基于数值模拟断层错动对输水隧洞结构的影响研究

买买提江·阿布都艾尼

(新疆维吾尔自治区和田地区水利局水利工程质量监督站， 新疆 和田 848000)

0 引 言

近年来，随着中西部经济加速发展和西部大开发战略实施，隧道工程越来越常见。而隧道常受到一些不良地质条件影响，致使其产生过大的变形导致失稳破坏，造成人员和财产损失。为此，许多学者进行了一系列研究。

李术才依据超前地质预报，提出了在熔岩地区隧道施工中出现失稳破坏的四种预警方法。谢熊耀为测量隧道全断面变形，采用三维扫描仪技术，对数据采集和处理方面存在的难题进行了解决。刘小军利用FLAC3D有限元工具对隧道浅埋偏压洞口进行了三维仿真模拟，对不同施工阶段隧道洞口的应力应变状态进行了研究。杨文波将模型试验与数值模拟相结合，研究了无空洞条件下不同工况中的隧道结构的受力特点动态响应规律。刘聪通过大型模型试验，对复杂地层中隧道结构的位移变形和围岩应力大小和分布进行了监测，结果表明，位移变形有缓慢增加、急剧增长和相对稳定3个状态组成[1-2]。

于正为评估穿越近海隧道风险，选取了9个实际工程案例作为评估标准，提出了针对该工程的四重评估体系。郑颖人利用有限元强度折减法对节理岩体隧道的稳定性进行了评估，并计算出了不同工况下的安全系数。

为研究地震产生的断裂带对隧道结构的影响，文章利用有限元软件依据实际工程案例和勘察报告建立了考虑不同形式断层错动情况下的隧洞模型，对不同断层错动形式和错动位移进行了正交数值模拟试验，分析了隧洞拱顶和拱底的最大应力分布变化。

1 有限元隧洞模型

1.1 工程概况

隧洞工程需通过延伸约48km的断裂带，断裂地层主要由三部分构成，分别为三叠系北衙组、玄武岩和新生界地层。隧洞线路与该断裂带夹角约为53°-66°，宽度60m，为左旋转逆冲击倾侧滑移断层方式。此外，该地为地震多发区，近年来，先后发生过4次6级地震和1次7级地震。

1.2 模型构建和参数选取

以通过钻爆法施工的输水隧洞作为文章研究对象，采用有限元软件构建三维隧洞模型。该隧洞采用包含喷锚支护和模筑支护的两种支护的复合衬砌方式，为了在保证计算精度的前提下提高计算效率，文章将该复合衬砌简化为单层衬砌模拟，衬砌厚度设为0.5m。根据现场勘察资料，隧洞直径长约10m，断裂宽度约60m，而根据相关研究和施工经验可知，隧洞计算考虑的围岩范围通常是5-8倍隧洞直径长度，故模型横截面设置为100m×100m。通过接触单元来模拟断层断裂面，摩擦因子设置为0.74。

根据工程勘测资料和相关文献，衬砌本构模型选择线弹性模型，利用弹塑性模型模拟断裂带和围岩，详细参数如表1所示。

表1 模型材料参数

对隧洞周围进行局部网格加密，周围设置法向固定边界，进行网格划分。

该有限元数值试验分3步进行：①塑性零步，生成由自重产生的应力并将位移归零；②隧洞开挖，采用分步施工模拟方式，对隧洞进行开挖；③位移施加，缓慢逐渐施加固定位移来模拟断层滑动。

以7级地震为例，由地震引起的错动位移可由下式计算：

lgD=-4.509+0.674Ms

(1)

式中：D为最大错动位移；Ms为7表示7级地震。

通过(1)式可计算出由7级地震引发的断层最大错动位移为1.24m，主要发生在走滑和逆冲两个方向。在文章中，选取不同的位移比例进行模型计算，并对比了逆冲断层错动、走滑断层错动和倾向滑移断层错动3种方式下隧洞受错动距离的影响。

2 计算结果分析

2.1 逆断层错动

根据逆断层错动位移的不同分为5个工况，分别为错动0.1m、错动0.2m、错动0.3m、错动0.4m和错动0.5m。逆断层错位示意图如图1所示。

图2展示了逆冲断层错动下不同工况最大主应力分布，图2(a)为拱顶处最大主应力分布情况，图2(b)为拱底处最大主应力分布情况。从图中可以看出，不同工况下的应力分布在同一截面中趋势基本一致。拱顶和拱底最大主应力峰值均出现在隧洞位置附近，随着逆冲错动位移的增加，隧洞截面附近的拱顶和拱底最大主应力均有增加。并且，随着错动位移逐渐增大，最大主应力峰值点逐渐开始偏移隧洞正截面处，这是由于发生错动位移，导致隧道形状发生改变，受力不均匀，应力发生重分布，进而导致最大主应力位置出现偏移，也容易导致极端情况发生。此外，相对于拱顶，逆冲错动位移的增加导致拱底最大主应力增加幅度更加显著，这也说明了逆冲错动主要作用在拱底，对拱底产生破坏作用。

图1 逆冲断层错位示意

(a)拱顶处

(b)拱底处

2.2 走滑层错动

根据走滑层错动位移的不同分为5个工况，分别为错动0.2m、错动0.4m、错动0.6m、错动0.8m和错动1.0m。走滑层错位示意图如图3所示。

图3 走滑断层错位示意

图4展示了走滑层错动下不同工况最大主应力分布，图4(a)为拱顶处最大主应力分布情况，图4(b)为拱底处最大主应力分布情况。从图中可以看出，呈现出与上文类似趋势，不同工况下的应力分布在同一截面中趋势基本一致。拱顶和拱底最大主应力峰值均出现在隧洞位置附近，随着逆冲错动位移的增加，隧洞截面附近的拱顶和拱底最大主应力均有增加。与此同时，走滑层错动在拱顶和拱底产生的最大主应力出现了均出现了3个极大值点，均在距离隧洞截面位置净距25-30m区间内，这说明走滑错动位移对隧道工程的影响范围要>逆冲错位。并且，从图中可以看出，走滑错动位移增加对最大主应力峰值的提升效果更为显著，隧洞正截面位置处，工况5最大主应力相对于工况1的最大主应力增加了近两倍，而逆冲断层错动仅增加了40%左右，这说明走滑层错动危害远>逆冲断层的危害。此外，走滑位移对隧洞的影响不区分拱顶拱底，两者最大主应力变化趋势和幅度基本类似。

(a)拱顶处

(b)拱底处

2.3 倾向滑移断层错动

根据倾向滑移断层错动位移的不同分为5个工况，由于该错动位移是前两种错动位移同时进行产生的，因而各工况位移如表2所示。倾向滑移断层错位示意图如图5所示。

表2 倾向滑移断层各工况划分

图5 倾向滑移断层错位示意

图6展示了倾向滑移断层错动下不同工况最大主应力分布，图6(a)为拱顶处最大主应力分布情况，图6(b)为拱底处最大主应力分布情况。从图中可以看出，与前两种断层错动类似，随着断层位移的增加，拱顶最大主应力峰值出现增长，且增长幅度较大，工况5相较于工况1隧洞正截面位置的最大主应力在拱顶和拱底分别增加了211.1%和170.9%，对拱顶最大主应力影响更甚。并且，工况5在隧洞正截面位置处的峰值最大主应力数值<由走滑层断层错动产生的最大主应力，这说明倾向滑移断层错动给隧洞工程带来的危害<走滑层断层。此外，从图中可以看出，仅出现了两个极大值点，且拱顶和拱底出现的位置不同。这也说明了倾向滑移断层错动对隧道的影响范围不及走滑层断层。因此，在实际工程中应极力避免倾向滑移断层的出现，并实施相应的措施进行避免。

(a)拱顶处

(b)拱底处

3 结 论

文章利用有限元软件依据实际工程案例和勘察报告建立了考虑断层错动情况下的隧洞模型，分析了不同断层错动形式和错动位移下，隧洞拱顶和拱底的最大应力分布变化，得出结论如下：

1)断层错动在不同工况下的应力分布在同一截面中趋势基本一致。拱顶和拱底最大主应力峰值均出现在隧洞位置附近，随着断层错动位移的增加，隧洞截面附近的拱顶和拱底最大主应力均有增加。

2)逆冲断层错动主要在对隧洞拱底产生影响，倾向滑移断层错动主要对隧洞拱顶产生影响，走滑断层错动不区分拱底、拱顶，两者最大主应力在数值和变化规律上基本保持一致。

3)三种断层错动中，走滑断层错动对隧道的影响范围最大，影响程度也最为严重，倾向滑移断层错动次之。在实际工程中应极力避免倾向滑移断层的出现，并实施相应的措施进行避免。