汶茂斷層錯動對汶川1#隧道的影響研究

趙曉勇，楊長衛(wèi)

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

汶茂斷層錯動對汶川1#隧道的影響研究

趙曉勇，楊長衛(wèi)

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

利用FLAC3D建立汶川1#隧道數(shù)值分析模型，研究汶茂斷層錯動條件下隧道襯砌的變形規(guī)律和應力分布情況，進而確定了影響范圍。研究結(jié)果表明:在斷層錯動10和20 cm時，隧道襯砌的等效應力小于屈服應力，襯砌位于彈性變形階段，隧道是安全的;在斷層錯動30 cm時，隧道襯砌的等效應力大于屈服應力，隧道出現(xiàn)塑性區(qū)，此時斷層錯動的影響區(qū)域為距洞口90～205 m，影響長度為115 m，不動盤、錯動盤受斷層影響的長度分別為60和50 m，需要采取加固措施。

汶茂斷層 汶川1#隧道 影響范圍

1 工程概況

汶川1#隧道位于構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)。汶川縣城東南側(cè)山體最高點——望鄉(xiāng)臺高程約為3 201 m。岷江河谷最低點高程約1 310 m，與望鄉(xiāng)臺高差約為1 900 m，屬于深切峽谷地貌，崖懸壁陡，溝谷多呈 V形。河流侵蝕堆積地貌僅在岷江及雜谷腦河谷發(fā)育，地形較平坦。汶川1#隧道順岷江右岸傍山穿行，隧道洞身段穿過岷江右岸支溝。隧道進口位于岷江右岸基巖陡坡下方，斜坡坡度40°，基巖裸露，巖體受構(gòu)造影響嚴重，構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道出口位于G317線右側(cè)基巖陡崖下方，斜坡坡度約60°，出露地層為茂縣群二段的絹云石英千枚巖，巖體較完整。洞頂基巖陡崖上偶見零星危巖出露。隧址區(qū)屬于龍門山華夏系構(gòu)造帶，呈NE40°～50°方向展布，主要有3條北東向的壓扭性大斷裂(茂汶斷裂、映秀斷裂、灌縣—江油斷裂)，2個最大的復背斜(彭灌背斜、寶興復背斜)，一系列北東向的次級壓扭性斷裂，斜倒轉(zhuǎn)及正常褶曲以及與之伴隨的近南北、近東西向的2組扭斷裂，北西向的1組張扭性斷裂。本文選取茂汶斷裂帶作為錯動斷層，分析斷裂過程中隧道襯砌的變形規(guī)律和應力分布情況，以確定影響范圍，指導工程施工。

根據(jù)隧道建筑限界要求以及電纜溝、排水溝、隧道通風設施、機電設施等所需空間尺寸確定了分離式隧道主洞襯砌內(nèi)輪廓斷面形式。拱高715 cm;采用上半圓半徑為553 cm的三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu);隧道凈空面積(含仰拱)78.23 m2，周長(含仰拱)32.29 m。隧道內(nèi)輪廓適合于隧道超高不大于±4%的情況。

2 模型的建立

2.1 阻尼設置

采用大型巖土分析軟件FLAC3D建立隧道模型進行數(shù)值計算分析。阻尼設置是否合適直接關(guān)系到計算結(jié)果的正確性。FLAC3D動力計算主要提供Rayleigh阻尼和局部阻尼兩種阻尼形式，本文采用前者。

Rayleigh阻尼最初用于動力作用下的結(jié)構(gòu)物和彈性介質(zhì)的分析，應用起來簡單方便，在結(jié)構(gòu)動力分析中得到廣泛應用。Rayleigh阻尼假設結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣是質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的組合，表示為

式中:［C］，［M］，［K］分別為阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;α，β分別為質(zhì)量比例系數(shù)和剛度比例系數(shù)。

式(1)中，α，β是待定的兩個常數(shù)，可以用實際測量得到的結(jié)構(gòu)阻尼比來確定，或通過給定的兩個振型阻尼比的值來確定，為此要把Rayleigh阻尼公式化成由阻尼比表示的形式。

2.2 模型的建立

模型斷面及網(wǎng)格劃分見圖1。

在應用FLAC3D進行數(shù)值模擬時，采用結(jié)構(gòu)塊體單元模擬圍巖與斷層，由于隧道襯砌的厚度與其縱向長度相差較大，因此為了更準確地進行數(shù)值模擬，襯砌采用殼單元。同時，在圍巖與斷層、襯砌與圍巖的接觸部分均設置了接觸面單元，以更加真實地反映結(jié)構(gòu)間的相互作用。數(shù)值模型斷面尺寸大于隧道洞徑的7倍。為了控制變量，在研究時選取隧道的一個傾向為90°、厚度為5 m的斷層，斷層的左右盤各取150 m的縱向深度。在研究斷層蠕變時，通過加載沿斷層傾向90°方向的蠕變，來研究隧道漸進性破壞的機理。隧道數(shù)值模型寬×高×長為70 m×70 m×305 m。網(wǎng)格斷面尺寸為7 m×7 m，縱向尺寸為10 m。斷層寬度為5 m。

圖1 模型斷面及網(wǎng)格劃分

2.3 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

模型的材料特性參數(shù)采用汶川1#隧道的圍巖與斷層的實際材性數(shù)值及在結(jié)構(gòu)設計時襯砌的材料參數(shù)。圍巖與斷層的實際參數(shù)見表1，斷層段的襯砌設計參數(shù)見表2。圍巖、斷層、襯砌均采用摩爾—庫倫破壞準則;接觸面采用摩爾—庫倫破壞準則和脆性斷裂本構(gòu)模型，以模擬結(jié)構(gòu)間的相互作用。

表1 隧道圍巖與斷層的材料特性參數(shù)

表2 隧道襯砌的材料特性參數(shù)

2.4 斷層錯動速度及測點布置

設置斷層的錯動速度為每1個分析步錯動1 mm。加載時間共5 s，每1 s錯動10 cm。在斷層錯動過程中分析隧道—圍巖體系變形，計算不同時間步在隧道斷層附近的節(jié)點、單元的位移響應，并研究在斷層錯動10，20和30 cm時，襯砌沿隧道縱向的位移和應力分布規(guī)律。在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳以及拱底對稱設置監(jiān)測點。隧道監(jiān)測點縱向布置見圖2。

圖2 隧道監(jiān)測點縱向布置

3 計算結(jié)果分析

在分析襯砌應力時，強度分析采用第四強度理論。第四強度理論的等效應力不僅考慮了最大和最小主應力，而且還考慮了中間應力，因此用等效應力判斷隧道所處的應力狀態(tài)是可靠且準確的。斷層錯動量分別為10，20，30，40和50 cm時襯砌各點沿隧道縱向的豎向位移和應力分布分別如圖3、圖4所示。

由圖3可知:斷層在錯動時，豎向位移沿隧道縱向出現(xiàn)了臺階，隨著斷層錯動量的增加，斷層附近位移曲線的斜率逐漸增大;在錯動量為10 cm、隧道允許錯動位移為5 cm時，斷層錯動對隧道幾乎沒有影響;當斷層錯動20 cm時，其實際位移影響范圍在距洞口140～165 m;當斷層錯動30 cm時，其實際位移影響范圍在距洞口130～175 m。

由圖4可知:遠離斷層時，襯砌各部位的等效應力接近相等;在斷層附近時，襯砌各部位等效應力呈馬鞍形并出現(xiàn)峰值;在斷層錯動10 cm時，應力的影響范圍在距洞口110～185 m，影響長度為75 m，不動盤、錯動盤影響長度分別為40和30 m;在斷層錯動20 cm時，應力的影響范圍在距洞口100～195 m，影響長度為95 m，不動盤、錯動盤影響長度分別為50和40 m;在斷層錯動30 cm時，應力的影響范圍在距洞口90～205 m，影響長度為115 m，不動盤、錯動盤影響長度分別為60和50 m。在錯動量為10和20 cm時，襯砌各部位的等效應力峰值均小于屈服應力(35 MPa)，隧道處于彈性階段。在錯動量為30 cm時，拱腰襯砌的等效應力峰值大于屈服應力，隧道均處于塑性階段，其余部位沒有出現(xiàn)塑性區(qū)。

圖3 不同斷層錯動量時襯砌豎向位移

圖4 不同斷層錯動量時襯砌等效應力

4 結(jié)論

1)在汶茂斷層錯動下，汶川1#隧道襯砌的豎向位移呈臺階狀分布，而襯砌的應力狀態(tài)則呈馬鞍形分布，臺階和馬鞍凸起部位均位于斷層附近。拱腰處襯砌的受力最大，出現(xiàn)塑性區(qū)。

2)在斷層錯動10和20 cm時，隧道襯砌的等效應力小于屈服應力，襯砌位于彈性階段，隧道安全;在斷層錯動30 cm時，隧道襯砌的等效應力大于屈服應力，隧道開始出現(xiàn)塑性區(qū)，此時斷層錯動的影響區(qū)域為距洞口90～205 m，影響長度為115 m，不動盤、錯動盤影響長度分別為60和50 m，需要加固。

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(責任審編 李付軍)

U452.2+7

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.12

2015-07-23;

:2015-08-29

黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室開放課題和黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)山西省重點實驗室開放課題(KLTLR-Y13-12)

趙曉勇 (1982— )，男，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0040-03