基于數(shù)值模擬斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)的影響研究

買買提江·阿布都艾尼

(新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)水利局水利工程質(zhì)量監(jiān)督站， 新疆 和田 848000)

0 引 言

近年來，隨著中西部經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施，隧道工程越來越常見。而隧道常受到一些不良地質(zhì)條件影響，致使其產(chǎn)生過大的變形導(dǎo)致失穩(wěn)破壞，造成人員和財(cái)產(chǎn)損失。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。

李術(shù)才依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提出了在熔巖地區(qū)隧道施工中出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的四種預(yù)警方法。謝熊耀為測量隧道全斷面變形，采用三維掃描儀技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理方面存在的難題進(jìn)行了解決。劉小軍利用FLAC3D有限元工具對(duì)隧道淺埋偏壓洞口進(jìn)行了三維仿真模擬，對(duì)不同施工階段隧道洞口的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行了研究。楊文波將模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了無空洞條件下不同工況中的隧道結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。劉聰通過大型模型試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜地層中隧道結(jié)構(gòu)的位移變形和圍巖應(yīng)力大小和分布進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明，位移變形有緩慢增加、急劇增長和相對(duì)穩(wěn)定3個(gè)狀態(tài)組成[1-2]。

于正為評(píng)估穿越近海隧道風(fēng)險(xiǎn)，選取了9個(gè)實(shí)際工程案例作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，提出了針對(duì)該工程的四重評(píng)估體系。鄭穎人利用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，并計(jì)算出了不同工況下的安全系數(shù)。

為研究地震產(chǎn)生的斷裂帶對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，文章利用有限元軟件依據(jù)實(shí)際工程案例和勘察報(bào)告建立了考慮不同形式斷層錯(cuò)動(dòng)情況下的隧洞模型，對(duì)不同斷層錯(cuò)動(dòng)形式和錯(cuò)動(dòng)位移進(jìn)行了正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析了隧洞拱頂和拱底的最大應(yīng)力分布變化。

1 有限元隧洞模型

1.1 工程概況

隧洞工程需通過延伸約48km的斷裂帶，斷裂地層主要由三部分構(gòu)成，分別為三疊系北衙組、玄武巖和新生界地層。隧洞線路與該斷裂帶夾角約為53°-66°，寬度60m，為左旋轉(zhuǎn)逆沖擊傾側(cè)滑移斷層方式。此外，該地為地震多發(fā)區(qū)，近年來，先后發(fā)生過4次6級(jí)地震和1次7級(jí)地震。

1.2 模型構(gòu)建和參數(shù)選取

以通過鉆爆法施工的輸水隧洞作為文章研究對(duì)象，采用有限元軟件構(gòu)建三維隧洞模型。該隧洞采用包含噴錨支護(hù)和模筑支護(hù)的兩種支護(hù)的復(fù)合襯砌方式，為了在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，文章將該復(fù)合襯砌簡化為單層襯砌模擬，襯砌厚度設(shè)為0.5m。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，隧洞直徑長約10m，斷裂寬度約60m，而根據(jù)相關(guān)研究和施工經(jīng)驗(yàn)可知，隧洞計(jì)算考慮的圍巖范圍通常是5-8倍隧洞直徑長度，故模型橫截面設(shè)置為100m×100m。通過接觸單元來模擬斷層斷裂面，摩擦因子設(shè)置為0.74。

根據(jù)工程勘測資料和相關(guān)文獻(xiàn)，襯砌本構(gòu)模型選擇線彈性模型，利用彈塑性模型模擬斷裂帶和圍巖，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

對(duì)隧洞周圍進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，周圍設(shè)置法向固定邊界，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

該有限元數(shù)值試驗(yàn)分3步進(jìn)行：①塑性零步，生成由自重產(chǎn)生的應(yīng)力并將位移歸零；②隧洞開挖，采用分步施工模擬方式，對(duì)隧洞進(jìn)行開挖；③位移施加，緩慢逐漸施加固定位移來模擬斷層滑動(dòng)。

以7級(jí)地震為例，由地震引起的錯(cuò)動(dòng)位移可由下式計(jì)算：

lgD=-4.509+0.674Ms

(1)

式中：D為最大錯(cuò)動(dòng)位移；Ms為7表示7級(jí)地震。

通過(1)式可計(jì)算出由7級(jí)地震引發(fā)的斷層最大錯(cuò)動(dòng)位移為1.24m，主要發(fā)生在走滑和逆沖兩個(gè)方向。在文章中，選取不同的位移比例進(jìn)行模型計(jì)算，并對(duì)比了逆沖斷層錯(cuò)動(dòng)、走滑斷層錯(cuò)動(dòng)和傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)3種方式下隧洞受錯(cuò)動(dòng)距離的影響。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 逆斷層錯(cuò)動(dòng)

根據(jù)逆斷層錯(cuò)動(dòng)位移的不同分為5個(gè)工況，分別為錯(cuò)動(dòng)0.1m、錯(cuò)動(dòng)0.2m、錯(cuò)動(dòng)0.3m、錯(cuò)動(dòng)0.4m和錯(cuò)動(dòng)0.5m。逆斷層錯(cuò)位示意圖如圖1所示。

圖2展示了逆沖斷層錯(cuò)動(dòng)下不同工況最大主應(yīng)力分布，圖2(a)為拱頂處最大主應(yīng)力分布情況，圖2(b)為拱底處最大主應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，不同工況下的應(yīng)力分布在同一截面中趨勢(shì)基本一致。拱頂和拱底最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在隧洞位置附近，隨著逆沖錯(cuò)動(dòng)位移的增加，隧洞截面附近的拱頂和拱底最大主應(yīng)力均有增加。并且，隨著錯(cuò)動(dòng)位移逐漸增大，最大主應(yīng)力峰值點(diǎn)逐漸開始偏移隧洞正截面處，這是由于發(fā)生錯(cuò)動(dòng)位移，導(dǎo)致隧道形狀發(fā)生改變，受力不均勻，應(yīng)力發(fā)生重分布，進(jìn)而導(dǎo)致最大主應(yīng)力位置出現(xiàn)偏移，也容易導(dǎo)致極端情況發(fā)生。此外，相對(duì)于拱頂，逆沖錯(cuò)動(dòng)位移的增加導(dǎo)致拱底最大主應(yīng)力增加幅度更加顯著，這也說明了逆沖錯(cuò)動(dòng)主要作用在拱底，對(duì)拱底產(chǎn)生破壞作用。

圖1 逆沖斷層錯(cuò)位示意

(a)拱頂處

(b)拱底處

2.2 走滑層錯(cuò)動(dòng)

根據(jù)走滑層錯(cuò)動(dòng)位移的不同分為5個(gè)工況，分別為錯(cuò)動(dòng)0.2m、錯(cuò)動(dòng)0.4m、錯(cuò)動(dòng)0.6m、錯(cuò)動(dòng)0.8m和錯(cuò)動(dòng)1.0m。走滑層錯(cuò)位示意圖如圖3所示。

圖3 走滑斷層錯(cuò)位示意

圖4展示了走滑層錯(cuò)動(dòng)下不同工況最大主應(yīng)力分布，圖4(a)為拱頂處最大主應(yīng)力分布情況，圖4(b)為拱底處最大主應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，呈現(xiàn)出與上文類似趨勢(shì)，不同工況下的應(yīng)力分布在同一截面中趨勢(shì)基本一致。拱頂和拱底最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在隧洞位置附近，隨著逆沖錯(cuò)動(dòng)位移的增加，隧洞截面附近的拱頂和拱底最大主應(yīng)力均有增加。與此同時(shí)，走滑層錯(cuò)動(dòng)在拱頂和拱底產(chǎn)生的最大主應(yīng)力出現(xiàn)了均出現(xiàn)了3個(gè)極大值點(diǎn)，均在距離隧洞截面位置凈距25-30m區(qū)間內(nèi)，這說明走滑錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)隧道工程的影響范圍要>逆沖錯(cuò)位。并且，從圖中可以看出，走滑錯(cuò)動(dòng)位移增加對(duì)最大主應(yīng)力峰值的提升效果更為顯著，隧洞正截面位置處，工況5最大主應(yīng)力相對(duì)于工況1的最大主應(yīng)力增加了近兩倍，而逆沖斷層錯(cuò)動(dòng)僅增加了40%左右，這說明走滑層錯(cuò)動(dòng)危害遠(yuǎn)>逆沖斷層的危害。此外，走滑位移對(duì)隧洞的影響不區(qū)分拱頂拱底，兩者最大主應(yīng)力變化趨勢(shì)和幅度基本類似。

(a)拱頂處

(b)拱底處

2.3 傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)

根據(jù)傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)位移的不同分為5個(gè)工況，由于該錯(cuò)動(dòng)位移是前兩種錯(cuò)動(dòng)位移同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)生的，因而各工況位移如表2所示。傾向滑移斷層錯(cuò)位示意圖如圖5所示。

表2 傾向滑移斷層各工況劃分

圖5 傾向滑移斷層錯(cuò)位示意

圖6展示了傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)下不同工況最大主應(yīng)力分布，圖6(a)為拱頂處最大主應(yīng)力分布情況，圖6(b)為拱底處最大主應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，與前兩種斷層錯(cuò)動(dòng)類似，隨著斷層位移的增加，拱頂最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)增長，且增長幅度較大，工況5相較于工況1隧洞正截面位置的最大主應(yīng)力在拱頂和拱底分別增加了211.1%和170.9%，對(duì)拱頂最大主應(yīng)力影響更甚。并且，工況5在隧洞正截面位置處的峰值最大主應(yīng)力數(shù)值<由走滑層斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的最大主應(yīng)力，這說明傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)給隧洞工程帶來的危害<走滑層斷層。此外，從圖中可以看出，僅出現(xiàn)了兩個(gè)極大值點(diǎn)，且拱頂和拱底出現(xiàn)的位置不同。這也說明了傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響范圍不及走滑層斷層。因此，在實(shí)際工程中應(yīng)極力避免傾向滑移斷層的出現(xiàn)，并實(shí)施相應(yīng)的措施進(jìn)行避免。

(a)拱頂處

(b)拱底處

3 結(jié) 論

文章利用有限元軟件依據(jù)實(shí)際工程案例和勘察報(bào)告建立了考慮斷層錯(cuò)動(dòng)情況下的隧洞模型，分析了不同斷層錯(cuò)動(dòng)形式和錯(cuò)動(dòng)位移下，隧洞拱頂和拱底的最大應(yīng)力分布變化，得出結(jié)論如下：

1)斷層錯(cuò)動(dòng)在不同工況下的應(yīng)力分布在同一截面中趨勢(shì)基本一致。拱頂和拱底最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在隧洞位置附近，隨著斷層錯(cuò)動(dòng)位移的增加，隧洞截面附近的拱頂和拱底最大主應(yīng)力均有增加。

2)逆沖斷層錯(cuò)動(dòng)主要在對(duì)隧洞拱底產(chǎn)生影響，傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)主要對(duì)隧洞拱頂產(chǎn)生影響，走滑斷層錯(cuò)動(dòng)不區(qū)分拱底、拱頂，兩者最大主應(yīng)力在數(shù)值和變化規(guī)律上基本保持一致。

3)三種斷層錯(cuò)動(dòng)中，走滑斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響范圍最大，影響程度也最為嚴(yán)重，傾向滑移斷層錯(cuò)動(dòng)次之。在實(shí)際工程中應(yīng)極力避免傾向滑移斷層的出現(xiàn)，并實(shí)施相應(yīng)的措施進(jìn)行避免。