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        汶茂斷層錯動對汶川1#隧道的影響研究

        2015-03-13 13:30:28趙曉勇楊長衛(wèi)
        鐵道建筑 2015年11期
        關鍵詞:錯動屈服應力汶川

        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

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