崔 臻, 張延杰, 周光新, 謝 靜, 王義深, 楊景浩

(1.云南省滇中引水工程有限公司, 昆明 650000; 2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室, 武漢 430071； 3.中國科學院大學，北京 100049)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟水平逐步提升，我國經(jīng)濟布局與水資源分布之間的區(qū)域矛盾得到了有效緩解。輸水隧洞作為長距離跨流域調(diào)水工程的關鍵控制性工程發(fā)揮著巨大作用。然而我國西南高烈度地區(qū)地質(zhì)構造復雜，活動斷裂分布密集，導致為了根本性解決滇中地區(qū)水資源短缺問題而建設的滇中引水工程不可避免地需要穿越多條活動斷裂帶建設。這些活動斷裂帶對隧洞工程的安全運營存在嚴重威脅，因此開展過活動斷裂帶隧洞抗錯斷設計研究顯得十分迫切而有必要。最著名的活斷層蠕滑作用下隧洞的病害——80余年服役期中Hayward fault導致Claremont Water Tunnel錯斷了13英寸(1英寸≈2.54 cm)，導致隧洞于2006年對過活斷裂段過活斷裂段的進行旁通重建?？傞L500 m的過活斷裂段旁通重建，耗時3 a，耗資3 400萬美元。

活動斷裂帶是潛在的地震發(fā)源帶，由于受大地構造力的影響而易產(chǎn)生位錯，從而誘發(fā)地震[1]。同時黏滑型活斷層的運動具有突發(fā)性，能量在極短的時間內(nèi)突然釋放，也就是發(fā)生瞬時錯斷，會對工程結構造成嚴重的災害。Cai等[2]認為潛在的基巖斷層運動對位于地震活躍區(qū)的已建隧洞有很大的威脅，通過離心模型試驗，研究了正斷層錯動作用下既有隧洞的變形機理，探討了不同隧洞邊界條件和隧洞長度對正斷層錯動作用下襯砌結構響應的影響。Burridge等[3]通過對有限長的隧洞模型開展一系列離心機振動臺試驗，定量地分析了隧洞在穿越斷層時由于斷層位移引起的隧洞彎曲及應力響應。劉學增等[4-6]通過相似比為1∶50的室內(nèi)砂箱試驗，分別模擬45°、60°、75°傾角正斷層黏滑錯動下，與之正交的隧洞的受力變形響應特征。Chermahini等[7]針對伊朗跨越Sulaghan斷層的Sabzkouh隧洞，采用數(shù)值方法研究了逆斷層錯動作用條件下隧洞位置、襯砌厚度、斷層與隧洞的交角、隧洞周圍土體的力學性質(zhì)以及斷層傾角對隧洞穩(wěn)定性的影響。焦鵬飛等[8]結合某實際隧洞工程項目，采用有限差分軟件建立相應的數(shù)值模型，探索了地震誘發(fā)的逆斷層錯動作用對正交跨越活斷層隧洞的影響，并揭示了其影響機制。Jeon等[9]通過數(shù)值分析手段探討了隧洞襯砌與斷層圍巖薄弱接觸面對襯砌結構穩(wěn)定性的影響。由上述分析可知，目前對于過活動斷裂帶隧洞的破壞機制及演化規(guī)律研究已有相對豐富的成果。

然而,針對跨活斷裂帶隧洞適應性抗錯斷設計的研究則相對較少，且主要以工程經(jīng)驗及概念設計為主，如：鉸接設計[10]、超挖設計[11-12]、隔離效能設計[13]等。其中應用較多的“鉸接設計”是旨在將結構設計成具有鏈條鉸鏈一樣的特性，在斷層錯動作用下，迫使結構做鉸接式運動，利用滑動鉸接段可以沿洞軸向滑動、扭轉(zhuǎn)的特點，使得變形被吸收、消納，使損傷集中于連接部位，從而不會導致結構的整體性破壞[14-15]。美國舊金山克萊蒙特隧洞跨越Hayward斷層面臨錯斷威脅[16]，襯砌采用鉸接設計，每1.5 m長的襯砌節(jié)段留置寬度0.3 m的剪切縫，以使襯砌在斷層錯動作用下，消納斷層剪切帶來的變形，從而避免隧洞發(fā)生整體的損傷。伊朗中部的Koohrang-III輸水隧洞沿線至少穿越了4條斷裂帶，其中最大的斷層為Zarab斷層，采用在內(nèi)層布置鋼襯在襯砌節(jié)段間設置塑性混凝土連接段的措施，從而降低連接材料的強度與剛度，消納斷層錯動帶來的變形，保護襯砌結構[17]。從原理的角度考慮，鉸接設計能夠根據(jù)斷層潛在錯動量選擇合適的設計參數(shù)，做到針對性主動設防；從施工的角度考慮，隧洞工程建設中僅增加了鉸接段的施工步驟，便于實施；此外，從作用效果的角度考慮，在較大斷層錯動量的情況下，由于鉸接段柔性連接材料的強度和剛度較低，隧洞的損傷可以被限定在局部區(qū)域，從而避免隧洞整體性的破壞，降低了維護及修復的成本[18]。

目前，由于對過活動斷裂帶隧洞抗錯斷措施的設計研究尚且缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和標準，因此在進行抗錯斷設計時進行相關的校核工作是必不可少的。本文針對滇中引水工程香爐山隧洞過活動斷裂帶，開展隧道適應性結構在斷層錯動條件下的影響校核。以龍蟠—喬后斷層F10-1為典型代表，從隧洞關鍵部位的位移與相對變形、最大主應力、縱向等效內(nèi)力等各個方面評估龍蟠—喬后活動斷層F10-1對香爐山隧洞抗斷適應性結構的影響。研究成果可以直接應用于穿越活斷層輸水隧洞的工程設計與施工，也為相關工程隧洞建設提供有利支撐。

2 依托工程簡介

滇中引水工程是我國新近為優(yōu)化云南水資源配置、解決滇中地區(qū)水資源短缺而規(guī)劃建設的重大戰(zhàn)略性基礎工程。實施滇中引水工程可有效緩解滇中地區(qū)較長時期內(nèi)的缺水矛盾，改善受水區(qū)河道及高原湖泊生態(tài)及水環(huán)境狀況，對促進云南省經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。預計2040水平年滇中引水工程多年平均引水量34.03億m3(渠首水量)，其中供給城鎮(zhèn)生活、工業(yè)22.31億m3，供給農(nóng)業(yè)灌溉5.00億m3，向湖泊環(huán)境補水6.72億m3。

香爐山輸水隧洞是這一特大型跨流域引(調(diào))水工程其關鍵控制性工程，也是我國長距離輸水隧洞中的代表性工程。香爐山隧洞全長63.426 km，隧洞最大埋深1 450 m。其中埋深<1 000 m洞段累計長21.427 km，占隧洞總長34.23%，埋深<600 m洞段長累計42.175 km，占隧洞總長67.38%。香爐山隧洞工程區(qū)域地質(zhì)條件復雜，沿線發(fā)育多條全新世區(qū)域活動斷層，如圖1所示：龍蟠—喬后斷層(F10)、麗江—劍川斷層(F11)及鶴慶—洱源斷層(F12)，全新世活動斷層100 a設防水平位移為1.50～2.20 m，垂直位移為0.26～0.34 m，隧洞施工與運營的安全面臨活動斷層的嚴重威脅。因此，開展穿越活斷層輸水隧洞錯斷破壞機理及抗錯斷措施研究具有重要的科學價值和工程意義。

圖1 香爐山隧洞工程區(qū)位示意圖Fig.1 Location of Xianglushan tunnel project

3 模型概化和參數(shù)選取

以龍蟠—喬后斷層F10-1為典型代表分析隧洞的抗錯斷設計，如圖2所示。在FLAC3D軟件中分別建立了分別包含隧洞穿越龍蟠—喬后斷層F10-1的局部三維分析模型，如圖3所示。對于單條主斷帶模型，以隧洞軸線方向(340°)為y軸，豎直向為z軸建立了數(shù)值模型，數(shù)值模型在x方向以隧洞中心點為中心正負各擴展100 m，y軸(隧洞軸線方向)范圍以主斷帶為中心正負各擴展300 m，z方向以隧洞中心點為中心正負各擴展100 m。對于隧洞穿越F10-1段按400 m考慮隧洞埋深，數(shù)值模型中頂部按照上部巖體的重量施加相應的豎直應力。隧洞過流凈斷面半徑為4.6 m，將隧洞的初支噴混凝土、二襯合并考慮為厚1.05 m的混凝土襯砌。本文中主要針對蠕滑錯斷，均按照靜力問題考慮，因此活動位移的加載也視為模型運動盤邊界上的靜態(tài)加載。

圖2 龍蟠—喬后斷層展布及引水線路軸線剖面圖Fig.2 Layout of Longpan-Qiaohou fault and axis of water diversion line

圖3 龍蟠-喬后斷層F10-1部位三維分析模型Fig.3 Three-dimensional analysis model of Longpan-Qiaohou fault F10-1

根據(jù)前人研究中已有關于工程區(qū)域地應力場反演研究成果[19]，針對龍蟠-喬后斷層區(qū)域的結構適應性研究中，將采用表1中已反演地應力場。而地應力場方向與隧洞的關系如表2和圖4所示，可見，地應力最大主應力與隧洞縱軸線大角度相交，對隧洞穩(wěn)定性影響較大。

表1 斷層區(qū)域的地應力場Table 1 In-situ stress fields of the fault region

表2 區(qū)域地應力場與隧洞軸線相互關系Table 2 Relation between in-situ stress field and the tunnel axis

圖4 區(qū)域地應力場方向與隧洞軸線相互關系Fig.4 Relation between in-situ stress field direction and the tunnel axis

對于龍蟠—喬后斷層F10-1區(qū)域分析中采用的巖體力學參數(shù)如表3所示。

表3 龍蟠-喬后斷層區(qū)域的巖體力學參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock masses in the Longpan-Qiaohou fault region

4 抗錯斷措施的考慮

對于襯砌鉸接設計，其主要設計參數(shù)為：襯砌節(jié)段長度、連接段長度、設防長度、連接段充填材料。其中最主要的設計參數(shù)為襯砌節(jié)段長度、連接段長度。對于這兩種設計參數(shù)，目前尚無成熟通用的設計方法，但在針對已建穿越活動斷層隧洞的研究工作中，已有學者提出相應的估算方法，本節(jié)將采用這兩種估算方法，估算香爐山隧洞適用的襯砌節(jié)段長度、連接段長度等鉸接設計參數(shù)。

4.1 Shahidi和Vafaeian的估算方法

Shahidi和Vafaeian[17]在2005年針對Koohrang-III隧洞的抗錯斷研究中，提出了一種鉸接設計的估算方法。其基本思路為:斷層錯動后隧道襯砌結構在豎向平面內(nèi)發(fā)生“S”形彎曲，軸線變形如圖5所示。

圖5 鉸接式襯砌軸線變形示意圖[17]Fig.5 Schematic diagram of the deformation of articulated lining[17]

設斷層錯動的垂向位移為Δu，節(jié)段長度為Lp，柔性連接寬度為Lj，斷層錯動時襯砌在圍巖作用下發(fā)生彎曲的極限彎曲曲率為φu。則斷層錯動量與襯砌節(jié)段長度以及柔性連接寬度的關系可以表示為

(1)

這一估算式并沒有考慮需要在寬大的斷層帶中設置多個鉸接段的情況，本研究將對其進行修正，當需要考慮設置多個鉸接段時，尚需滿足

(2)

此處，Δu為每一個鉸接段可消納的位錯；ΔuF為)斷層帶總位錯；LF為斷層帶寬度。

對于φu參數(shù)，Shahidi和Vafaeian并未給出估算方法，但Jalali[15]給出了的簡化估算方法如圖6。

圖6 Jalali提供的鉸接段極限彎曲曲率計算方法Fig.6 Calculation of the ultimate bending curvature of the articulated segment by Jalali

根據(jù)式(1)、式(2)，由于隧洞斷層帶寬200 m，設防位錯量40 cm，隧洞直徑10 m，當設防節(jié)段長度為6 m時，所需要的最小鉸接段寬度約為10 cm，其中D即為式(2)中的Lj。

4.2 Jalali的估算方法

Jalali[15]在2018年針對Karaj隧洞的研究中，提出了另一種考慮位移模式鉸接設計的估算方法。其基本思路如下。

將穿越斷層帶的隧洞結構考慮為發(fā)生支座不均勻沉降的兩端固支梁，如圖7所示，梁剛度無限大或具有較大的有限剛度，無彎曲能力或彎曲能力有限，全部或大部分轉(zhuǎn)角發(fā)生在梁上的一定間距布置的“鉸”處。

圖7 Jalali的計算模型[15]Fig.7 Calculation model by Jalali[15]

兩端固支梁，一端有一個垂直位移時梁的撓曲線方程為

(3)

式中：ω為撓度;a為垂直位移；l為梁的長度；x為坐標系下梁上一點的位置。

強制梁的撓曲線接近于支座不均勻沉降的兩端固支梁的理想撓曲線，此時梁上的“鉸”的轉(zhuǎn)角，即為鉸接設計的節(jié)段處，相對于當前鉸間距所需要滿足的轉(zhuǎn)角。繼而根據(jù)圖6即可估算出鉸接處錯斷縫的寬度。

根據(jù)以上方法，由于隧洞斷層帶寬200 m，設防位錯量40 cm，隧洞直徑10 m，當設防節(jié)段長度為6 m時，所需要的最小鉸接段寬度約為4.2 cm；當考慮設防節(jié)段長度為10 m時，所需要的最小鉸接段寬度約為7.7 cm。

根據(jù)2種估算公式，考慮隧洞斷層帶寬200 m，設防位錯量40 cm，隧洞直徑10 m，設防節(jié)段長度為6 m時，所需要的最小鉸接段寬度為4.2～10 cm。

5 過活動斷裂隧洞抗錯斷設計校核

分析中考慮的抗錯斷措施為：節(jié)段長6 m；鉸接縫寬5 cm，設防長度為1.5倍斷層寬度，即對于200 m寬的斷層帶向上下盤各延伸50 m，鉸接縫充填彈性模量為500 MPa的塑性混凝土材料。計算中，采用了本研究提出的“S”形位移模式施加活動斷層位移[20]，其中，考慮最大設防量值為水平向60 cm，豎直向12 cm。

5.1 隧洞總體變形破壞趨勢

圖8給出了在60 cm設防錯動量下隧洞變形形態(tài)，放大50倍后可以較為顯著地看出隧洞的鉸接設計起到了顯著的作用——所有的鉸接縫都處于旋轉(zhuǎn)、拉伸的狀態(tài)，表明鉸接縫起到了相應的作用。

圖8 60 cm設防錯動量下隧洞變形形態(tài)Fig.8 Deformation morphology of the tunnel under60 cm fault displacements

圖9為隧洞縱向的應力云圖、最大主應力云圖、最小主應力云圖?？梢娛茏呋瑸橹鞯臄鄬舆\動影響，隧洞的一側(cè)邊墻表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，拉應力量值較小，約5 MPa。

圖9 60 cm設防錯動量下隧洞應力狀態(tài)Fig.9 Stress state of the tunnel under 60 cm fault displacements

圖10為鉸接縫的法向與切向相對變形，結果表明鉸接縫的法向變形最大約為3.5 cm，位于斷層帶中央節(jié)段之間；切向變形最大約為1.5 cm，也發(fā)生在位于斷層帶中央節(jié)段之間。鉸接縫的相對變形小于預留的5 cm寬度。

圖10 60 cm設防錯動量下隧洞鉸接縫相對變形Fig.10 Relative deformation of flexible joints of the tunnel under 60 cm fault displacements

5.2 不同錯斷量下隧洞位移

圖11為不同錯斷量下隧洞左右邊墻、拱頂-底板相對變形。相對變形結果顯示，相對變形基本隨錯動量增加而隨之增加，相對變形以左右邊墻相對收斂為主，拱頂向底板沉降為輔。在百年設防蠕滑錯動量下，隧洞最大相對變形約3.5 cm，發(fā)生在錯動帶中央的節(jié)段部位。

圖11 不同錯斷量下隧洞相對變形曲線Fig.11 Curves of relative deformation of the tunnel under different fault displacements

5.3 不同錯斷量下隧洞縱向應力

圖12給出了隧洞不同的部位在不同錯斷量下的縱向應力。結果表明頂拱與底板部位縱向應力量值較大，最大縱向等效應力約為5 MPa。同時可以注意應力在錯動量達到30 cm后，隨錯動量增加而增加的趨勢不明顯，顯示出此時主要變形發(fā)生在鉸接縫，而非襯砌節(jié)段，表明鉸接縫處于工作狀態(tài)，有效改善了襯砌在錯動條件下的受力狀態(tài)。

圖12 鉸接隧洞襯砌應力沿軸向變化曲線Fig.12 Stress curves of linings with flexible joints along axial direction

5.4 不同錯斷量下隧洞縱向內(nèi)力

圖13給出了將隧洞襯砌視作一根彈性梁時，沿隧洞軸向的內(nèi)力量值分布情況，包括軸力、水平面內(nèi)彎矩、水平面內(nèi)剪力。

圖13 鉸接隧洞襯砌縱沿軸向變化曲線Fig.13 Internal force curves of linings with flexible joints along axial direction

襯砌結構內(nèi)力整體較小。同時仍然可注意應力在錯動量達到30 cm后，隨錯動量增加而增加的取值不明顯，顯示出此時主要變形發(fā)生在鉸接縫，而不是襯砌節(jié)段，表明鉸接縫處于工作狀態(tài)，有效改善了襯砌在錯動條件下的受力狀態(tài)。

6 結 論

本文開展了滇中引水工程香爐山隧洞抗錯斷設計校核，以龍蟠—喬后斷層F10-1為典型代表，評估龍蟠—喬后斷層F10-1活動斷層對香爐山隧洞抗斷適應性結構的影響，并基于數(shù)值計算驗證其在減小襯砌內(nèi)力與變形方面的作用。研究成果可以直接應用于穿越活斷層輸水隧洞的工程設計與施工，為相關工程隧洞建設提供有利支撐。主要研究結論如下：

(1)以F10-1龍蟠—喬后斷層為典型代表，開展圍巖與結構穩(wěn)定性研究與抗斷適應性研究。分析中考慮的抗錯斷措施為：節(jié)段長6 m，鉸接縫寬5 cm，設防長度為1.5D，即對于200 m寬的斷層帶向上下盤各延伸50 cm，鉸接縫充填彈性模量為500 MPa的塑性混凝土材料。

(2)結果表明受走滑為主的斷層運動影響，隧洞的一側(cè)邊墻表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，拉應力較小，約5 MPa。鉸接縫的法向變形最大約為3.5 cm，位于斷層帶中央節(jié)段之間；切向變形最大約為1.5 cm，也發(fā)生在斷層帶中央節(jié)段之間。鉸接縫的相對變形小于預留的5 cm寬度。鉸接設計這一適應性結構的存在的有效改善了襯砌在錯動條件下的受力狀態(tài)。