山嶺隧道穿越活動(dòng)斷層時(shí),斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道造成較大影響。通過數(shù)值模擬,研究分析不同斷層錯(cuò)動(dòng)因素對(duì)隧道的影響,主要包括斷層錯(cuò)動(dòng)速度、斷層破碎帶寬度以及斷層錯(cuò)動(dòng)傾角。研究表明斷層錯(cuò)動(dòng)速度對(duì)隧道影響取決于斷層錯(cuò)動(dòng)量;斷層寬度成倍增加時(shí),斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響不是正比例增加,但是會(huì)是線性增加。修建隧道時(shí)應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。
山嶺隧道; 活動(dòng)斷層; 斷層錯(cuò)動(dòng); 錯(cuò)動(dòng)因素; 數(shù)值模擬
U452.2+7A
巖土工程與地下工程巖土工程與地下工程
[定稿日期]2023-02-28
[作者簡(jiǎn)介]何永輝(1990—),男,碩士,工程師,主要從事地下抗減震以及地下工程設(shè)計(jì)工作。
0" 引言
在我國(guó)西南地區(qū),高速公路、鐵路作為主要連接外界通道的工具,不可避免地要穿越山嶺,而隧道作為一種有效的穿越山嶺的通道。人們對(duì)穿越活動(dòng)斷層和強(qiáng)震區(qū)的隧道的抗震性能,在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),沒有給予高度重視。直到1995年,日本阪神發(fā)生了7.3級(jí)的地震,該地震由斷層的活動(dòng)引起,屬于上下震動(dòng)型的強(qiáng)烈地震,地震造成了大量的地下結(jié)構(gòu)破壞。這與學(xué)者們對(duì)地下結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的認(rèn)知相反。自此,人們開始逐步加強(qiáng)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)的重視[1-3]。
大量的震害調(diào)查結(jié)果表明,活動(dòng)斷層的突發(fā)性錯(cuò)動(dòng)是引發(fā)地震的主要根源[4]。 這主要是活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí),會(huì)引發(fā)地表破裂、地面震動(dòng)和次生地質(zhì)災(zāi)害。總的來說,地震破壞主要分為兩類:一是地面振動(dòng)使得地面建筑物與地下構(gòu)造物遭受破壞;二是活動(dòng)斷層兩盤的巖體錯(cuò)動(dòng),引起地面建筑物和地下構(gòu)造物的破壞[5]。對(duì)于我國(guó)西南地區(qū)而言,山嶺隧道穿越活動(dòng)斷層是不可避免的,如何確保山嶺隧道穿越活動(dòng)斷層后仍然保證正常工作狀態(tài),是學(xué)術(shù)界的困難課題。斷層錯(cuò)動(dòng)因素對(duì)隧道影響的研究也處于探索階段。
本文主要從斷層錯(cuò)動(dòng)速度、斷層破碎帶寬度以及斷層錯(cuò)動(dòng)傾角出發(fā),通過數(shù)值模擬,研究分析不同斷層錯(cuò)動(dòng)因素對(duì)隧道影響分析。
1" 模型建立以及計(jì)算參數(shù)選取
根據(jù)已有資料的分析可知,隧道受活斷層錯(cuò)動(dòng)的影響的因素主要有:錯(cuò)動(dòng)速度,斷層破碎帶寬度,斷層破碎帶與隧道的相交角度。下面進(jìn)行數(shù)值建模分析。在上下盤與斷層交界面處設(shè)置接觸面,模擬上、下盤與斷層破碎帶之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。模型尺寸為120 m×110 m×100(180) m(橫向長(zhǎng)×高×縱向長(zhǎng)),見圖1。
(a)模型整體示意
(b)斷層錯(cuò)動(dòng)面示意
取斷層破碎帶的圍巖為V級(jí)圍巖,斷層兩側(cè)的圍巖為IV級(jí)圍巖。本文選擇IV,V圍巖物理力學(xué)參數(shù)取值見表1,襯砌的混凝土物理力學(xué)參數(shù)見表2。
2" 不同的斷層錯(cuò)動(dòng)速度下斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析
根據(jù)丁國(guó)瑜、周榮軍、趙穎等[6-8]的研究斷層錯(cuò)動(dòng)速度
對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力有影響。為了研究分析在不同的斷層錯(cuò)動(dòng)速度下,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的影響,本文分別對(duì)斷層破碎帶寬度為10 m的施加錯(cuò)動(dòng)速度為0.04 m/s、0.1 m/s、0.25 m/s、0.4 m/s、1.0 m/s,見表3,進(jìn)行斷層錯(cuò)動(dòng)分析,最終的錯(cuò)動(dòng)量
為0.3 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,拱頂和拱腳處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)力最大。本文主要選擇拱頂最大主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力進(jìn)行分析(圖2)。
2.1" 隧道結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力縱向分析
(a)拱頂最大主應(yīng)力""" (b)拱頂最大剪切應(yīng)力
由圖2可以看出當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)速度為1.0 m/s時(shí),隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為64.5 MPa,出現(xiàn)距離在隧道與斷層交界面位移上盤一側(cè)10 m處;隧道結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力為43.5 MPa,出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位移下盤一側(cè),而且最大剪切應(yīng)力在距離隧道與斷層交界面位移上盤一側(cè)10 m處出現(xiàn)二次峰值,約為32.0 MPa。同時(shí)選擇拱腳應(yīng)力沿隧道縱向的變化進(jìn)行研究分析(圖3)。
(a)拱腳最大主應(yīng)力""" (b)拱腳最大剪切應(yīng)力
2.2" 隧道結(jié)構(gòu)拱腳應(yīng)力縱向分析
由圖3可以看出當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)速度為1.0 m/s時(shí),隧道結(jié)構(gòu)拱腳最大的主應(yīng)力為87.0 MPa,出現(xiàn)距離在斷層與隧道交界面右側(cè)處;隧道結(jié)構(gòu)拱腳最小主應(yīng)力為83.5 MPa,出現(xiàn)在斷層與隧道交界面右側(cè)處;隧道結(jié)構(gòu)拱腳最大剪切應(yīng)力為52.5 MPa,出現(xiàn)在斷層斷層破碎帶中間處,約為83.5 MPa。
由圖2和圖3可知,拱頂和拱腳最大主應(yīng)力沿縱向變化的趨勢(shì)基本一致。但是兩者出現(xiàn)在斷層不同的位置處。拱頂和拱腳最大剪切應(yīng)力沿縱向變化的分布形態(tài)不一樣。與斷層交界面兩處附近均出現(xiàn)應(yīng)力突變,其中最大值出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位于下盤一側(cè)處。與此同時(shí),拱腳的最大剪切應(yīng)力在斷層破碎帶中間處達(dá)到最大值。由上述分析可以看出,當(dāng)斷層錯(cuò)動(dòng)速度不同,斷層錯(cuò)動(dòng)量相等的情況下,隧道結(jié)構(gòu)的受力有所變化,基本趨勢(shì)是隨著斷層的錯(cuò)動(dòng)速度的增加,隧道結(jié)構(gòu)的受力逐漸增大,但增大的幅度不大。這間接表明了,斷層錯(cuò)動(dòng)量是隧道結(jié)構(gòu)受力的主要控制因素之一。斷層錯(cuò)動(dòng)的主要影響范圍為斷層破碎帶兩側(cè)10 m以內(nèi)。
巖土工程與地下工程何永輝, 王春森: 不同斷層錯(cuò)動(dòng)因素對(duì)隧道影響研究分析
3" 不同斷層寬度下斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析
模型尺寸為120 m×110 m×100 m,參數(shù)見表4。選擇斷層傾角為90°,斷層破碎帶寬度為2 m、10 m、20 m,上盤為固定盤,下盤為活動(dòng)盤,下盤沿垂直方向錯(cuò)動(dòng)0.3 m。
選擇隧道結(jié)構(gòu)拱頂和拱腳進(jìn)行分析:
由圖4可以看出隨著斷層寬度的增加,拱頂?shù)膽?yīng)力基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。工況1,拱頂最大主應(yīng)力為10.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)3 m以內(nèi);工況2,拱頂最大主應(yīng)力為15.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)5 m以內(nèi);工況3,拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為60.0 MPa,影響范圍為上盤距離斷層破碎帶一側(cè)的18 m以內(nèi),下盤距離斷層破碎帶一側(cè)10 m以內(nèi)。
(a)拱頂最大主應(yīng)力""" (b)拱頂最大剪切應(yīng)力
工況1,拱頂最大剪切應(yīng)力為15.5 MPa,影響范圍為影響范圍為斷層兩側(cè)的8 m以內(nèi);工況2,拱頂最大剪切應(yīng)力為25.5 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)的16 m以內(nèi);斷層寬度為20 m時(shí),拱頂?shù)淖罴羟兄鲬?yīng)力為50.0 MPa,出現(xiàn)兩個(gè)峰值,影響范圍是上盤距離斷層破碎帶一側(cè)的22 m以內(nèi),下盤距離斷層破碎帶一側(cè)的15 m以內(nèi),其應(yīng)力分布在隧道與斷層交界面兩處出現(xiàn)最大值。相對(duì)于工況1拱頂?shù)淖畲蠹羟袘?yīng)力,工況2寬度增加5倍,對(duì)應(yīng)的最剪切主應(yīng)力增加了64.5%,工況3寬度增加10倍,對(duì)應(yīng)的拱頂最大剪切應(yīng)力增加了222.6%。將上述工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大和最小主應(yīng)力匯總,見表5,影響范圍以斷層錯(cuò)對(duì)面處起算。
4" 不同斷層傾角下斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析
本節(jié)選擇三種不同斷層傾角的模型進(jìn)行計(jì)算。由上一節(jié)可以知道,在其他條件相同情況下,斷層寬度越大斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力越大。因此本節(jié)中選擇斷層寬度為20 m,斷層傾角分別為45°、75°、90°的三種情況。設(shè)置錯(cuò)動(dòng)條件為:下盤錯(cuò)動(dòng)速度為0.1 m/s ,錯(cuò)動(dòng)時(shí)間為3.0 s,總的錯(cuò)動(dòng)量為0.3 m,數(shù)值計(jì)算模型見表6。
本節(jié)選擇拱頂、拱腳應(yīng)力沿隧道縱向的變化進(jìn)行分析(圖5)。
(a)拱頂最大主應(yīng)力""""" (b)拱頂最大剪切應(yīng)力
4.1" 隧道結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力縱向分析
由圖5可以看出隨著斷層傾角的增加,拱頂?shù)膽?yīng)力基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。斷層為45°時(shí),拱頂最大主應(yīng)力為38.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)8 m以內(nèi);斷層傾角為75°時(shí),拱頂最大主應(yīng)力為52.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)9 m以內(nèi);斷層傾角為90°時(shí),拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力為60.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)12 m以內(nèi)。
斷層為45°時(shí),拱頂最大剪切應(yīng)力為25.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)13 m以內(nèi);斷層傾角為75°時(shí),拱頂最大剪切應(yīng)力為45.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)16 m以內(nèi);斷層傾角為90°時(shí),拱頂?shù)淖畲蠹羟袘?yīng)力為53.0 MPa,影響范圍為斷層兩側(cè)20 m以內(nèi)。
由上述分析可知,斷層傾角越大,拱頂應(yīng)力受到的影響越大。拱頂?shù)淖畲笾鲬?yīng)力出現(xiàn)在隧道與斷層交界面位于上盤一側(cè)處,最大剪切應(yīng)力在斷層兩側(cè)附近出現(xiàn)兩個(gè)峰值。拱頂受力的影響范圍主要在隧道與斷層交界面附近的10 m以內(nèi)。
將上述不同傾角斷層錯(cuò)動(dòng)下的隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲蟆⒆钚≈鲬?yīng)力匯總,見表7影響范圍以斷層破碎帶處起算。同理,將拱腳的最大、最小主應(yīng)力匯總,見表8。
4.2" 塑性區(qū)的變化
為了研究在隧道穿越斷層破碎帶的傾角不同時(shí),對(duì)隧道周圍圍巖造成的破壞情況,斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)的圍巖的塑性區(qū)進(jìn)行分析,見圖6。
由圖6可以看出,斷層破碎帶寬度相同,下盤錯(cuò)動(dòng)量相同的情況下,斷層與水平面夾角越小,斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大,影響范圍也越大。這主要時(shí)斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí),隧道結(jié)構(gòu)會(huì)受到較大的剪切、擠壓以及拉伸作用。因此在修建隧道時(shí)應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。
5" 結(jié)束語
本文通過數(shù)值模擬分析斷層錯(cuò)動(dòng)速度、斷層寬度和斷層傾角這三種不同斷層錯(cuò)動(dòng)因素對(duì)隧道的內(nèi)力影響,及其影響范圍,得出幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)在錯(cuò)動(dòng)位移相同的情況下,斷層錯(cuò)動(dòng)速度對(duì)隧道的受力影響基本一致,表明斷層錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)隧道影響大于斷層錯(cuò)動(dòng)速度對(duì)隧道的影響。斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道的影響范圍與斷層破碎帶有關(guān)。
(2)斷層寬度成倍增加時(shí),斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響不是正比例增加,但是會(huì)是線性增加。而且在V級(jí)圍巖下,斷層寬度不大于2 m,斷層錯(cuò)動(dòng)影響的范圍不大于3 m;斷層寬度大于2 m小于等于10 m,斷層錯(cuò)動(dòng)影響的范圍大于3 m小于等于8 m;斷層寬度大于10 m小于等于20 m,斷層錯(cuò)動(dòng)影響的范圍大于8 m小于等于10 m。
(3)斷層破碎帶寬度相同,下盤錯(cuò)動(dòng)量相同的情況下,斷層與水平面夾角越小,斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響越大,影響范圍也越大。因此在修建隧道時(shí)應(yīng)該盡可能使隧道與斷層成90°傾角通過。
參考文獻(xiàn)
[1]"" 朱長(zhǎng)安. 斷層破碎帶隧道地震動(dòng)力響應(yīng)分析[D]. 成都:西南交通大學(xué), 2009.
[2]" J. A, steketee On Volterra’ S dislocation in a semi-infinite elastic medium[J]. Can. J. Phys. 1958: 192-205.
[3]" 福季耶娃. 震區(qū)地下結(jié)構(gòu)物支護(hù)的計(jì)算[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1986.
[4]" 聞學(xué)澤. 活動(dòng)斷裂地震潛勢(shì)的定量評(píng)估[M]. 北京:地震出版社,1995.
[5]" 方林,宋林俐. 穿越斷層破碎帶隧道減震措施研究[J]. 公路. 2010(2): 194-197.
[6]" 丁國(guó)瑜,田勤儉,孔凡臣,等.活斷層分段的原則、方法與應(yīng)用[M].北京:地震出版社, 1993.
[7]" 周榮軍,李勇,Densmore A.L,等. 青藏高原東緣活動(dòng)構(gòu)造[J].礦物巖石,2006,26(2):40-51;
[8]" 趙穎. 通過活斷層區(qū)地鐵隧道地震反應(yīng)分析[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài), 2015(5): 45-46.