活動(dòng)斷裂對(duì)隧洞變形響應(yīng)特性的影響研究

趙 利 鵬,李 堅(jiān),高 仝,周 光 新,崔 臻

(1.云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000; 2.云南省滇中引水建設(shè)管理局 大理分局,云南 昆明 650205; 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430071; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

興建長(zhǎng)大跨流域的調(diào)水工程是優(yōu)化水資源配置格局,解決水資源短缺與社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展之間矛盾的必然選擇[1-2]。對(duì)于長(zhǎng)大調(diào)水工程,由于受到地形和地質(zhì)條件的限制,常常需要修建大量長(zhǎng)距離輸水隧洞作為關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)。例如,作為引漢濟(jì)渭工程重點(diǎn)控制性工程之一,秦嶺輸水隧洞的縱向長(zhǎng)度達(dá)98 km,是目前世界上已建的最長(zhǎng)隧洞[3-5];遠(yuǎn)期規(guī)劃中的南水北調(diào)西線(xiàn)項(xiàng)目,其一期工程將選址于巴顏喀拉山的東段,即青藏高原東南緣,根據(jù)初步規(guī)劃結(jié)果,其線(xiàn)路長(zhǎng)度可達(dá)260 km,其中超過(guò)240 km的線(xiàn)路為隧洞工程,隧洞占比達(dá)94%[6-8]。中國(guó)西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地震活動(dòng)強(qiáng)烈,長(zhǎng)距離輸水隧洞工程建設(shè)必然面臨隧洞鄰近或者穿越活動(dòng)斷層的問(wèn)題[9-11]。

對(duì)于穿越活斷層隧洞(道)而言,活斷層的運(yùn)動(dòng)將造成圍巖及隧洞結(jié)構(gòu)的變形,導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)剪切破壞、二次襯砌的錯(cuò)動(dòng)開(kāi)裂、掉塊、整體垮塌等。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真等方法對(duì)活斷層隧洞(道)錯(cuò)斷破壞機(jī)制的研究成為熱點(diǎn)。在模型試驗(yàn)方面,陳宇龍和黃棟[12]通過(guò)離心機(jī)開(kāi)展模型試驗(yàn),研究了不同運(yùn)動(dòng)模式活動(dòng)斷層作用下飽和黏土層的變形特性及其裂縫擴(kuò)展規(guī)律,分析了斷層錯(cuò)動(dòng)量對(duì)地表位移、地表最大坡度位置的影響。蔡奇鵬等[13]、駱冠勇等[14]針對(duì)黏土地層展開(kāi)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),對(duì)比分析了走滑斷層錯(cuò)動(dòng)下隱伏裂縫對(duì)上覆土層破裂的影響機(jī)制。徐詩(shī)蒙等[15]在振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中研究了不同傾角斷層的影響,揭示了斷層傾角對(duì)穿越活斷層隧道的影響模式。Ha等[16]通過(guò)兩組離心模型研究了跨斷層埋地管線(xiàn)在正斷層和走滑斷層分別作用下的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)走滑斷層作用下土管相互作用壓力在斷層帶周邊對(duì)稱(chēng)分布;正斷層作用時(shí)活動(dòng)側(cè)管道在斷層跡線(xiàn)附近壓力集中。劉學(xué)增等[17-18]開(kāi)展了一系列的隧道模型錯(cuò)斷試驗(yàn),系統(tǒng)分析了不同斷層錯(cuò)斷模式、不同設(shè)防形式等因素下公路隧道襯砌的變形和應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特征。

隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展,針對(duì)跨活動(dòng)斷裂隧洞(道)的變形破壞機(jī)理研究更加深入。李小軍等[19]針對(duì)基巖引起的斷層錯(cuò)動(dòng)問(wèn)題,利用數(shù)值分析方法,探討了斷層作用下上覆土壤破裂形成的過(guò)程和相應(yīng)的擴(kuò)展特征。Wang等[20]通過(guò)數(shù)值模擬研究了黏滑斷層作用下穿越活斷層隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng),提出了一種隧道穿過(guò)活動(dòng)斷層的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。劉學(xué)增等[21]采用有限元方法,研究了斷層作用下襯砌不同斷面型式對(duì)鉸接隧道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。Azizkandi等[22]研究了隧道對(duì)逆斷層和淺埋基礎(chǔ)之間相互作用的變形響應(yīng),分析了地基位置、隧道埋深和直徑,以及自由場(chǎng)條件下隧道與斷層帶的相對(duì)位置對(duì)斷層破裂淺埋基礎(chǔ)的影響規(guī)律。Banushi等[23]研究了走滑斷層作用下不同傾角和內(nèi)壓水平對(duì)埋地管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

綜上可知,對(duì)于隧洞跨越活動(dòng)斷裂時(shí),不同地質(zhì)參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隧洞襯砌中變形的影響機(jī)制不明,亟待開(kāi)展系統(tǒng)的參數(shù)研究。本文以滇中引水工程的關(guān)鍵控制性工程——香爐山輸水隧洞為依托工程,研究斷層帶傾向、夾角、寬度、材料參數(shù)等影響因素下,隧洞各個(gè)部位的位移與相對(duì)變形、最大主應(yīng)力、縱向等效內(nèi)力等各個(gè)響應(yīng)值的變化,綜合說(shuō)明活動(dòng)斷層錯(cuò)斷對(duì)隧洞變形破壞特征的影響。

1 參數(shù)影響分析條件

1.1 依托工程簡(jiǎn)介

滇中引水工程是當(dāng)前172項(xiàng)重大水利工程中一項(xiàng)標(biāo)志性的重大工程,是西南地區(qū)投資最多、規(guī)模最為龐大的調(diào)水工程,也是中國(guó)當(dāng)前在建的最大引水工程之一。作為滇中引水工程的渠首建筑物,香爐山隧洞穿越馬耳山脈(見(jiàn)圖1),長(zhǎng)達(dá)63 km。隧洞段工程地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜,穿越多條尺度龐大的斷裂帶,在穿越的16條斷裂中,有3條為全新世活動(dòng)斷裂,包括龍?bào)?喬后斷裂、麗江-劍川斷裂及鶴慶-洱源斷裂。這些全新世活動(dòng)斷裂具有強(qiáng)烈的地震活動(dòng)性,具備發(fā)生7級(jí)以上強(qiáng)震的條件,給隧洞的安全建造與運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。

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

1.2 模型概化和參數(shù)選取

本文以香爐山隧洞工程遭受強(qiáng)烈錯(cuò)斷威脅為背景開(kāi)展研究,隧洞穿越斷層帶原型選取龍?bào)?喬后(F10)斷層帶。為了開(kāi)展各種斷裂帶地質(zhì)因素的影響分析,設(shè)置斷層帶傾角為60°～90°,斷層帶寬度考慮為160～240 m,斷層帶走向與隧洞夾角考慮為60°～90°,斷裂帶錯(cuò)動(dòng)考慮為0.1～0.4 m。

三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示,其中隧洞軸向長(zhǎng)度為600 m,斷層寬200 m,橫向、豎向均取100 m。隧洞為圓形斷面,半徑為5.65 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算,隧洞初支噴混凝土和二襯合并為1.05 m厚的C30混凝土襯砌。數(shù)值計(jì)算中所采用的圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。斷層錯(cuò)動(dòng)位移模式考慮“S”形斷層錯(cuò)動(dòng)位移模式[24]。其中,斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí),固定下盤(pán)外邊界,上盤(pán)模型頂部和底部約束法向位移,在上盤(pán)模型前面邊界施加沿錯(cuò)動(dòng)面方向的位移來(lái)模擬上盤(pán)和下盤(pán)的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)過(guò)程。同時(shí)考慮斷層錯(cuò)動(dòng)位移模式的施加,在斷層帶邊界施加錯(cuò)動(dòng)位移。

表1 數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of the numerical model

圖2 隧洞穿越龍?bào)?喬后(F10)斷層帶數(shù)值模型(單位:m)Fig.2 Numerical model of the tunnel crossing the Longpan-Qiaohou (F10) fault zone

2 斷層帶錯(cuò)動(dòng)量的影響

研究斷層走向與隧洞軸線(xiàn)夾角為0°,斷層帶傾角為90°,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層帶錯(cuò)動(dòng)量分別為10,20,30,40 m時(shí)隧洞變形和內(nèi)力的變化。

圖3給出了20 cm錯(cuò)斷條件下,隧道襯砌結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、內(nèi)力的示意圖。其中,所有云圖的變形形態(tài)均放大了100倍。由圖可見(jiàn),斷層帶界限部位、中間部位為應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜的部分,應(yīng)力在這些部位有極值出現(xiàn),需重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 斷層錯(cuò)動(dòng)量20 cm時(shí)隧洞襯砌響應(yīng)Fig.3 Lining response at 20 cm fault displacement

2.1 隧洞位移

圖4為不同斷層錯(cuò)動(dòng)量下隧洞不同部位的位移曲線(xiàn)?？芍?隧洞左右邊墻和洞頂、底的位移分布基本一致,襯砌整體位移基本與斷層帶錯(cuò)動(dòng)同步。在以上認(rèn)知下,為了簡(jiǎn)要起見(jiàn),后續(xù)研究中僅重點(diǎn)討論拱頂位移形態(tài)。

圖4 斷層錯(cuò)動(dòng)量不同時(shí)隧洞位移曲線(xiàn)Fig.4 Displacement curves of the tunnel under different fault displacements

圖5為隧洞洞頂、洞底、左右邊墻的相對(duì)變形曲線(xiàn)?？梢?jiàn),在走滑斷層作用下,隧洞的相對(duì)變形主要表現(xiàn)為左右邊墻的相對(duì)收斂,在主動(dòng)盤(pán)與斷層帶交接部位局部表現(xiàn)為左右邊墻分離。相對(duì)收斂位移值在斷層帶中間部位最大,并隨錯(cuò)斷量的增加而增加。但隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)增大,圍巖-襯砌體系逐漸進(jìn)入局部滑移、破壞,非線(xiàn)性特征逐漸體現(xiàn)時(shí),相對(duì)變形曲線(xiàn)形狀有所變化。在走滑斷層作用下,隧洞洞頂-洞底的相對(duì)變形量值較小。因此,后續(xù)研究中僅重點(diǎn)討論左右邊墻的相對(duì)變形。

圖5 不同錯(cuò)斷量下隧洞關(guān)鍵部位相對(duì)變形曲線(xiàn)Fig.5 Relative deformation curves of key parts of the tunnel under different fault displacements

2.2 最大主應(yīng)力

圖6為不同錯(cuò)斷量條件下,隧洞洞頂、左側(cè)邊墻、右側(cè)邊墻、洞底的最大主應(yīng)力量值分布曲線(xiàn)。可知斷層錯(cuò)動(dòng)影響下隧洞不同部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)的規(guī)律不一樣。在走滑斷層錯(cuò)斷作用下,洞頂、洞底部位的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在斷層帶中央部位,而對(duì)于左右邊墻部位,其最大主應(yīng)力出現(xiàn)在主動(dòng)盤(pán)與斷層帶交接部位。同時(shí),當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)增大,圍巖-襯砌體系逐漸進(jìn)入局部滑移、破壞,非線(xiàn)性特征逐漸體現(xiàn)時(shí),最大主應(yīng)力曲線(xiàn)形狀將有所變化?？紤]到各個(gè)部位曲線(xiàn)的代表性,后續(xù)研究中僅討論頂拱與左邊墻的大主應(yīng)力。

圖6 不同錯(cuò)斷量值下隧洞最大主應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.6 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault displacements

2.3 縱向內(nèi)力

將隧洞視為一根彈性梁,計(jì)算襯砌縱向內(nèi)力,包括等效軸力、彎矩和剪力。隧洞的軸向內(nèi)力分布曲線(xiàn)如圖7所示。對(duì)于軸力指標(biāo)而言,上下盤(pán)襯砌整體處于受壓狀態(tài),最大受壓位置出現(xiàn)在與斷層帶交接部位。而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態(tài),拉力最大值出現(xiàn)在斷層帶中央。對(duì)于彎矩指標(biāo),襯砌處于反向?qū)ΨQ(chēng)受彎的狀態(tài),最大彎矩位置出現(xiàn)在與斷層帶交接部位,斷層帶內(nèi)部襯砌受彎程度相對(duì)較小。對(duì)于剪力而言,最大剪力出現(xiàn)在斷層帶中央部位。以上內(nèi)力指標(biāo)均隨錯(cuò)斷量的增加而增加,但當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)量繼續(xù)增大,圍巖-襯砌體系逐漸進(jìn)入局部滑移、破壞,非線(xiàn)性特征逐漸體現(xiàn)時(shí),曲線(xiàn)形狀有所變化。

圖7 斷層錯(cuò)動(dòng)量不同時(shí)隧洞內(nèi)力曲線(xiàn)Fig.7 Internal force curves of the tunnel under different fault displacements

3 斷層帶寬度的影響

當(dāng)隧洞軸線(xiàn)與斷層帶走心夾角為90°,斷層帶傾角90°,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯(cuò)斷量為0.2 m,斷層帶寬度分別為160,200,240 m時(shí),研究隧洞變形破壞特性的變化。

3.1 隧洞位移

圖8為不同斷層寬度時(shí)隧洞頂部的位移曲線(xiàn)。可知襯砌整體位移基本與斷層帶錯(cuò)動(dòng)同步。隨著斷層帶寬度增加,斷層帶對(duì)隧洞的影響范圍逐漸增大。

圖8 斷層帶寬度不同時(shí)隧洞洞頂位移曲線(xiàn)Fig.8 Top arch displacement curves of the tunnel under different fault zone widths

圖9為隧洞左右邊墻的相對(duì)變形曲線(xiàn)?？梢?jiàn),相對(duì)收斂在斷層帶中間部位最大,并隨斷層寬度的增加而減小。

圖9 不同斷層帶寬度下隧洞左右邊墻相對(duì)變形曲線(xiàn)Fig.9 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different fault zone widths

3.2 最大主應(yīng)力

圖10為不同斷層帶寬度條件下,隧洞洞頂、左側(cè)邊墻的最大主應(yīng)力量值分布曲線(xiàn)。當(dāng)斷層帶寬度繼續(xù)增大,縱向最大主應(yīng)力值減小,斷層帶對(duì)隧洞影響范圍增加,最大主應(yīng)力曲線(xiàn)形狀發(fā)生變化。

圖10 不同斷層帶寬度下隧洞最大主應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.10 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault zone widths

3.3 縱向內(nèi)力

隧洞軸向內(nèi)力分布曲線(xiàn)如圖11所示?？梢?jiàn)最大軸力隨斷層寬度增加而減小,斷層帶對(duì)隧洞的影響范圍逐漸增大。

圖11 斷層帶寬度不同時(shí)隧洞軸力曲線(xiàn)Fig.11 Axial force curves of the tunnel under different fault zone widths

4 斷層帶傾角的影響

當(dāng)隧洞軸線(xiàn)與斷層帶夾角為90°,斷層寬度為200 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯(cuò)斷量為0.2 m,斷層帶傾角分別為60°,75°,90°時(shí),研究隧洞變形破壞特性的變化。

4.1 隧洞位移

圖12為斷層帶傾角不同時(shí)隧洞頂拱的位移曲線(xiàn)。可知隧洞襯砌整體位移基本與斷層帶錯(cuò)動(dòng)同步。

圖12 斷層帶傾角不同時(shí)隧洞洞頂位移曲線(xiàn)Fig.12 Top arch displacement curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

圖13為隧洞左右邊墻的相對(duì)變形曲線(xiàn)?？梢?jiàn),在走滑斷層作用下,隧洞的相對(duì)變形主要表現(xiàn)為左右邊墻的相對(duì)收斂,在主動(dòng)盤(pán)與斷層帶交接部位局部表現(xiàn)為左右邊墻分離。相對(duì)收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨傾角增加而減小,但當(dāng)斷層傾角繼續(xù)增大,相對(duì)變形曲線(xiàn)形狀有所變化。左右邊墻相對(duì)收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨傾角增加而增大,75°和90°情況下位移幾乎一致。

圖13 不同斷層帶傾角下隧洞左右邊墻相對(duì)變形曲線(xiàn)Fig.13 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.2 最大主應(yīng)力

圖14為不同斷層帶傾角條件下,隧洞洞頂、左側(cè)邊墻的最大主應(yīng)力分布曲線(xiàn)。當(dāng)斷層帶傾角繼續(xù)增大,縱向最大主應(yīng)力基本不變,最大主應(yīng)力曲線(xiàn)形狀變化較小。

圖14 不同斷層帶傾角下隧洞最大主應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.14 Maximum principal stress curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.3 縱向內(nèi)力

隧洞軸向的內(nèi)力分布曲線(xiàn)如圖15所示。對(duì)于軸力指標(biāo)而言,在上下盤(pán)的襯砌整體處于受壓狀態(tài)。傾角90°和75°時(shí)最大受壓位置出現(xiàn)在與斷層帶交接部位,而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態(tài),拉力最大值出現(xiàn)在斷層帶中央,兩者曲線(xiàn)基本一致。傾角60°時(shí),隧洞襯砌整體受壓,最大受壓值出現(xiàn)在斷層帶中央,隨著傾角增加最大受壓值減小,75°和90°時(shí)結(jié)果幾乎一致。

圖15 不同斷層傾角下隧洞軸力分布曲線(xiàn)Fig.15 Axial force distribution curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

5 隧洞軸線(xiàn)與斷層走向夾角的影響

當(dāng)斷層傾角為90°,斷層寬度為200 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8 GPa,斷層錯(cuò)斷量為0.2 m,隧洞軸線(xiàn)與斷層走向的夾角分別為90°,75°,60°時(shí),研究隧洞變形破壞特性的變化。

5.1 隧洞位移

圖16為隧洞軸線(xiàn)與斷層帶走向夾角不同時(shí)隧洞頂部的位移曲線(xiàn),可見(jiàn)襯砌整體位移基本與斷層帶錯(cuò)動(dòng)同步。圖17為隧洞左右邊墻的相對(duì)變形曲線(xiàn)。相對(duì)收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨斷層走向與隧洞夾角減小而增加。但當(dāng)斷層走向與隧洞軸線(xiàn)夾角繼續(xù)增大時(shí),相對(duì)變形曲線(xiàn)形狀將有所變化。

圖16 隧洞軸線(xiàn)與斷層夾角不同時(shí)隧洞洞頂位移曲線(xiàn)Fig.16 Top arch displacement curves of the tunnel under different angles between the tunnel axis and fault zone

圖17 不同隧洞軸線(xiàn)與斷層走向夾角下左右邊墻相對(duì)變形曲線(xiàn)Fig.17 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different angles between the tannel axis and foult strike

5.2 最大主應(yīng)力

圖18為不同夾角條件下,隧洞洞頂、左側(cè)邊墻的最大主應(yīng)力分布曲線(xiàn)。當(dāng)斷層帶走向與隧洞軸線(xiàn)夾角繼續(xù)增大,最大主應(yīng)力值增加,最大主應(yīng)力曲線(xiàn)形狀將有所變化。

圖18 不同隧洞軸線(xiàn)與斷層夾角下隧洞最大主應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.18 Maximum stress principal curves of the tunnel under different intersect angles between tunnel and fault zone

5.3 縱向內(nèi)力

隧洞軸向的內(nèi)力分布曲線(xiàn)如圖19所示,對(duì)于軸力指標(biāo)而言,在上下盤(pán)的襯砌整體處于受壓狀態(tài)。夾角90°時(shí)最大受壓位置出現(xiàn)在與斷層帶交接部位,而在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態(tài),拉力最大值出現(xiàn)在斷層帶中央。夾角75°和60°時(shí),隧洞襯砌整體受壓,最大受壓值出現(xiàn)在斷層帶中央。

圖19 不同隧洞軸線(xiàn)與斷層夾角下隧洞軸力曲線(xiàn)Fig.19 Axial force curves of the tunnel under different intersect angles between the tunnel axis and faults fault zones

6 斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)的影響

當(dāng)斷層與隧洞正交,斷層寬度為200 m,斷層錯(cuò)斷量為0.2 m,斷層帶圍巖彈性模量為0.8,1.5,2.2 GPa時(shí),研究隧洞變形破壞特性的變化。

6.1 隧洞位移

圖20為不同斷層帶彈模條件下,隧洞頂拱的位移曲線(xiàn)。結(jié)果顯示隧洞基本上整體隨斷層帶變位而移動(dòng),斷層帶彈模變化對(duì)隧洞頂拱的位移曲線(xiàn)差異性影響較小。

圖20 不同斷層帶彈模下隧洞洞頂位移曲線(xiàn)Fig.20 Top arch displacement curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

圖21為隧洞左右邊墻的相對(duì)變形曲線(xiàn)。相對(duì)收斂在斷層帶中間部位最大,并隨斷層帶彈模增加而增加。但當(dāng)斷層帶彈模繼續(xù)增大,相對(duì)變形曲線(xiàn)形狀將有所變化。

圖21 不同斷層帶彈模下隧洞左右邊墻相對(duì)變形曲線(xiàn)Fig.21 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.2 最大主應(yīng)力

圖22給出了不同斷層帶彈模條件下,隧洞頂拱、左側(cè)邊墻的最大主應(yīng)力曲線(xiàn)。當(dāng)斷層帶彈性模量增大時(shí),頂拱縱向最大主應(yīng)力值增大,彈模1.5 GPa和2.5 GPa情況下最大應(yīng)力曲線(xiàn)近似一致;左邊墻縱向最大主應(yīng)力值減小,最大主應(yīng)力曲線(xiàn)形狀發(fā)生變化。

圖22 不同斷層帶彈模下隧洞最大主應(yīng)力曲線(xiàn)Fig.22 Maximum principal stress curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.3 縱向內(nèi)力

隧洞軸向內(nèi)力分布曲線(xiàn)如圖23所示,發(fā)現(xiàn)彈性模量為1.5 GPa時(shí)內(nèi)力指標(biāo)值最大,同時(shí)斷層帶彈模增加,曲線(xiàn)形狀將有所變化。

圖23 不同斷層帶彈模下隧洞軸力曲線(xiàn)Fig.23 Axial force curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

7 結(jié) 論

本文研究了斷層帶錯(cuò)動(dòng)量、斷層帶走向與隧洞軸線(xiàn)夾角、斷層帶傾角、斷層帶寬度、斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)因素對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形、縱向大主應(yīng)力、縱向等效內(nèi)力的影響。通過(guò)參數(shù)敏感性分析取得如下結(jié)論:

(1) 在走滑斷層作用下,襯砌整體位移基本與斷層帶錯(cuò)動(dòng)同步,隧洞的相對(duì)變形主要表現(xiàn)為左右邊墻的相對(duì)收斂。相對(duì)收斂位移在斷層帶中間部位最大,并隨錯(cuò)斷量增加而增加。洞頂、洞底部位的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在斷層帶中央部位,左右邊墻部位最大主應(yīng)力出現(xiàn)在主動(dòng)盤(pán)與斷層帶交接部位。

(2) 在斷層帶中,襯砌整體處于受拉狀態(tài),拉力最大值出現(xiàn)在斷層帶中央。襯砌處于反向?qū)ΨQ(chēng)受彎的狀態(tài),最大彎矩位置出現(xiàn)在與斷層帶交接部位。最大剪力出現(xiàn)在斷層帶中央部位。對(duì)所有內(nèi)力指標(biāo),均可發(fā)現(xiàn)其隨錯(cuò)斷量增加而增加。當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)量持續(xù)增大,圍巖-襯砌體系逐漸進(jìn)入局部滑移、破壞而非線(xiàn)性特征逐漸體現(xiàn)時(shí),曲線(xiàn)形狀發(fā)生變化。

(3) 對(duì)于斷層帶走向與隧洞軸線(xiàn)夾角,研究結(jié)果總體上支持隧洞斷層帶走向與隧洞夾角越大,對(duì)隧洞襯砌變形受力狀態(tài)越有利,即隧洞穿越斷層帶的最佳角度為正交。對(duì)于斷層帶傾角,研究結(jié)果總體上支持隧洞斷層帶傾角越大,對(duì)隧洞襯砌變形受力狀態(tài)越有利,隧洞穿越斷層帶時(shí)與其傾向的最佳角度為正交。

(4) 對(duì)于斷層帶寬度,在相同錯(cuò)動(dòng)量的前提下,斷層寬度越小,對(duì)隧洞越不利。對(duì)于斷層帶巖體質(zhì)量,當(dāng)斷裂帶兩側(cè)巖體質(zhì)量條件不變,且錯(cuò)動(dòng)量不變的前提下,隧洞受到的錯(cuò)動(dòng)作用隨著斷裂帶巖體質(zhì)量的提升而更加顯著。