趙曉勇,楊長衛(wèi)
(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)
汶茂斷層錯(cuò)動(dòng)對汶川1#隧道的影響研究
趙曉勇,楊長衛(wèi)
(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cuò)動(dòng)條件下隧道襯砌的變形規(guī)律和應(yīng)力分布情況,進(jìn)而確定了影響范圍。研究結(jié)果表明:在斷層錯(cuò)動(dòng)10和20 cm時(shí),隧道襯砌的等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力,襯砌位于彈性變形階段,隧道是安全的;在斷層錯(cuò)動(dòng)30 cm時(shí),隧道襯砌的等效應(yīng)力大于屈服應(yīng)力,隧道出現(xiàn)塑性區(qū),此時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)的影響區(qū)域?yàn)榫喽纯?0~205 m,影響長度為115 m,不動(dòng)盤、錯(cuò)動(dòng)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
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(diǎn)——望鄉(xiāng)臺(tái)高程約為3 201 m。岷江河谷最低點(diǎn)高程約1 310 m,與望鄉(xiāng)臺(tái)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(jìn)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(yán)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(gè)最大的復(fù)背斜(彭灌背斜、寶興復(fù)背斜),一系列北東向的次級(jí)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(cuò)動(dòng)斷層,分析斷裂過程中隧道襯砌的變形規(guī)律和應(yīng)力分布情況,以確定影響范圍,指導(dǎo)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(fēng)設(shè)施、機(jī)電設(shè)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。
2.1 阻尼設(shè)置
采用大型巖土分析軟件FLAC3D建立隧道模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。阻尼設(shè)置是否合適直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確性。FLAC3D動(dòng)力計(jì)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(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)物和彈性介質(zhì)的分析,應(yīng)用起來簡單方便,在結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中得到廣泛應(yīng)用。Rayleigh阻尼假設(shè)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(gè)常數(shù),可以用實(shí)際測量得到的結(jié)構(gòu)阻尼比來確定,或通過給定的兩個(gè)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(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),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(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值模擬,襯砌采用殼單元。同時(shí),在圍巖與斷層、襯砌與圍巖的接觸部分均設(shè)置了接觸面單元,以更加真實(shí)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(shí)選取隧道的一個(gè)傾向?yàn)?0°、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(shí),通過加載沿?cái)鄬觾A向90°方向的蠕變,來研究隧道漸進(jìn)性破壞的機(jī)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(shí)際材性數(shù)值及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)襯砌的材料參數(shù)。圍巖與斷層的實(shí)際參數(shù)見表1,斷層段的襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。圍巖、斷層、襯砌均采用摩爾—庫倫破壞準(zhǔn)則;接觸面采用摩爾—庫倫破壞準(zhǔn)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(cuò)動(dòng)速度及測點(diǎn)布置
設(shè)置斷層的錯(cuò)動(dòng)速度為每1個(gè)分析步錯(cuò)動(dòng)1 mm。加載時(shí)間共5 s,每1 s錯(cuò)動(dòng)10 cm。在斷層錯(cuò)動(dòng)過程中分析隧道—圍巖體系變形,計(jì)算不同時(shí)間步在隧道斷層附近的節(jié)點(diǎn)、單元的位移響應(yīng),并研究在斷層錯(cuò)動(dòng)10,20和30 cm時(shí),襯砌沿隧道縱向的位移和應(yīng)力分布規(guī)律。在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳以及拱底對稱設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。隧道監(jiān)測點(diǎn)縱向布置見圖2。
圖2 隧道監(jiān)測點(diǎn)縱向布置
在分析襯砌應(yīng)力時(shí),強(qiáng)度分析采用第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力不僅考慮了最大和最小主應(yīng)力,而且還考慮了中間應(yīng)力,因此用等效應(yīng)力判斷隧道所處的應(yīng)力狀態(tài)是可靠且準(zhǔn)確的。斷層錯(cuò)動(dòng)量分別為10,20,30,40和50 cm時(shí)襯砌各點(diǎn)沿隧道縱向的豎向位移和應(yīng)力分布分別如圖3、圖4所示。
由圖3可知:斷層在錯(cuò)動(dòng)時(shí),豎向位移沿隧道縱向出現(xiàn)了臺(tái)階,隨著斷層錯(cuò)動(dòng)量的增加,斷層附近位移曲線的斜率逐漸增大;在錯(cuò)動(dòng)量為10 cm、隧道允許錯(cuò)動(dòng)位移為5 cm時(shí),斷層錯(cuò)動(dòng)對隧道幾乎沒有影響;當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí),其實(shí)際位移影響范圍在距洞口140~165 m;當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)30 cm時(shí),其實(shí)際位移影響范圍在距洞口130~175 m。
由圖4可知:遠(yuǎn)離斷層時(shí),襯砌各部位的等效應(yīng)力接近相等;在斷層附近時(shí),襯砌各部位等效應(yīng)力呈馬鞍形并出現(xiàn)峰值;在斷層錯(cuò)動(dòng)10 cm時(shí),應(yīng)力的影響范圍在距洞口110~185 m,影響長度為75 m,不動(dòng)盤、錯(cuò)動(dòng)盤影響長度分別為40和30 m;在斷層錯(cuò)動(dòng)20 cm時(shí),應(yīng)力的影響范圍在距洞口100~195 m,影響長度為95 m,不動(dòng)盤、錯(cuò)動(dòng)盤影響長度分別為50和40 m;在斷層錯(cuò)動(dòng)30 cm時(shí),應(yīng)力的影響范圍在距洞口90~205 m,影響長度為115 m,不動(dòng)盤、錯(cuò)動(dòng)盤影響長度分別為60和50 m。在錯(cuò)動(dòng)量為10和20 cm時(shí),襯砌各部位的等效應(yīng)力峰值均小于屈服應(yīng)力(35 MPa),隧道處于彈性階段。在錯(cuò)動(dòng)量為30 cm時(shí),拱腰襯砌的等效應(yīng)力峰值大于屈服應(yīng)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(cuò)動(dòng)量時(shí)襯砌豎向位移
圖4 不同斷層錯(cuò)動(dòng)量時(shí)襯砌等效應(yīng)力
1)在汶茂斷層錯(cuò)動(dòng)下,汶川1#隧道襯砌的豎向位移呈臺(tái)階狀分布,而襯砌的應(yīng)力狀態(tài)則呈馬鞍形分布,臺(tái)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(cuò)動(dòng)10和20 cm時(shí),隧道襯砌的等效應(yīng)力小于屈服應(yīng)力,襯砌位于彈性階段,隧道安全;在斷層錯(cuò)動(dòng)30 cm時(shí),隧道襯砌的等效應(yīng)力大于屈服應(yīng)力,隧道開始出現(xiàn)塑性區(qū),此時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)的影響區(qū)域?yàn)榫喽纯?0~205 m,影響長度為115 m,不動(dòng)盤、錯(cuò)動(dòng)盤影響長度分別為60和50 m,需要加固。
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(責(zé)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(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題和黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KLTLR-Y13-12)
趙曉勇 (1982— ),男,博士研究生。
1003-1995(2015)11-0040-03