基于數(shù)值模擬斷層錯動對輸水隧洞結(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)濟加速發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施，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，造成人員和財產(chǎn)損失。為此，許多學者進行了一系列研究。

李術(shù)才依據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，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)，對數(shù)據(jù)采集和處理方面存在的難題進行了解決。劉小軍利用FLAC3D有限元工具對隧道淺埋偏壓洞口進行了三維仿真模擬，對不同施工階段隧道洞口的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行了研究。楊文波將模型試驗與數(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)的受力特點動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。劉聰通過大型模型試驗，對復(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、急劇增長和相對穩(wěn)定3個狀態(tài)組成[1-2]。

于正為評估穿越近海隧道風險，選取了9個實際工程案例作為評估標準，提出了針對該工程的四重評估體系。鄭穎人利用有限元強度折減法對節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性進行了評估，并計算出了不同工況下的安全系數(shù)。

為研究地震產(chǎn)生的斷裂帶對隧道結(jié)構(gòu)的影響，文章利用有限元軟件依據(jù)實際工程案例和勘察報告建立了考慮不同形式斷層錯動情況下的隧洞模型，對不同斷層錯動形式和錯動位移進行了正交數(shù)值模擬試驗，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級地震和1次7級地震。

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和模筑支護的兩種支護的復(fù)合襯砌方式，為了在保證計算精度的前提下提高計算效率，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)驗可知，隧洞計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，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，詳細參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

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

該有限元數(shù)值試驗分3步進行：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，對隧洞進行開挖；③位移施加，緩慢逐漸施加固定位移來模擬斷層滑動。

以7級地震為例，由地震引起的錯動位移可由下式計算：

lgD=-4.509+0.674Ms

(1)

式中：D為最大錯動位移；Ms為7表示7級地震。

通過(1)式可計算出由7級地震引發(fā)的斷層最大錯動位移為1.24m，主要發(fā)生在走滑和逆沖兩個方向。在文章中，選取不同的位移比例進行模型計算，并對比了逆沖斷層錯動、走滑斷層錯動和傾向滑移斷層錯動3種方式下隧洞受錯動距離的影響。

2 計算結(jié)果分析

2.1 逆斷層錯動

根據(jù)逆斷層錯動位移的不同分為5個工況，分別為錯動0.1m、錯動0.2m、錯動0.3m、錯動0.4m和錯動0.5m。逆斷層錯位示意圖如圖1所示。

圖2展示了逆沖斷層錯動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，隨著逆沖錯動位移的增加，隧洞截面附近的拱頂和拱底最大主應(yīng)力均有增加。并且，隨著錯動位移逐漸增大，最大主應(yīng)力峰值點逐漸開始偏移隧洞正截面處，這是由于發(fā)生錯動位移，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，相對于拱頂，逆沖錯動位移的增加導(dǎo)致拱底最大主應(yīng)力增加幅度更加顯著，這也說明了逆沖錯動主要作用在拱底，對拱底產(chǎn)生破壞作用。

圖1 逆沖斷層錯位示意

(a)拱頂處

(b)拱底處

2.2 走滑層錯動

根據(jù)走滑層錯動位移的不同分為5個工況，分別為錯動0.2m、錯動0.4m、錯動0.6m、錯動0.8m和錯動1.0m。走滑層錯位示意圖如圖3所示。

圖3 走滑斷層錯位示意

圖4展示了走滑層錯動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，不同工況下的應(yīng)力分布在同一截面中趨勢基本一致。拱頂和拱底最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在隧洞位置附近，隨著逆沖錯動位移的增加，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，走滑層錯動在拱頂和拱底產(chǎn)生的最大主應(yīng)力出現(xiàn)了均出現(xiàn)了3個極大值點，均在距離隧洞截面位置凈距25-30m區(qū)間內(nèi)，這說明走滑錯動位移對隧道工程的影響范圍要>逆沖錯位。并且，從圖中可以看出，走滑錯動位移增加對最大主應(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)力相對于工況1的最大主應(yīng)力增加了近兩倍，而逆沖斷層錯動僅增加了40%左右，這說明走滑層錯動危害遠>逆沖斷層的危害。此外，走滑位移對隧洞的影響不區(qū)分拱頂拱底，兩者最大主應(yīng)力變化趨勢和幅度基本類似。

(a)拱頂處

(b)拱底處

2.3 傾向滑移斷層錯動

根據(jù)傾向滑移斷層錯動位移的不同分為5個工況，由于該錯動位移是前兩種錯動位移同時進行產(chǎn)生的，因而各工況位移如表2所示。傾向滑移斷層錯位示意圖如圖5所示。

表2 傾向滑移斷層各工況劃分

圖5 傾向滑移斷層錯位示意

圖6展示了傾向滑移斷層錯動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，與前兩種斷層錯動類似，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<由走滑層斷層錯動產(chǎn)生的最大主應(yīng)力，這說明傾向滑移斷層錯動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)了兩個極大值點，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動對隧道的影響范圍不及走滑層斷層。因此，在實際工程中應(yīng)極力避免傾向滑移斷層的出現(xiàn)，并實施相應(yīng)的措施進行避免。

(a)拱頂處

(b)拱底處

3 結(jié) 論

文章利用有限元軟件依據(jù)實際工程案例和勘察報告建立了考慮斷層錯動情況下的隧洞模型，分析了不同斷層錯動形式和錯動位移下，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)斷層錯動在不同工況下的應(yīng)力分布在同一截面中趨勢基本一致。拱頂和拱底最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在隧洞位置附近，隨著斷層錯動位移的增加，隧洞截面附近的拱頂和拱底最大主應(yīng)力均有增加。

2)逆沖斷層錯動主要在對隧洞拱底產(chǎn)生影響，傾向滑移斷層錯動主要對隧洞拱頂產(chǎn)生影響，走滑斷層錯動不區(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)三種斷層錯動中，走滑斷層錯動對隧道的影響范圍最大，影響程度也最為嚴重，傾向滑移斷層錯動次之。在實際工程中應(yīng)極力避免傾向滑移斷層的出現(xiàn)，并實施相應(yīng)的措施進行避免。