汶茂断层错动对汶川1#隧道的影响研究

赵晓勇，杨长卫

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

汶茂断层错动对汶川1#隧道的影响研究

赵晓勇，杨长卫

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

利用FLAC3D建立汶川1#隧道数值分析模型，研究汶茂断层错动条件下隧道衬砌的变形规律和应力分布情况，进而确定了影响范围。研究结果表明:在断层错动10和20 cm时，隧道衬砌的等效应力小于屈服应力，衬砌位于弹性变形阶段，隧道是安全的;在断层错动30 cm时，隧道衬砌的等效应力大于屈服应力，隧道出现塑性区，此时断层错动的影响区域为距洞口90～205 m，影响长度为115 m，不动盘、错动盘受断层影响的长度分别为60和50 m，需要采取加固措施。

汶茂断层 汶川1#隧道 影响范围

1 工程概况

汶川1#隧道位于构造剥蚀高中山地貌区。汶川县城东南侧山体最高点——望乡台高程约为3 201 m。岷江河谷最低点高程约1 310 m，与望乡台高差约为1 900 m，属于深切峡谷地貌，崖悬壁陡，沟谷多呈 V形。河流侵蚀堆积地貌仅在岷江及杂谷脑河谷发育，地形较平坦。汶川1#隧道顺岷江右岸傍山穿行，隧道洞身段穿过岷江右岸支沟。隧道进口位于岷江右岸基岩陡坡下方，斜坡坡度40°，基岩裸露，岩体受构造影响严重，构造节理裂隙发育，岩体破碎。隧道出口位于G317线右侧基岩陡崖下方，斜坡坡度约60°，出露地层为茂县群二段的绢云石英千枚岩，岩体较完整。洞顶基岩陡崖上偶见零星危岩出露。隧址区属于龙门山华夏系构造带，呈NE40°～50°方向展布，主要有3条北东向的压扭性大断裂(茂汶断裂、映秀断裂、灌县—江油断裂)，2个最大的复背斜(彭灌背斜、宝兴复背斜)，一系列北东向的次级压扭性断裂，斜倒转及正常褶曲以及与之伴随的近南北、近东西向的2组扭断裂，北西向的1组张扭性断裂。本文选取茂汶断裂带作为错动断层，分析断裂过程中隧道衬砌的变形规律和应力分布情况，以确定影响范围，指导工程施工。

根据隧道建筑限界要求以及电缆沟、排水沟、隧道通风设施、机电设施等所需空间尺寸确定了分离式隧道主洞衬砌内轮廓断面形式。拱高715 cm;采用上半圆半径为553 cm的三心圆曲边墙结构;隧道净空面积(含仰拱)78.23 m2，周长(含仰拱)32.29 m。隧道内轮廓适合于隧道超高不大于±4%的情况。

2 模型的建立

2.1 阻尼设置

采用大型岩土分析软件FLAC3D建立隧道模型进行数值计算分析。阻尼设置是否合适直接关系到计算结果的正确性。FLAC3D动力计算主要提供Rayleigh阻尼和局部阻尼两种阻尼形式，本文采用前者。

Rayleigh阻尼最初用于动力作用下的结构物和弹性介质的分析，应用起来简单方便，在结构动力分析中得到广泛应用。Rayleigh阻尼假设结构的阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的组合，表示为

式中:［C］，［M］，［K］分别为阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵;α，β分别为质量比例系数和刚度比例系数。

式(1)中，α，β是待定的两个常数，可以用实际测量得到的结构阻尼比来确定，或通过给定的两个振型阻尼比的值来确定，为此要把Rayleigh阻尼公式化成由阻尼比表示的形式。

2.2 模型的建立

模型断面及网格划分见图1。

在应用FLAC3D进行数值模拟时，采用结构块体单元模拟围岩与断层，由于隧道衬砌的厚度与其纵向长度相差较大，因此为了更准确地进行数值模拟，衬砌采用壳单元。同时，在围岩与断层、衬砌与围岩的接触部分均设置了接触面单元，以更加真实地反映结构间的相互作用。数值模型断面尺寸大于隧道洞径的7倍。为了控制变量，在研究时选取隧道的一个倾向为90°、厚度为5 m的断层，断层的左右盘各取150 m的纵向深度。在研究断层蠕变时，通过加载沿断层倾向90°方向的蠕变，来研究隧道渐进性破坏的机理。隧道数值模型宽×高×长为70 m×70 m×305 m。网格断面尺寸为7 m×7 m，纵向尺寸为10 m。断层宽度为5 m。

图1 模型断面及网格划分

2.3 本构模型及材料参数

模型的材料特性参数采用汶川1#隧道的围岩与断层的实际材性数值及在结构设计时衬砌的材料参数。围岩与断层的实际参数见表1，断层段的衬砌设计参数见表2。围岩、断层、衬砌均采用摩尔—库伦破坏准则;接触面采用摩尔—库伦破坏准则和脆性断裂本构模型，以模拟结构间的相互作用。

表1 隧道围岩与断层的材料特性参数

表2 隧道衬砌的材料特性参数

2.4 断层错动速度及测点布置

设置断层的错动速度为每1个分析步错动1 mm。加载时间共5 s，每1 s错动10 cm。在断层错动过程中分析隧道—围岩体系变形，计算不同时间步在隧道断层附近的节点、单元的位移响应，并研究在断层错动10，20和30 cm时，衬砌沿隧道纵向的位移和应力分布规律。在拱顶、拱肩、拱腰、拱脚以及拱底对称设置监测点。隧道监测点纵向布置见图2。

图2 隧道监测点纵向布置

3 计算结果分析

在分析衬砌应力时，强度分析采用第四强度理论。第四强度理论的等效应力不仅考虑了最大和最小主应力，而且还考虑了中间应力，因此用等效应力判断隧道所处的应力状态是可靠且准确的。断层错动量分别为10，20，30，40和50 cm时衬砌各点沿隧道纵向的竖向位移和应力分布分别如图3、图4所示。

由图3可知:断层在错动时，竖向位移沿隧道纵向出现了台阶，随着断层错动量的增加，断层附近位移曲线的斜率逐渐增大;在错动量为10 cm、隧道允许错动位移为5 cm时，断层错动对隧道几乎没有影响;当断层错动20 cm时，其实际位移影响范围在距洞口140～165 m;当断层错动30 cm时，其实际位移影响范围在距洞口130～175 m。

由图4可知:远离断层时，衬砌各部位的等效应力接近相等;在断层附近时，衬砌各部位等效应力呈马鞍形并出现峰值;在断层错动10 cm时，应力的影响范围在距洞口110～185 m，影响长度为75 m，不动盘、错动盘影响长度分别为40和30 m;在断层错动20 cm时，应力的影响范围在距洞口100～195 m，影响长度为95 m，不动盘、错动盘影响长度分别为50和40 m;在断层错动30 cm时，应力的影响范围在距洞口90～205 m，影响长度为115 m，不动盘、错动盘影响长度分别为60和50 m。在错动量为10和20 cm时，衬砌各部位的等效应力峰值均小于屈服应力(35 MPa)，隧道处于弹性阶段。在错动量为30 cm时，拱腰衬砌的等效应力峰值大于屈服应力，隧道均处于塑性阶段，其余部位没有出现塑性区。

图3 不同断层错动量时衬砌竖向位移

图4 不同断层错动量时衬砌等效应力

4 结论

1)在汶茂断层错动下，汶川1#隧道衬砌的竖向位移呈台阶状分布，而衬砌的应力状态则呈马鞍形分布，台阶和马鞍凸起部位均位于断层附近。拱腰处衬砌的受力最大，出现塑性区。

2)在断层错动10和20 cm时，隧道衬砌的等效应力小于屈服应力，衬砌位于弹性阶段，隧道安全;在断层错动30 cm时，隧道衬砌的等效应力大于屈服应力，隧道开始出现塑性区，此时断层错动的影响区域为距洞口90～205 m，影响长度为115 m，不动盘、错动盘影响长度分别为60和50 m，需要加固。

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(责任审编 李付军)

U452.2+7

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.12

2015-07-23;

:2015-08-29

黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室开放课题和黄土地区公路建设与养护技术山西省重点实验室开放课题(KLTLR-Y13-12)

赵晓勇 (1982— )，男，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0040-03