強(qiáng)震區(qū)跨導(dǎo)熱斷層隧道不同斷層溫度對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

崔光耀 石文昊 王明勝

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司， 成都 610000)

隨著我國西部山區(qū)鐵路的發(fā)展，鐵路隧道不可避免地穿越山區(qū)強(qiáng)震地區(qū)、斷層帶，而此類地區(qū)中可能存在高地溫等惡劣地質(zhì)條件。因此，許多專家、學(xué)者開展了大量研究[1-2]。高地溫的地質(zhì)成因較為復(fù)雜，袁偉[3]等認(rèn)為大氣降水、冰雪融水、河水與地殼深部的高溫高壓熱流進(jìn)行的熱交換、離子交換等物理化學(xué)作用，是海螺溝地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)生的原因；王生仁[4]等發(fā)現(xiàn)拉月隧道的高地溫是由雅魯藏布江縫合帶陸-陸碰撞伴隨的斷裂摩擦生熱等所致。為了研究高地溫對(duì)于隧道安全性的影響，王志杰[5]等利用數(shù)值分析的方法研究了尼格隧道施工期水化熱和高地溫共同作用的傳熱規(guī)律，并計(jì)算了隧道隔熱層的最優(yōu)厚度；羅占夫[6]等研究了高黎貢山越嶺段鐵路隧道洞內(nèi)氣溫滿足規(guī)范時(shí)隧道圍巖的溫度分布規(guī)律；崔光耀[7-8]等分別對(duì)拉日鐵路吉沃希噶隧道使用不同減震措施和不同隔熱材料后的安全性提升效果進(jìn)行了分析對(duì)比，并提出了適合該隧道的最優(yōu)減震措施及最優(yōu)隔熱材料；唐興華[9]等研究了吉沃希噶隧道初期支護(hù)受溫度及應(yīng)力影響下的施工期特征及演變規(guī)律，并對(duì)其安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；王明年[10]等利用數(shù)值模擬方法探究了大瑞鐵路高黎貢山隧道初期支護(hù)和二次襯砌在不同巖溫下的安全性，同時(shí)提出了高巖溫隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的分級(jí)方式。

以上研究主要集中在對(duì)非強(qiáng)震區(qū)高地溫隧道的安全性分析以及恒定溫度下強(qiáng)震對(duì)隧道的影響等方面，而針對(duì)不同導(dǎo)熱斷層溫度對(duì)強(qiáng)震影響下隧道安全性的影響較少。因此，為提升此類隧道的安全性，保證鐵路隧道能夠安全建設(shè)運(yùn)營，本文以桑珠嶺隧道為研究背景，針對(duì)不同斷層溫度跨導(dǎo)熱斷層隧道的強(qiáng)震破壞規(guī)律進(jìn)行了研究。研究成果可為不同斷層溫度跨導(dǎo)熱斷層隧道的理論研究和實(shí)際建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

桑珠嶺隧道位于西藏自治區(qū)山南市境內(nèi)的雅魯藏布江桑日峽谷，是連接拉薩市與林芝市的鐵路重難點(diǎn)工程之一。該隧道于2014年12月開工建設(shè)，隧道全長(zhǎng)16.449 km，地勢(shì)海拔在 3 300～5 100 m之間，最大埋深 1 347 m。桑珠嶺隧道存在巖爆、高地溫、溫泉水等不良地質(zhì)，其中對(duì)施工作業(yè)環(huán)境影響最大的因素為高地溫，開挖時(shí)隧道內(nèi)環(huán)境溫度最高可達(dá)56 ℃。隧道圍巖主要為堅(jiān)硬易碎的巖石，圍巖分級(jí)為Ⅳ級(jí)，破碎帶圍巖分級(jí)為Ⅴ級(jí)，基巖圍巖分級(jí)為Ⅱ級(jí)。

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

隧道初期支護(hù)厚度0.25 m，采用C25噴射混凝土；二次襯砌厚0.45 m，采用C25模筑混凝土。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以桑珠嶺隧道斷層段為研究背景，利用有限差分軟件Flac3D建立計(jì)算模型。隧道埋深設(shè)為55 m，縱向長(zhǎng)度設(shè)為200 m，隧道左右兩側(cè)均取4倍隧道洞室寬度(約40 m)。模型底部至隧道下方距離設(shè)為55 m，底部基巖厚度設(shè)為20 m。破碎帶斷層傾角設(shè)為85°，其寬度設(shè)為10 m，位于模型中央位置。靜力計(jì)算時(shí)，模型底部全約束，四周法向約束，頂部無約束；動(dòng)力計(jì)算時(shí)，模型底部為靜態(tài)邊界，四周為自由場(chǎng)邊界。模型頂部初始溫度為54 ℃，而斷層破碎帶作為導(dǎo)熱通道，是高地溫向周邊環(huán)境傳導(dǎo)的主要途徑，因此以其溫度作為變量進(jìn)行研究。

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)桑珠嶺隧道實(shí)際地勘資料，計(jì)算分析中選用的具體參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

為研究不同導(dǎo)熱斷層溫度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響，擬定的計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況表

2.4 動(dòng)力參數(shù)

動(dòng)力計(jì)算中采用局部阻尼，阻尼系數(shù)為0.157。使用常規(guī)加載方式，利用基線過濾及校正軟件將以 11度地震烈度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；地震波采用汶川實(shí)測(cè)地震波(臥龍測(cè)站)，從模型底部向模型上部傳遞，持續(xù)時(shí)間為40 s。地震波的實(shí)際加速度時(shí)程曲線如圖1所示。

圖1 地震波加速度時(shí)程曲線圖

2.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)面布置

以模型斷層中心處為基準(zhǔn)，沿隧道縱向左右各取6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，如圖2所示。其中D1、D2斷面分別為靠近斷層中心處的下盤與上盤監(jiān)測(cè)斷面。各監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 監(jiān)測(cè)斷面布置圖(m)

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 最大主應(yīng)力分析

從計(jì)算結(jié)果中提取全時(shí)段中各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值，根據(jù)最不利原則取全時(shí)段中最大值進(jìn)行分析。各斷面的最大主應(yīng)力值變化規(guī)律如圖4所示，最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖4 最大主應(yīng)力最大值變化曲線圖

由圖4可知，最大主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在D2監(jiān)測(cè)斷面處。由表3可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時(shí)，隧道最大主應(yīng)力最大值為55.61 MPa。隨著斷層破碎帶溫度逐漸升高，隧道最大主應(yīng)力最大值也在逐漸增加。斷層破碎帶溫度增加至110 ℃時(shí)，最大主應(yīng)力最大值升至55.61 MPa。最大主應(yīng)力變化率在1.60%到9.39%之間，其中斷層破碎帶溫度由70 ℃升高至90 ℃時(shí)的增量變化較大，總體呈上升趨勢(shì)。

表3 最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.2 最小主應(yīng)力分析

從計(jì)算結(jié)果中提取全時(shí)段中各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的最小主應(yīng)力值，根據(jù)最不利原則取其中最大值進(jìn)行分析。各斷面的最小主應(yīng)力值變化規(guī)律如圖5所示，最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖5 最小主應(yīng)力最大值變化曲線圖

由圖5可知，最小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在D2監(jiān)測(cè)斷面處。由表4可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時(shí)，隧道最小主應(yīng)力最大值為-55.29 MPa；隨著斷層破碎帶溫度逐漸升高，隧道最小主應(yīng)力最大值逐漸增加；斷層破碎帶溫度增加至110 ℃時(shí)，隧道最小主應(yīng)力最大值升至-61.12 MPa。最小主應(yīng)力變化率在2.28%到10.54%之間，其中斷層破碎帶溫度由90 ℃升高至110 ℃時(shí)的增量變化較大，總體呈上升趨勢(shì)。

表4 最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.3 位移分析

從計(jì)算結(jié)果中提取全時(shí)段各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面拱頂處測(cè)點(diǎn)x、y、z3個(gè)方向的位移，根據(jù)最不利原則取其中位移最大值進(jìn)行分析。各斷面的位移變化規(guī)律如圖6所示，位移計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖6 隧道拱頂位移變化圖

由圖6可知，x與z方向的位移最大值出現(xiàn)在S14監(jiān)測(cè)斷面處，y方向的位移最大值出現(xiàn)在X10監(jiān)測(cè)斷面處。由表5可知，斷層破碎帶溫度為30 ℃時(shí)，拱頂處的位移為所有工況中最小，其x、y、z方向的拱頂位移分別為57.30 mm、38.58 mm和88.34 mm；當(dāng)斷層破碎帶溫度為110 ℃時(shí)，其x、y、z方向的拱頂位移分別為58.20 mm、38.80 mm和89.57 mm，為所有工況中最大。

表5 位移計(jì)算結(jié)果表

整體上來看，拱頂x與z方向上的位移增加較為明顯，工況2～工況5相比于工況1的位移分別增加了0.96%～1.57%和0.96%～1.39%；而拱頂y方向上的位移變化幅度相對(duì)較小，其工況2～工況5相比于工況1的位移增加了0.29%～0.57%。由此可知，隨著斷層破碎帶的溫度增加，隧道拱頂處的位移也隨之增加，但增加幅度較為平緩。

4 結(jié)論

本文以桑珠嶺隧道為研究背景，研究了強(qiáng)震區(qū)跨導(dǎo)熱斷層隧道不同斷層溫度結(jié)構(gòu)安全性的影響，得出主要結(jié)論如下：

(1)隨著斷層溫度的增加，其最大最小主應(yīng)力也同步增加，且最大值皆位于D2監(jiān)測(cè)斷面處。各工況的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力增加率分別為1.60%～9.39%與2.28%～10.54%。由此可知高地溫對(duì)于跨導(dǎo)熱斷層隧道的結(jié)構(gòu)安全性影響較小。

(2)不同斷層溫度下跨導(dǎo)熱斷層拱頂?shù)母鞣较蛭灰谱兓?guī)律大致相同，各方向位移最大值隨著地溫升高皆逐漸增加。其中x與z方向的位移最大值出現(xiàn)在S14斷面處，各監(jiān)測(cè)斷面間溫度差異較為明顯，而y方向的位移最大值出現(xiàn)在X10監(jiān)測(cè)斷面處，各監(jiān)測(cè)斷面間溫度差異較小。總體上看，高地溫對(duì)于跨導(dǎo)熱斷層隧道的位移影響也較小。

(3)雖然應(yīng)力及位移都隨著斷層溫度的增加而增加，但其增加幅度與溫度的增加幅度相比并不明顯。因此高地溫對(duì)于跨導(dǎo)熱斷層隧道的安全性和位移影響較小，而對(duì)其他指標(biāo)的影響還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。