地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo tM i n i n g8 LT e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号i 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 1 0 0 4 10 4 地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析 许增会1 ，宋宏伟1 ，赵坚“2 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．新加坡南洋理工大学土木环境工程学院，新加坡6 3 9 7 9 8 摘要利用A N S Y S 软件的谱分析，研究了地震对隧道围岩稳定性的影响规律，得出在不同岩 性、跨度、地震波的类型情况下地震作用对隧道围岩产生拉应力和位移的特征，指出围岩的位移 差异是破坏衬砌的主要原因，提出隧道支护应注意的问题，定量解释了大量调查资料中地震破坏 隧道现象的成因． 关键词地下工程；地震；围岩稳定性；数值分析；A N S Y S 中图分类号T D3 2 5文献标识码A N u m e r i c a lA n a l y s i so fS t a b i l i t yo fT u n n e l S u r r o u n d i n gR o c k sU n d e rE a r t h q u a k e X UZ e n g h u i l 。S O N GH u n g w e i l ，Z H A OJ i a n l ’2 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a } 2 ．S c h o o lo tC i v i la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g tN a n y a n gT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y ，S i n g a p o r e6 3 9 7 9 8 A b s t r a c t B yu s i n gt h es p e c t r u ma n a l y s i so fA N S Y S ，t h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k sw a s s t u d i e d ．T h ec h a r a c t e ro f t e n s i l es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tw e r eo b t a i n e di nd i f f e r e n tr o c kq u a l k y ， s p a na n dt y p eo fe a r t h q u a k ew a v e s ．T h er e s e a r c hs h o w st h ep r i n c i p a lr e a s o no fd a m a g ei nt u n n e l si s t h e d i f f e r e n td i s p l a c e m e n ti nv a r i e ds u r r o u n d i n gr o c k s ．T h ea t t e n t i o nt os o m ep r o b l e m sw a s p r o p o s e di nt h et u n n e ls u p p o r t ．T h ec a u s eo ff o r m a t i o n0 ft u n n e ld a m a g ew a se x p l a i n e di nq u a n t i t y o nt h eb a s i so ft h ei n v e s t i g a t i v ei n f o r m a t i o n ． K e yw o r d s u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ；e a r t h q u a k e ；s t a b i h t yo fs u r r o u n d i n gr o c k s ；n u m e r i c a l a n a l y s i s ；A N S Y S ． 地下工程的大规模兴建和地震的频发，使得地 震对地下工程影响的研究在近几十年得到了很大 的发展．无论就世界范围，还是就我国的具体情况， 该问题的研究都具有重要的现实意义[ “．尤其随着 我国西部大开发的进行，西部强震频发地区将要兴 建的水利、交通隧道、巨型水电站以及南水北调等 工程所处地质条件非常复杂，工程本身事关国计民 生，耗资巨大，防灾防震非常必要．而现在所用的抗 震分析方法主要是原型观测，模型实验和理论计 算．前两种方法花费巨大，取数困难，理论计算又有 太多的简化和假设，很难全面反映工程结构实际的 地震响应．数值方法以其花费小，精度高，能模拟复 杂介质和边界，在问题研究和工程计算中广泛应 用． 数值方法中，有限元法是迄今最为成熟的一 种，有很多大型的分析程序．A N S Y S 是其中的一 种，其功能强大、灵活．有I S 0 9 0 0 1 1 9 9 4 认证，是 世界上最好的通用数值软件之一[ 2 ] ．本文利用 A N S Y S 提供的静力学分析、模态分析以及响应谱 分析，研究地震对隧道围岩稳定性的影响规律． 收稿日期2 0 0 3 0 4 2 3 基金项目，国家9 7 3 基金项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 3 作者筒开；许增会 1 9 7 9 一 男，河北省廊坊市人，中国矿业大学硕士研究生，从事岩石动力学与地下工程的稳定性方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 1 模拟方案及过程 1 ．1 模型及模拟方案 考虑当前隧道的平均埋深，取埋深为5 0m ，左 右和下边界到洞室中心距离5 倍于隧洞半径，上边 界为自由地面． 为反映岩性、跨度、地震波类型对隧道围岩稳 定的影响规律，采用正交实验法安排模拟计划o ] ． 正交实验见表1 ，岩石参数见表2 ． 衷1 正交实验表及结果 T a b l e1T h et a b l eo fn o r m a le x p e r i m e n ta n dr e s u l t 表2 岩石参数 T a b l e2T h er o c k s ’p a r a m e t e r s 岩石弹性G 触P a7 泊松比嚣稳糟糕 。妻娶，， 砂岩1 20 ．2 044 525 0 0 花岗岩 7 50 ．2 51 61 7 526 0 0 1 ．2 人工边界 隧道周围的地层是一个无限域，波在地层中传 播属无限介质问题．但是有限元法求解时需要简化 为在有限区域内的问题，因此引入人工边界，使地 震波在边界上不产生反射，从而避免渡在边界上的 反射效应引起的偏差．在这一领域的研究结果有很 多，有许多人工边界的数学模型，本文采用如下的 模型 考虑从均匀、各向同性无限域中的平面线源射 出的柱面波，平面位移“满足如下运动微分方程 磐；，一1 i a r 宅 ． 1 ，一L 、， ，、1 ， O rl啊dr 经过推导、求解、简化，得到人工边界上的剪切 应力 m ∽一一券础∞一P c 型未必， 2 式中r 为以波源为原点的径向坐标；c 为波速，r 产／P “5 } 产，P 分别为介质的剪切模量和质量密度． 此种人工边界具有清晰的物理意义，它相当于 在人工边界上同时设置阻尼器和弹簧，其中，雕相 当于阻尼系数，￡相当于弹簧的刚度系数“] ． 利用式 2 ，参考表1 数据，考虑我国发生的绝 大部分地震属于浅源地震，一般深度为5 ～4 0k m ， 偏于安全，取r 1 0 0k m ．分别计算出花岗岩、砂岩 的人工边界的阻尼系数和弹簧刚度系数，利用 A N S Y S 中提供的c o m b i n e l 4 单元，输入计算出的 参数，施加在对应围岩的边界上，即形成了一种人 工边界，从而也构成了计算模型的边界条件．此外， 长大隧道按平面应变理论，z 方向施加约束，使 “，一0 ． 引人人工边界条件后的计算模型如图1 _ 图1 计算模型 F i g ．1 T h ec a l c u l a t i n gm o d l e 1 ．3 地震作用的模拟 根据建筑抗震设计规范} G B J l l - 8 9 选用地 震响应系数曲线作为设计参数，其中按地震类别为 多遇地震、基本烈度为8 度、场地条件为I 类，选取 最大影响系数“ 0 ．1 6 ，特征周期L 0 ．2 5s F “．假 设地震波垂直模型底部向上传播，取横波和纵波两 种单独施加．地震响应系数曲线如图2 ． 02 0 慈0 1 5 垂0 , 1 0 篓。0 5 00 1 孔l 2 34 周期玎s 图2 地震响应蓝线 F i g ．2 T h ec u r v eo fe a r t h q u a k er e s p o n s ec o e f f i c i e n t 1 ．4 模拟求饵过程 A N S Y S 模拟的计算顺序为重力载荷解，模 态分析，谱分析．提取前5 0 阶模态，取显著系数为 0 ．0 1 ，按S R S S 法做振形叠加． 2 计算结果及分析 2 ．1围岩第一主应力变化规律 图3 是仅重力载荷下和地震时洞周第一主应 力的对比曲线．虚线和实线分别代表仅重力作用和 有地震作用时的应力．图中的横坐标距离是取洞周 边左下角为起点、顺时针旋转一周的周长．对71 2 1 跨度，距离o ～5m 是左直墙，5 ～1 3m 是拱区，1 3 ～1 8m 是右直墙，1 8 ～2 5m 是洞底边；对1 5m 跨 万方数据 第1 期许增会等地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析 度，距离0 ～l o ，1 0 ～2 7 ．5 ，2 7 ．5 ～3 7 ．5 ，3 7 ．5 ～ 5 2 ．5m 是上述的对应区域． { ；| 悖睁；鬟- I , U 盼。；j ；{ | 睁 o 。 距离／。 。1o 。 距离／m州．．。[距离，m刊；【 距离／k 明显的看出，仅在重力作用下，洞周以压应力 为主，仅洞室底边产生了拉应力，即通常的底鼓作 用．而在地震作用下，洞周绝大部分变成拉应力．横 波作用下，在洞左下角及拱顶附近产生最大拉应 力，可达1M P a ，而在纵波作用下，最大拉应力产生 在洞底边，可达0 ．5M P a ，但是都没有超过岩石的 抗拉强度．不过对节理将会产生张开和错动． 这与实际情况相对应．现有资料未见有隧道结 构经受严重震害的报道，发生较轻的震害则较多． 例如1 9 8 3 年5 月1 9 日震中距上海市1 5 0k m 以外 的洋面上发生里氏6 级地震时，上海市打浦路管片 隧道里出现了5 条可见裂缝，泥水挤漏人隧道与竖 井的结合部，经及时堵塞，才未构成祸患．19 9 5 年 阪神地震中，神户市部分隧道也出现裂纹和剥落等 程度较轻的破坏口] ． 图4 是洞室附近的主应力分布情况。可以看 出，对围岩的拉伸作用向外延伸，随着距离增大而 衰减． 的方案1坼方睾20方寨，卿方案4 图4 第一主应力分布 F i g ．4 T h ed i s t r i b u t i o no ft h ef i r s tp r i n c i p a ls t r e s s 2 ．2 地震时围岩位移的变化规律 地震作用下洞室周边总位移的改变，是洞室附 近岩石应力引起形变的累计结果，其分布规律与洞 边应力分布不尽相同，见图5 ．但最大位移仍然发 生在拱顶附近及洞室底边，最大的可达7 ．6m m ． 位移分量在x 轴方向很小，4 个模拟方案中最大的 x 方向位移分量仅为0 ．8m m ，可以看出两侧无限 岩体对洞室侧向位移有很强的约束作用，地下结构 的抗震能力要好于地上结构．由于x 方向的位移 很小，所以y 方向位移在方向上改变较小，其位移 4 i 3 稿2 嚣， 0 距离／m 吣方案】 星 i 规律和总位移相同．洞室的变形 位移放大20 0 0 倍 见图4 ． 地震作用下不同岩体位移有显著的差别，砂岩 的位移最大达8m m ，而花岗岩只有1 ．3m m ．围岩 性质改变处的位移差别将引起隧道衬砌的附加弯 拉和剪切应力，引起衬砌的破坏．这与实际情况也 是相符的．从阪神地震情况看，隧道震害主要发生 在存在破碎带的地层中，R O K K O 隧道的震害位置 就与破碎带位置有关系口] ． 0 4 蕃 蹿0 1 05 01 0 0 0l O2 03 0 距离／m 距离，m b 方案2 c 方案3 图5 总位移曲线 F i g ．5 T h ec u r v e so ft o t a ld i s p l a c e m e n t l5 i 。 距离／m { d 方案4 ∞自、R谢州 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 2 ．3 地震对围岩应力和位移的影响规律 分析岩性、跨度，波的类型对洞边平均第一主 应力、平均y 方向位移的影响规律，按正交实验分 析数据的方法．得到表3 ，4 ． 表3 平均第一主应力规律 T a b l e3T h e l a wo ft h ea v e r a g ef i r s tp r i n c i p l es t r e s s 表4 平均y 方向位移规律 T a b l e4T h el a wo ft h ea v e r a g eH ，d i s p l a c e m e n t 从正交表可以看出，波的类型对应力变化的影 响最大，横波比纵波更容易引起围岩较大的拉应 力；岩性和跨度对应力的影响程度相同．其中岩性 稍差的砂岩引起了更大的拉应力；7m 跨度引起的 拉应力较1 5m 的大是因为在地震作用之前，重力 在洞室周边已经作用了压应力，相当于“预压应 力”，而1 5m 跨度时的预压应力大于7m 跨度，更 多的抵消了地震作用产生的拉应力． 在对位移的影响中，岩性的影响最大，跨度的 影响其次，波的类型最小．因此岩性差、洞室跨度大 的情况，地震更容易引起围岩较大位移．其中砂岩、 1 5m 跨度和纵波的组合将引起最大的竖向位移． 由于方向位移分量的微小，总位移的规律等同于 “，位移． 3 隧道抗震设计应注意问题 1 防止局部围岩的裂缝和跨落． 实际围岩存在大量的弱面和节理，地震产生的 拉应力尽管没有达到岩石的抗拉强度，但是，地震 引起的拉应力会使弱面、节理错动分离而引起围岩 的裂缝和冒落．对策是在地震拉应力大的拱顶、弱 面集中等地方加强支护．除用锚杆外，使用抗拉好 的钢纤维混凝土，加金属网． 2 支护好隧道围岩力学性质变化较大处． 如前面所述，地震引起不同围岩相交处的位移 差别将导致隧道衬砌的附加弯拉和剪切，引起隧道 支护结构的破坏．对策是处理好不良地基，岩性变 化处在衬砌设置弹性接头， 4 结论 1 受无限域围岩约束作用，地震作用引起水 平方向的位移很小．这是地下工程结构抗震性能比 地上工程结构好的主要原因． 2 由于隧道围岩中原有的压应力．常见的8 度烈度地震作用在隧道围岩中引起的拉应力一般 不超过岩石的抗拉强度，所以不致引起完整围岩失 稳，但是可能造成非连续岩体在弱面处发生破坏． 采用金属网等加强支护是抗震设计的有效措施之 3 地震作用引起不同岩性的围岩位移差别是 造成隧道衬砌在不同交界面处破坏的主要原因之 一．抗震设计时应处理好地基和采用弹性接头等措 施． 4 岩性差、洞室跨度大的情况下，地震更易引 起围岩较大位移． 5 地震横波比纵波更容易引起围岩较大的拉 应力． 参考文献 [ 1 ] 阎盛海．地下结构抗震[ M ] ．大连大连理工大学出 版社，1 9 8 9 ． [ 2 ] 宋宏伟．地下工程非连续岩体锚圊稳定性的研究 ∞] ．徐州中国矿业大学建筑工程学院，2 0 0 2 ． [ 3 ] 任露泉．试验优化技术[ M ] ．北京机械工业出版社， 1 9 8 7 ． [ 4 ] 廖振鹏．工程波动理论导论 第二版 [ M ] ，北京科 学出版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 郭继武．建筑抗晨设计[ M ] ．北京高等教育出版社， 1 9 9 0 ． E 6 ] 郑永来，杨林德．地下结构震害与抗震对策[ J ] ．工程 抗震，1 8 9 9 4 2 4 2 7 ， [ 7 ] D o w d i n gCH ，R o t e nA ．D a m a g et or o c kt u n n e l s f r o me a r t h q u a k es h a k i n g [ J ] ．P r o c A S C E ．1 9 7 8 1 0 4 1 7 4 1 8 9 ． 责任编辑王玉浚 万方数据