逆断层错动作用下隧道衬砌变形数值分析

逆断层错动作用下隧道衬砌变形数值分析

沈梓蒙

(重庆交通大学土木工程学院，重庆南岸，400074)

摘要：随着到当今的我国的社会和城市化发展的城市化进程正逐步发展的脚步日益的加

快,隧道对我们交通公路有着不言而喻的重要性。但是研究数据表明,随着隧道服役的时间数的持续增加,隧道围岩本身必然会出现的各种不同的程度上的地质变形或破坏问题。隧道穿越一定断层条件下这种变形破坏问题尤为严重。隧道项目工程出现结构问题种类相当复杂,主要是包含在隧道结构上产生各种应力、应变条件后而导致结构断面的收敛或变形,结构位移、沉降,以及隧道施工建设等对其周边的环境等的一系列影响。对此,我们完全可以尝试利用FLAC3D引擎和ansys软件来建立断层隧道的三维几何模型和三维断面模型,分析隧道断层倾角,断层位移倾向,对断层隧道衬砌结构变形等的应力影响。

关 键 词：隧道；跨断层隧道；结构；逆断层；FLAC3D

1绪论

1.1引言

随着我国城市化进展加速，隧道数量也呈井喷式的增长，初期隧道选线穿越简单岩层，后期为了经济因素穿越断层。断层活动使隧道产生位移错动使其隧道应力承载发生变化。情节严重下造成隧道衬砌破裂或者局部坍塌。所以提高隧道在断层穿越时结构的安全性和受力性能变成至关重要。

针对跨断层隧道存在的相关问题,国内外学者都开展了很多该领域的课题研究。如赵颖[1]等课题组针对跨地铁隧道,采用数值模拟系统分析论证了隧道临界覆盖的土层厚度及其与正断层位错量值之间存在的函数关系,并通过基于程拟的静力方法系统分析验证了在正断层位错荷载作用状态下对地铁隧道土层的损伤及其破坏机理。王琼等人[2-4]首次采用数值模拟的新方法系统地研究了隧道在走滑断层工况环境下与地铁隧道间的应力非线性碰撞反应。

1.2工程背景

新疆某隧道长度超过20km，属超长隧道，需要结合工程地质条件，进一步研究解决隧道结构设计重大技术问题。

此隧道将穿越某一逆断层，称为F6断层,该逆断裂为某一右旋逆走的滑形性质断层 ,该断裂从隧道进口南侧通过,对隧道影响较大。根据现场调查,该断裂带长度大于1000km,隧道附近断裂右旋错动量350m左右,断层带影响宽度约300m。断层总体垂直走向约305°(NW-NWW),总体倾向为215°(SW)左右,倾角达40-70°,为华北地区一条可长期垂直活动、以断层不同运动深度、不同变形运动行为强度和断层不同垂直运动方向为重要特征条件的复合多区域深大倾角断裂,活动性质特征为右旋逆走滑形。沿断裂带糜棱岩化发育,冰达坂一带韧性剪切带有前后两期脆性变形,先是由自南向北的斜上冲推覆剪切,后转成水平的右旋行走滑韧性剪切带;在尾亚一带,韧剪带一期转变为推覆变形与褶皱剪切变形共存;后二期转为左旋走滑的韧剪带变形,三期转为脆性剪切变性。该次地震断裂发生区应具备能连续稳定发生7级左右大地震断裂破坏地震的各种复杂断裂构造条件。

2断面与三维模型

2.1断面模型

隧道工程在通过活动断层区域时，一般认为断层破裂速度是剪切波速的0.8倍，但隧道破裂位错往往在极短时间内就会完成，而地震波导致的强振动可持续数十秒，且隧道及围岩承所受的地震荷载很难明确，故对隧道断层断裂带进行力学分析尤为重要。

F6断裂带的对于衬砌结构的影响，使用Ansys建立有限元模型，在F6中选取一个特征截面能代表F6断裂带的基本信息，相关参数如下：混凝土强度C40，泊松比0.45，密度1,2500e-12，选取梁模型为188与14弹性单元建立断面模型单元，在每个节点施加对应的竖向或者侧向围岩主动压力，相关对应压力变为均布静力加载隧道衬砌个点上，最终加入约束条件如重力，转动和移动等。约束条件为z平面无位移，x，y方向无转动。

综上，斜滑断层对隧道的作用可以看作逆断层和走滑断层的叠加作用，由于逆断层对隧道的损伤作用相比于走滑断层更严重，所以整体损伤趋势更接近于逆断层作用，但是危险位置变为了拱肩和拱脚。在断层平均位错量相同的情况下，斜滑断层作用下的倾滑分量要小于逆断层，因此斜滑断层对隧道的损伤程度处于走滑断层和逆断层之间。【6-9】

2.2三维有限差分模型

本文采用FLAC3D建立隧道穿越断层模型，以新疆某隧道围岩通过断层破坏后的隧道围岩走向参数和隧道围岩的支护受力参数为理论基本判断依据,研究该围岩的对隧道断层的走向正交变形和对该隧道围岩的轴向正交,二次衬砌结构中的隧道围岩支护受力参数变形分布情况。

为了研究断层区二次衬砌的受力特征，对计算模型中四个横断面的应力和内力进行分析，其中45m，90m横断面位于断层上盘、155m横断面位于断层破碎带内、205m处横断面位于断层下盘。

3结论

FLAC3D分析模拟软件主要优点是软件综合和运用了二维有限差分析理论技术以及近年来大量的采用先进的了显式拉格朗日算法分析技术和混合-离散分区模拟分析技术,能够很快速并且非常地清晰而准确地分析并模拟材料的内部的塑性破坏的结构分布和流动。所以能有效对岩土力学进行分析。本人因为FLAC3D软件还在建立建模阶段,所以后期处理阶段还未进行,在此借用各位隧道专家通过软件数值模拟出相关结论。我们就可以保持和定量的用有限元软件去分析隧道断层倾角,断层倾向等对隧道围岩变形引起的各种应力及影响。

参考文献

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