约421 m，位于隧洞前段凤凰山山脊。隧洞穿越的地层为“滇中红层”，岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩及砂岩等。

隧洞沿线以发育断层构造为主，沿线共穿越21条Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级断层，其中Ⅰ级断层1条，为元谋—绿汁江断裂(F20)分为东、西两支，断层带宽100～150 m，Ⅱ级断层5条，Ⅲ级断层15条。穿越的断层带及影响带累计长度约2.332 km，约占该条隧洞总长的9.3%。断层带组成物质主要为糜棱岩、碎裂岩和少量断层泥、透镜体，局部见碳化现象，挤压紧密，胶结较差。

凤凰山隧洞共设置7条施工支洞，其中7#施工支洞布置在元谋—绿汁江断裂(F20)东、西两支之间，是凤凰山隧洞施工工期控制的关键线路。

3 断层工程特性

根据云南省地震工程勘察院《滇中引水工程水源及总干渠线路地震动参数区划报告》及中国地震局地质研究所《滇中引水工程水源及总干渠线路区活动断层鉴定》成果，楚雄段凤凰山隧洞在7#施工支洞上、下游两侧近垂直穿越元谋—绿汁江断裂东、西支，凤凰山隧洞过元谋—绿汁江断裂带布置见图1。

(a) 平面图

(b) 剖面图图1 凤凰山隧洞穿越元谋—绿汁江断裂带平面图和剖面图Fig.1 Plan view and cross section of Fenghuangshan tunnel crossing Yuanmou-Lüzhijiang fault zone

元谋—绿汁江断裂带出露宽度约200 m，活动时代为晚更新世，拉张—左旋运动性质，活动类型以黏滑为主，水平滑动速率为1.6～3.3 mm/a，平均2.5 mm/a，垂直滑动速率为0.25 mm/a；北段昔格达断裂历史上发生过1955年鱼鲊6.75级地震，未来百年可能发生的地震震级为6.5级，加权综合法计算得到的交叉段未来百年最大水平位错量为1.3 m(范围值为0.85～1.3 m)，垂直位移为0.23 m(范围值为0.15～0.23 m)。

4 隧洞穿越活动断裂带布置

4.1 方案拟定

楚雄段元谋—绿汁江断裂属于晚更世新活动断裂带，属于黏滑为主断裂带，对凤凰山隧洞跨越晚更世新活动断裂带结构的设计方案主要是减小隧洞开挖施工风险，以及适应运行期的黏滑变形。经分析，初步确定双洞缩径方案、洞内明管方案和单洞缩径大坡比方案。

4.1.1 双洞缩径方案

按照水力等效原则，拟定凤凰山隧洞双洞方案断面尺寸为6.2 m×7.1 m(宽×高，马蹄形)。隧洞纵坡坡比为1/5 000，衬砌厚0.7 m。根据双洞开挖施工洞间岩体力学相应分析，双洞室在不考虑错动条件下的双洞互不影响最小间距为20～25 m，错动条件下双洞互不影响最小间距为40～45 m，为满足隧洞抗震要求，双洞间距确定为45 m，方案布置示意见图2。

图2 双洞方案布置示意图Fig.2 Layout of double tunnels

4.1.2 洞内明管方案

根据水力学分析，本方案采用3根直径4.5 m的洞内明铺钢管，断裂带东西两支范围均设置6个万向波纹管伸缩节以适应围岩的蠕滑及黏滑变形，隧洞采用马蹄形断面，隧洞内尺寸为6 m×6 m，隧洞衬砌厚度0.5 m。本方案运行断裂带错位变形造成隧洞衬砌破坏，但洞内输水钢管依靠万向波纹管伸缩节适应错位变形。类似方案在昆明市掌鸠河引水工程已成功应用，掌鸠河引水工程隧洞与普渡河断裂带交叉，设计中采用了洞内明管方案，目前已安全运行6 a，方案布置见图3。

图3 洞明管方案典型断面Fig.3 Typical tunnel section with internal exposed pipe

4.1.3 单洞缩径大坡比方案

凤凰山隧洞过过元谋—绿汁江断裂东支及其影响带(桩号FHST21+910—FHST22+570 m，长660 m；桩号FHST23+221—FHST24+062 m，长841 m)，断面尺寸为6.7 m×7.3 m(宽×高，马蹄形)，衬砌分缝长度为6 m，之间设5 cm宽缝适应断裂带位移变形，底坡坡比为1∶1 500；为保证隧洞总水力坡降不变，其他洞段底坡坡比由原来的1∶5 000调整为1∶5 900，方案布置见图4。

图4 单洞缩径方案平面布置Fig.4Plan layout of single tunnel with shrinking diameter

4.2 响应方案选择

经过对比分析，凤凰山隧洞穿越元谋—绿汁江活动断裂带3种方案均有效缩小了隧洞规模，很大程度上减小了隧洞开挖施工风险及衬砌结构受力，提高隧洞施工及非位移变形情况下的安全性。从结构适应断裂带蠕滑及黏滑变形来说，由于隧洞断面尺寸基本相当，隧洞支护结构适应性无本质区别，但均需运行40 a后进行结构修补。另外使用洞内明管方案隧洞衬砌结构仅作为明管布置通道，钢管通过伸缩节吸收活动变形，结构适应性最好，但投资较高；双洞缩径方案隧洞规模略小于单洞大坡比方案，结构稳定性略好，但较单洞方案，穿越活动断裂带次数及长度增加一倍，运行期发生事故概率明显增加，同时投资居中。单洞大坡比方案通过缩小洞径，有效改善隧洞受力状态，短衬砌加宽缝可以很好地适应断层位移变形，同时工程投资最少，约为洞内明管方案的2/5和双洞方案的3/4。综合来看，最终选择满足施工及运行安全要求、工程投资省的单洞缩径大坡比方案。

5 缩径短衬宽缝结构适应性研究

5.1 计算模型

本研究分别对短衬砌为6、8、10 m这3种分节长度方案，以及剪切缝为5、10、20 cm这3种缝宽方案进行初步组合分析。经分析衬砌长度越小，活动性断层蠕滑变形引起的混凝土应力计应变越小。结合美国加利福尼亚州输水隧洞穿越 Hayward 活动断工程案例及滇中引水工程施工混凝土模板台车长度，本文选择短衬砌分节长度为6 m，变形剪切缝宽度为5 cm的结构方案进行研究[7]，进行活动断裂带蠕滑变形适应性分析以及强震黏滑条件下结构适应性分析，分析采用大型三维仿真分析软件进行计算，计算模型包括断裂带地质模型及衬砌结构模型，模型尺度为5 000 m×2 500 m×500 m(长×宽×高)。模型中对隧洞区域对其稳定性影响显著的元谋—绿汁江断层填充采用实体单元模拟[8-11]。计算模型及材料参数见图5和表1。

图5 仿真分析模型网格划分Fig.5 Grid division of simulation analysis model

表1 材料参数Table 1 Material parameters

凤凰山隧洞设计基本地震峰值加速度为0.10g，根据《水工建筑物抗震设计规范》(GB 51247—2018)岩基面50 m以下隧洞可选取设计基本地震峰值加速度的1/2，因此选用0.05g作为基本地震动峰值加速度。元谋—绿汁江断裂在20世纪曾有过5次中强震记录，最大地震为1955年鱼鲊6.75级，具有明显近场地震波频谱特性的Kobe波特征，其记录时长41 s，时间间隔0.01 s，峰值加速度出现在6.93 s，Kobe地震波加速度的时程曲线如图6所示。

图6 Kobe地震波时程曲线Fig.6 Time history curve of Kobe seismic wave

5.2 隧洞过活动断裂带蠕滑变形适应性分析

隧洞衬砌运行期塑性区发展及与位移云图如图7所示。 由图7可知， 永久衬砌在错动开始10 a内无任何塑性区， 不会发生破坏， 错动20 a后， 永久衬砌外侧接缝处开始出现少量塑性区， 错动30 a永久衬砌外侧接缝处塑性区有所扩大(左侧图非蓝色部分)， 但内侧基本没有出现塑性区。 错动40 a， 衬砌拱脚开始出现少量塑性区。 错动50 a， 永久衬砌拱脚塑性区有所扩大， 拱顶开始出现少量塑性区， 外侧塑性区仍沿分缝处发展。 错动70 a， 衬砌外侧拱顶塑性区出现贯通， 内侧拱脚塑性区扩大， 拱顶出现大面积塑性区， 衬砌错动位移达到10 mm， 如无维修措施， 拱顶将出现衬砌破坏现象。 错动100 a， 衬砌外侧塑性区大面积贯通， 衬砌错动位移达到15 mm， 内侧拱顶、 侧墙、 拱脚联通， 永久衬砌发生损坏。

图7 隧洞衬砌运行期塑性区发展及与位移云图Fig.7 Plastic zone development and displacement contours of tunnel lining during operation

根据衬砌两相邻变形缝间各个部位错动位移变化趋势(图8)可以看出，在水平向上变形缝间的错动位移均随错动年数的增加而增大，其中衬砌左侧变形缝错动位移变化较大，达到6.43 mm，底部错动位移则变化较小。在竖向上衬砌左侧错动位移变化较大，为1.15 mm，而右侧错动位移变化较小。

图8 永久衬砌缝面错动趋势Fig.8 Dislocation trends of permanent lining joint surface

5.3 强震黏滑条件下隧洞结构损失分析

由图9计算结果可知，在黏滑错动下，整个隧洞数值网格模型均发生了塑性破坏，永久衬砌拱顶、边墙、拱脚均出现塑性区。永久衬砌在错动条件下主要承受压应力，内部最大压应力可达30 MPa，超过了C30混凝土的强度标准值20.1 MPa[12-13](图10)，因此，在黏滑错动条件下，永久衬砌将发生破坏。

图9 地震黏滑错动网格模型及永久衬砌大面积塑性区 示意图Fig.9 Large area plastic zone of seismic stick-slip dislocation grid model and permanent lining

图10 地震黏滑错动永久衬砌最小主应力和 最大主应力云图Fig.10 Contours of minimum principal stress and maximum principal stress of permanent lining due to seismic stick-slip dislocation

在地震黏滑错动作用下，永久衬砌相邻变形缝间错动位移在水平方向上随黏滑错动的增大而增大(图11)，其中衬砌左拱肩和左拱腰错动位移变化较为明显，最大错动位移达到130 mm。在竖直方向上，变形缝错动位移趋势线均向下变化，其中拱顶和左、右拱肩的错动位移变化较大，达到48 mm。总体来说黏滑错动作用对衬砌上半部分影响较大。

图11 变形缝错动位移变化趋势Fig.11 Variations of dislocation displacement ofdeformation joint

6 结 语

受大陆板块运动及地质构造影响，滇中引水工程输水线路沿线穿越16条区域性活动断裂带，造成交叉段隧洞施工安全及正常运行均面临巨大的挑战。本文结合输水总干渠楚雄段凤凰山隧洞穿越元谋—绿汁江断裂工程实例，通过隧洞结构方案比选选择了经济、安全及适应性强的单洞缩径大坡比方案。在满足水力学条件下，方案显著减小了隧洞开挖断面及开挖施工风险。

通过对6 m短衬砌联合5 cm宽变形缝进行了运行期蠕滑变形以及遭遇地震黏滑变形适应性分析，隧洞衬砌结构可以较好地适应围岩变形压力，变形缝达到适应蠕滑变形的目的，预测工程正常运行40 a后需进行错位修坡检修，遭遇强震时需及时进行检修。计算结果为实际工程设计、施工控制及运行维护提供力学依据，也为类似工程应对措施提供设计思路和案例参考。