汶茂斷層錯動對汶川1#隧道的影響研究

趙曉勇，楊長衛

(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

(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#隧道數值分析模型，研究汶茂斷層錯動條件下隧道襯砌的變形規律和應力分布情況，進而確定了影響范圍。研究結果表明: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，隧道出現塑性區，此時斷層錯動的影響區域為距洞口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#隧道位于構造剝蝕高中山地貌區。汶川縣城東南側山體最高點——望鄉臺高程約為3 201 m。岷江河谷最低點高程約1 310 m，與望鄉臺高差約為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，巖體受構造影響嚴重，構造節理裂隙發育，巖體破碎。隧道出口位于G317線右側基巖陡崖下方，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。隧址區屬于龍門山華夏系構造帶，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律和應力分布情況，以確定影響范圍，指導工程施工。

根據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的三心圓曲邊墻結構;隧道凈空面積(含仰拱)78.23 m2，周長(含仰拱)32.29 m。隧道內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值計算分析。阻尼設置是否合適直接關系到計算結果的正確性。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構物和彈性介質的分析，應用起來簡單方便，在結構動力分析中得到廣泛應用。Rayleigh阻尼假設結構的阻尼矩陣是質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、質量矩陣和剛度矩陣;α，β分別為質量比例系數和剛度比例系數。

式(1)中，α，β是待定的兩個常數，可以用實際測量得到的結構阻尼比來確定，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

模型斷面及網格劃分見圖1。

在應用FLAC3D進行數值模擬時，采用結構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構間的相互作用。數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。隧道數值模型寬×高×長為70 m×70 m×305 m。網格斷面尺寸為7 m×7 m，縱向尺寸為10 m。斷層寬度為5 m。

圖1 模型斷面及網格劃分

2.3 本構模型及材料參數

模型的材料特性參數采用汶川1#隧道的圍巖與斷層的實際材性數值及在結構設計時襯砌的材料參數。圍巖與斷層的實際參數見表1，斷層段的襯砌設計參數見表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模型，以模擬結構間的相互作用。

表1 隧道圍巖與斷層的材料特性參數

表2 隧道襯砌的材料特性參數

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律。在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳以及拱底對稱設置監測點。隧道監測點縱向布置見圖2。

圖2 隧道監測點縱向布置

3 計算結果分析

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，其余部位沒有出現塑性區。

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，出現塑性區。

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，隧道開始出現塑性區，此時斷層錯動的影響區域為距洞口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

黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室開放課題和黃土地區公路建設與養護技術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