赵 利 鹏,李 坚,高 仝,周 光 新,崔 臻

(1.云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000; 2.云南省滇中引水建设管理局 大理分局,云南 昆明 650205; 3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071; 4.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

兴建长大跨流域的调水工程是优化水资源配置格局,解决水资源短缺与社会经济高质量发展之间矛盾的必然选择[1-2]。对于长大调水工程,由于受到地形和地质条件的限制,常常需要修建大量长距离输水隧洞作为关键性控制节点。例如,作为引汉济渭工程重点控制性工程之一,秦岭输水隧洞的纵向长度达98 km,是目前世界上已建的最长隧洞[3-5];远期规划中的南水北调西线项目,其一期工程将选址于巴颜喀拉山的东段,即青藏高原东南缘,根据初步规划结果,其线路长度可达260 km,其中超过240 km的线路为隧洞工程,隧洞占比达94%[6-8]。中国西部地区地质构造复杂,地震活动强烈,长距离输水隧洞工程建设必然面临隧洞邻近或者穿越活动断层的问题[9-11]。

对于穿越活断层隧洞(道)而言,活断层的运动将造成围岩及隧洞结构的变形,导致围岩出现剪切破坏、二次衬砌的错动开裂、掉块、整体垮塌等。通过模型试验和数值仿真等方法对活断层隧洞(道)错断破坏机制的研究成为热点。在模型试验方面,陈宇龙和黄栋[12]通过离心机开展模型试验,研究了不同运动模式活动断层作用下饱和黏土层的变形特性及其裂缝扩展规律,分析了断层错动量对地表位移、地表最大坡度位置的影响。蔡奇鹏等[13]、骆冠勇等[14]针对黏土地层展开离心机振动台试验,对比分析了走滑断层错动下隐伏裂缝对上覆土层破裂的影响机制。徐诗蒙等[15]在振动台模型试验中研究了不同倾角断层的影响,揭示了断层倾角对穿越活断层隧道的影响模式。Ha等[16]通过两组离心模型研究了跨断层埋地管线在正断层和走滑断层分别作用下的响应,发现走滑断层作用下土管相互作用压力在断层带周边对称分布;正断层作用时活动侧管道在断层迹线附近压力集中。刘学增等[17-18]开展了一系列的隧道模型错断试验,系统分析了不同断层错断模式、不同设防形式等因素下公路隧道衬砌的变形和应力应变响应特征。

随着数值计算方法的发展,针对跨活动断裂隧洞(道)的变形破坏机理研究更加深入。李小军等[19]针对基岩引起的断层错动问题,利用数值分析方法,探讨了断层作用下上覆土壤破裂形成的过程和相应的扩展特征。Wang等[20]通过数值模拟研究了黏滑断层作用下穿越活断层隧道衬砌结构的内力响应,提出了一种隧道穿过活动断层的适应性结构设计方法。刘学增等[21]采用有限元方法,研究了断层作用下衬砌不同断面型式对铰接隧道结构变形和内力的影响。Azizkandi等[22]研究了隧道对逆断层和浅埋基础之间相互作用的变形响应,分析了地基位置、隧道埋深和直径,以及自由场条件下隧道与断层带的相对位置对断层破裂浅埋基础的影响规律。Banushi等[23]研究了走滑断层作用下不同倾角和内压水平对埋地管道结构响应的影响。

综上可知,对于隧洞跨越活动断裂时,不同地质参数、设计参数对隧洞衬砌中变形的影响机制不明,亟待开展系统的参数研究。本文以滇中引水工程的关键控制性工程——香炉山输水隧洞为依托工程,研究断层带倾向、夹角、宽度、材料参数等影响因素下,隧洞各个部位的位移与相对变形、最大主应力、纵向等效内力等各个响应值的变化,综合说明活动断层错断对隧洞变形破坏特征的影响。

1 参数影响分析条件

1.1 依托工程简介

滇中引水工程是当前172项重大水利工程中一项标志性的重大工程,是西南地区投资最多、规模最为庞大的调水工程,也是中国当前在建的最大引水工程之一。作为滇中引水工程的渠首建筑物,香炉山隧洞穿越马耳山脉(见图1),长达63 km。隧洞段工程地质环境极其复杂,穿越多条尺度庞大的断裂带,在穿越的16条断裂中,有3条为全新世活动断裂,包括龙蟠-乔后断裂、丽江-剑川断裂及鹤庆-洱源断裂。这些全新世活动断裂具有强烈的地震活动性,具备发生7级以上强震的条件,给隧洞的安全建造与运营带来了严重威胁。

图1 香炉山隧洞工程区位示意Fig.1 Location diagram of Xianglushan tunnel project

1.2 模型概化和参数选取

本文以香炉山隧洞工程遭受强烈错断威胁为背景开展研究,隧洞穿越断层带原型选取龙蟠-乔后(F10)断层带。为了开展各种断裂带地质因素的影响分析,设置断层带倾角为60°～90°,断层带宽度考虑为160～240 m,断层带走向与隧洞夹角考虑为60°～90°,断裂带错动考虑为0.1～0.4 m。

三维数值计算模型如图2所示,其中隧洞轴向长度为600 m,断层宽200 m,横向、竖向均取100 m。隧洞为圆形断面,半径为5.65 m。为简化计算,隧洞初支喷混凝土和二衬合并为1.05 m厚的C30混凝土衬砌。数值计算中所采用的围岩力学参数见表1。断层错动位移模式考虑“S”形断层错动位移模式[24]。其中,断层错动时,固定下盘外边界,上盘模型顶部和底部约束法向位移,在上盘模型前面边界施加沿错动面方向的位移来模拟上盘和下盘的相对错动过程。同时考虑断层错动位移模式的施加,在断层带边界施加错动位移。

表1 数值模型力学参数Tab.1 Mechanical parameters of the numerical model

图2 隧洞穿越龙蟠-乔后(F10)断层带数值模型(单位:m)Fig.2 Numerical model of the tunnel crossing the Longpan-Qiaohou (F10) fault zone

2 断层带错动量的影响

研究断层走向与隧洞轴线夹角为0°,断层带倾角为90°,断层带围岩弹性模量为0.8 GPa,断层带错动量分别为10,20,30,40 m时隧洞变形和内力的变化。

图3给出了20 cm错断条件下,隧道衬砌结构位移、应力、内力的示意图。其中,所有云图的变形形态均放大了100倍。由图可见,断层带界限部位、中间部位为应力状态较为复杂的部分,应力在这些部位有极值出现,需重点关注。

图3 断层错动量20 cm时隧洞衬砌响应Fig.3 Lining response at 20 cm fault displacement

2.1 隧洞位移

图4为不同断层错动量下隧洞不同部位的位移曲线。可知,隧洞左右边墙和洞顶、底的位移分布基本一致,衬砌整体位移基本与断层带错动同步。在以上认知下,为了简要起见,后续研究中仅重点讨论拱顶位移形态。

图4 断层错动量不同时隧洞位移曲线Fig.4 Displacement curves of the tunnel under different fault displacements

图5为隧洞洞顶、洞底、左右边墙的相对变形曲线。可见,在走滑断层作用下,隧洞的相对变形主要表现为左右边墙的相对收敛,在主动盘与断层带交接部位局部表现为左右边墙分离。相对收敛位移值在断层带中间部位最大,并随错断量的增加而增加。但随着断层错动量继续增大,围岩-衬砌体系逐渐进入局部滑移、破坏,非线性特征逐渐体现时,相对变形曲线形状有所变化。在走滑断层作用下,隧洞洞顶-洞底的相对变形量值较小。因此,后续研究中仅重点讨论左右边墙的相对变形。

图5 不同错断量下隧洞关键部位相对变形曲线Fig.5 Relative deformation curves of key parts of the tunnel under different fault displacements

2.2 最大主应力

图6为不同错断量条件下,隧洞洞顶、左侧边墙、右侧边墙、洞底的最大主应力量值分布曲线。可知断层错动影响下隧洞不同部位的应力集中现象出现的规律不一样。在走滑断层错断作用下,洞顶、洞底部位的最大主应力出现在断层带中央部位,而对于左右边墙部位,其最大主应力出现在主动盘与断层带交接部位。同时,当断层错动量继续增大,围岩-衬砌体系逐渐进入局部滑移、破坏,非线性特征逐渐体现时,最大主应力曲线形状将有所变化。考虑到各个部位曲线的代表性,后续研究中仅讨论顶拱与左边墙的大主应力。

图6 不同错断量值下隧洞最大主应力曲线Fig.6 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault displacements

2.3 纵向内力

将隧洞视为一根弹性梁,计算衬砌纵向内力,包括等效轴力、弯矩和剪力。隧洞的轴向内力分布曲线如图7所示。对于轴力指标而言,上下盘衬砌整体处于受压状态,最大受压位置出现在与断层带交接部位。而在断层带中,衬砌整体处于受拉状态,拉力最大值出现在断层带中央。对于弯矩指标,衬砌处于反向对称受弯的状态,最大弯矩位置出现在与断层带交接部位,断层带内部衬砌受弯程度相对较小。对于剪力而言,最大剪力出现在断层带中央部位。以上内力指标均随错断量的增加而增加,但当断层错动量继续增大,围岩-衬砌体系逐渐进入局部滑移、破坏,非线性特征逐渐体现时,曲线形状有所变化。

图7 断层错动量不同时隧洞内力曲线Fig.7 Internal force curves of the tunnel under different fault displacements

3 断层带宽度的影响

当隧洞轴线与断层带走心夹角为90°,断层带倾角90°,断层带围岩弹性模量为0.8 GPa,断层错断量为0.2 m,断层带宽度分别为160,200,240 m时,研究隧洞变形破坏特性的变化。

3.1 隧洞位移

图8为不同断层宽度时隧洞顶部的位移曲线。可知衬砌整体位移基本与断层带错动同步。随着断层带宽度增加,断层带对隧洞的影响范围逐渐增大。

图8 断层带宽度不同时隧洞洞顶位移曲线Fig.8 Top arch displacement curves of the tunnel under different fault zone widths

图9为隧洞左右边墙的相对变形曲线。可见,相对收敛在断层带中间部位最大,并随断层宽度的增加而减小。

图9 不同断层带宽度下隧洞左右边墙相对变形曲线Fig.9 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different fault zone widths

3.2 最大主应力

图10为不同断层带宽度条件下,隧洞洞顶、左侧边墙的最大主应力量值分布曲线。当断层带宽度继续增大,纵向最大主应力值减小,断层带对隧洞影响范围增加,最大主应力曲线形状发生变化。

图10 不同断层带宽度下隧洞最大主应力曲线Fig.10 Maximum principal stress curves of the tunnel under different fault zone widths

3.3 纵向内力

隧洞轴向内力分布曲线如图11所示。可见最大轴力随断层宽度增加而减小,断层带对隧洞的影响范围逐渐增大。

图11 断层带宽度不同时隧洞轴力曲线Fig.11 Axial force curves of the tunnel under different fault zone widths

4 断层带倾角的影响

当隧洞轴线与断层带夹角为90°,断层宽度为200 m,断层带围岩弹性模量为0.8 GPa,断层错断量为0.2 m,断层带倾角分别为60°,75°,90°时,研究隧洞变形破坏特性的变化。

4.1 隧洞位移

图12为断层带倾角不同时隧洞顶拱的位移曲线。可知隧洞衬砌整体位移基本与断层带错动同步。

图12 断层带倾角不同时隧洞洞顶位移曲线Fig.12 Top arch displacement curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

图13为隧洞左右边墙的相对变形曲线。可见,在走滑断层作用下,隧洞的相对变形主要表现为左右边墙的相对收敛,在主动盘与断层带交接部位局部表现为左右边墙分离。相对收敛位移在断层带中间部位最大,并随倾角增加而减小,但当断层倾角继续增大,相对变形曲线形状有所变化。左右边墙相对收敛位移在断层带中间部位最大,并随倾角增加而增大,75°和90°情况下位移几乎一致。

图13 不同断层带倾角下隧洞左右边墙相对变形曲线Fig.13 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.2 最大主应力

图14为不同断层带倾角条件下,隧洞洞顶、左侧边墙的最大主应力分布曲线。当断层带倾角继续增大,纵向最大主应力基本不变,最大主应力曲线形状变化较小。

图14 不同断层带倾角下隧洞最大主应力曲线Fig.14 Maximum principal stress curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

4.3 纵向内力

隧洞轴向的内力分布曲线如图15所示。对于轴力指标而言,在上下盘的衬砌整体处于受压状态。倾角90°和75°时最大受压位置出现在与断层带交接部位,而在断层带中,衬砌整体处于受拉状态,拉力最大值出现在断层带中央,两者曲线基本一致。倾角60°时,隧洞衬砌整体受压,最大受压值出现在断层带中央,随着倾角增加最大受压值减小,75°和90°时结果几乎一致。

图15 不同断层倾角下隧洞轴力分布曲线Fig.15 Axial force distribution curves of the tunnel under different dip angles of fault zones

5 隧洞轴线与断层走向夹角的影响

当断层倾角为90°,断层宽度为200 m,断层带围岩弹性模量为0.8 GPa,断层错断量为0.2 m,隧洞轴线与断层走向的夹角分别为90°,75°,60°时,研究隧洞变形破坏特性的变化。

5.1 隧洞位移

图16为隧洞轴线与断层带走向夹角不同时隧洞顶部的位移曲线,可见衬砌整体位移基本与断层带错动同步。图17为隧洞左右边墙的相对变形曲线。相对收敛位移在断层带中间部位最大,并随断层走向与隧洞夹角减小而增加。但当断层走向与隧洞轴线夹角继续增大时,相对变形曲线形状将有所变化。

图16 隧洞轴线与断层夹角不同时隧洞洞顶位移曲线Fig.16 Top arch displacement curves of the tunnel under different angles between the tunnel axis and fault zone

图17 不同隧洞轴线与断层走向夹角下左右边墙相对变形曲线Fig.17 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different angles between the tannel axis and foult strike

5.2 最大主应力

图18为不同夹角条件下,隧洞洞顶、左侧边墙的最大主应力分布曲线。当断层带走向与隧洞轴线夹角继续增大,最大主应力值增加,最大主应力曲线形状将有所变化。

图18 不同隧洞轴线与断层夹角下隧洞最大主应力曲线Fig.18 Maximum stress principal curves of the tunnel under different intersect angles between tunnel and fault zone

5.3 纵向内力

隧洞轴向的内力分布曲线如图19所示,对于轴力指标而言,在上下盘的衬砌整体处于受压状态。夹角90°时最大受压位置出现在与断层带交接部位,而在断层带中,衬砌整体处于受拉状态,拉力最大值出现在断层带中央。夹角75°和60°时,隧洞衬砌整体受压,最大受压值出现在断层带中央。

图19 不同隧洞轴线与断层夹角下隧洞轴力曲线Fig.19 Axial force curves of the tunnel under different intersect angles between the tunnel axis and faults fault zones

6 断层带岩体力学参数的影响

当断层与隧洞正交,断层宽度为200 m,断层错断量为0.2 m,断层带围岩弹性模量为0.8,1.5,2.2 GPa时,研究隧洞变形破坏特性的变化。

6.1 隧洞位移

图20为不同断层带弹模条件下,隧洞顶拱的位移曲线。结果显示隧洞基本上整体随断层带变位而移动,断层带弹模变化对隧洞顶拱的位移曲线差异性影响较小。

图20 不同断层带弹模下隧洞洞顶位移曲线Fig.20 Top arch displacement curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

图21为隧洞左右边墙的相对变形曲线。相对收敛在断层带中间部位最大,并随断层带弹模增加而增加。但当断层带弹模继续增大,相对变形曲线形状将有所变化。

图21 不同断层带弹模下隧洞左右边墙相对变形曲线Fig.21 Relative deformation curves of the left and right side walls of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.2 最大主应力

图22给出了不同断层带弹模条件下,隧洞顶拱、左侧边墙的最大主应力曲线。当断层带弹性模量增大时,顶拱纵向最大主应力值增大,弹模1.5 GPa和2.5 GPa情况下最大应力曲线近似一致;左边墙纵向最大主应力值减小,最大主应力曲线形状发生变化。

图22 不同断层带弹模下隧洞最大主应力曲线Fig.22 Maximum principal stress curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

6.3 纵向内力

隧洞轴向内力分布曲线如图23所示,发现弹性模量为1.5 GPa时内力指标值最大,同时断层带弹模增加,曲线形状将有所变化。

图23 不同断层带弹模下隧洞轴力曲线Fig.23 Axial force curves of the tunnel under different elastic modulus of fault zones

7 结 论

本文研究了断层带错动量、断层带走向与隧洞轴线夹角、断层带倾角、断层带宽度、断层带岩体力学参数因素对隧洞衬砌结构变形、纵向大主应力、纵向等效内力的影响。通过参数敏感性分析取得如下结论:

(1) 在走滑断层作用下,衬砌整体位移基本与断层带错动同步,隧洞的相对变形主要表现为左右边墙的相对收敛。相对收敛位移在断层带中间部位最大,并随错断量增加而增加。洞顶、洞底部位的最大主应力出现在断层带中央部位,左右边墙部位最大主应力出现在主动盘与断层带交接部位。

(2) 在断层带中,衬砌整体处于受拉状态,拉力最大值出现在断层带中央。衬砌处于反向对称受弯的状态,最大弯矩位置出现在与断层带交接部位。最大剪力出现在断层带中央部位。对所有内力指标,均可发现其随错断量增加而增加。当断层错动量持续增大,围岩-衬砌体系逐渐进入局部滑移、破坏而非线性特征逐渐体现时,曲线形状发生变化。

(3) 对于断层带走向与隧洞轴线夹角,研究结果总体上支持隧洞断层带走向与隧洞夹角越大,对隧洞衬砌变形受力状态越有利,即隧洞穿越断层带的最佳角度为正交。对于断层带倾角,研究结果总体上支持隧洞断层带倾角越大,对隧洞衬砌变形受力状态越有利,隧洞穿越断层带时与其倾向的最佳角度为正交。

(4) 对于断层带宽度,在相同错动量的前提下,断层宽度越小,对隧洞越不利。对于断层带岩体质量,当断裂带两侧岩体质量条件不变,且错动量不变的前提下,隧洞受到的错动作用随着断裂带岩体质量的提升而更加显著。