罕遇地震隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋技術(shù)

崔光耀，趙瑞華，劉維東，王明年，林國(guó)進(jìn)

（1.北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；3.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041）

罕遇地震隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋技術(shù)

崔光耀1，趙瑞華1，劉維東1，王明年2，林國(guó)進(jìn)3

（1.北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；3.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610041）

為改變隧道洞口段抗震“大震偏弱”的現(xiàn)狀，引入了二襯防垮塌單層配筋抗震技術(shù)，與傳統(tǒng)的雙層配筋抗震技術(shù)相配合，共同進(jìn)行隧道動(dòng)力學(xué)洞口段的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。根據(jù)公路和鐵路隧道現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定，提出了隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋準(zhǔn)則，并利用有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)研究了防垮塌抗震配筋適用范圍，研究結(jié)果表明：設(shè)防烈度7度情況下，洞口淺埋段采用單層配筋抗震技術(shù)，洞口影響過(guò)渡段不需采取抗震設(shè)防措施；設(shè)防烈度8度情況下，洞口淺埋段采用雙層配筋抗震技術(shù)，洞口影響過(guò)渡段采用單層配筋抗震技術(shù)；設(shè)防烈度9度況下，洞口淺埋段和洞口影響過(guò)渡段均采用雙層配筋抗震技術(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。研究成果對(duì)隧道動(dòng)力學(xué)洞口段抗震技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

罕遇地震；動(dòng)力學(xué)洞口段；防垮塌；單層配筋；雙層配筋

我國(guó)隧道大量修建在20世紀(jì)90年代以后，2008年5月12日前尚未經(jīng)受過(guò)破壞性地震的考驗(yàn)。我國(guó)公路和鐵路隧道抗震設(shè)防現(xiàn)行規(guī)范是《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 004－89）和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50111－2006）隧道部分，兩規(guī)范中均規(guī)定隧道洞口淺埋段為抗震設(shè)防地段，通常采用二襯雙層配筋進(jìn)行抗震設(shè)防［1－2］。

汶川地震前，多遇地震或設(shè)防地震情況下隧道震害表明：洞口淺埋段（抗震設(shè)防段）隧道結(jié)構(gòu)無(wú)震害或可維修輕微震害，無(wú)襯砌垮塌或圍巖垮塌等嚴(yán)重震害；普通段隧道基本無(wú)震害［3－4］。

動(dòng)力學(xué)隧道洞口段包括洞口淺埋段（靜力學(xué)洞口段）和洞口影響過(guò)渡段［5－6］。

5.12汶川地震對(duì)我國(guó)隧道進(jìn)行了一次實(shí)實(shí)在在的檢驗(yàn)，在這次地震中首次出現(xiàn)了隧道受到嚴(yán)重破壞的情況，如龍溪隧道F8斷層段出現(xiàn)了圍巖垮塌的嚴(yán)重震害，堵塞了隧道。汶川地震隧道震害表明：罕遇地震情況下，隧道洞口淺埋段由于采取了抗震設(shè)防措施（雙層配筋），二襯僅出現(xiàn)開(kāi)裂、滲水，混凝土剝落、掉塊，施工縫開(kāi)裂等震害，未出現(xiàn)二襯垮塌、圍巖垮塌等嚴(yán)重的震害類(lèi)型；隧道洞口影響過(guò)渡段出現(xiàn)了二襯垮塌的嚴(yán)重震害類(lèi)型，如龍溪隧道洞口影響過(guò)渡段二襯垮塌嚴(yán)重（圖1）［5－8］。

圖1 龍溪隧道洞口影響過(guò)渡段二次襯砌垮塌Fig.1 Secondary lining collapse of Longxi tunnel portal transition section

綜上所述，多遇地震或設(shè)防地震情況下，現(xiàn)行隧道抗震設(shè)防規(guī)范是偏于安全的。罕遇地震情況下，隧道洞口淺埋段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的震害，但未出現(xiàn)二襯垮塌等危害洞內(nèi)人員和車(chē)輛安全的嚴(yán)重震害；隧道洞口影響過(guò)渡段出現(xiàn)了二襯垮塌等危害行車(chē)安全的嚴(yán)重震害。也即現(xiàn)行隧道動(dòng)力學(xué)洞口段抗震處于“大震偏弱”的狀態(tài)，未滿(mǎn)足“大震不垮”的設(shè)防目標(biāo)。為解決這一難點(diǎn)，引入單層配筋抗震技術(shù)，與雙層配筋抗震技術(shù)相配合，共同進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。

單層配筋指僅在二襯臨空面?zhèn)炔贾娩摻睿渥饔弥饕黔h(huán)箍和拉扯震時(shí)碎裂的混凝土塊，盡可能減小震時(shí)二襯垮塌的范圍和程度，保護(hù)洞內(nèi)人員和車(chē)輛的安全。單層配筋與雙層配筋的區(qū)別：?jiǎn)螌优浣钍菢?gòu)造配筋；雙層配筋是受力配筋。單層配筋構(gòu)造示意如圖2所示。

目前，隧道抗震措施主要是加強(qiáng)配筋、提高襯砌混凝土標(biāo)號(hào)及采用新的襯砌材料（如鋼纖維混凝土襯砌）等。國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者［6，9－15］對(duì)隧道抗震技術(shù)的研究，主要集中在設(shè)防地震情況下隧道結(jié)構(gòu)的抗震技術(shù)，而對(duì)罕遇地震情況下隧道結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)研究很少。本文以汶川地震隧道震害為研究背景，采用雙層配筋和單層配筋相配合的抗震配筋技術(shù)，對(duì)罕遇地震情況下隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯結(jié)構(gòu)防垮塌抗震配筋技術(shù)進(jìn)行研究，這對(duì)隧道動(dòng)力學(xué)洞口段抗震技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

圖2 二襯單層配筋示意圖Fig.2 Sketch of second liner monolayer reinforcement

1 防垮塌抗震配筋準(zhǔn)則

我國(guó)公路和鐵路隧道抗震設(shè)防現(xiàn)行規(guī)范對(duì)二襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算要求是一致的，見(jiàn)表1［1－2］。

表1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)Tab.1 Safety factor of structural strength

由表1可知，當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)小于鋼筋混凝土襯砌規(guī)定值時(shí)，需要對(duì)二襯進(jìn)行雙層配筋設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)防地震烈度（設(shè)防烈度）情況下震時(shí)結(jié)構(gòu)安全的設(shè)防目的；當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值之間時(shí)，采用橫向單層配筋結(jié)合現(xiàn)行拱部縱向構(gòu)造配筋方式，確保設(shè)防烈度條件下震時(shí)結(jié)構(gòu)安全的設(shè)防目的，并起到在罕遇地震烈度（罕遇烈度）條件下，防止二襯垮塌，危害震時(shí)洞內(nèi)人員和車(chē)輛安全的目的；當(dāng)二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值時(shí)，不需采取抗震措施進(jìn)行抗震設(shè)防。故動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

表2 二襯防垮塌抗震配筋準(zhǔn)則Tab.2 Aseism ic reinforcement criterion of second liner collapse control

2 工程案例分析

2.1 計(jì)算模型

為了分析隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯結(jié)構(gòu)防垮塌抗震配筋（雙層配筋和單層配筋）適用范圍，利用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行三維動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析。計(jì)算模型以龍溪隧道汶川端為背景進(jìn)行建模，長(zhǎng)為250m，高為160 m，縱向長(zhǎng)度為100 m。初支為C20噴射混凝土，厚20 cm；二襯為C25模注混凝土，厚40 cm。如圖3～4所示［5］。

計(jì)算模型洞口段坡度為35°，覆蓋層厚30 m，Ⅴ級(jí)圍巖。硬巖為IV級(jí)圍巖，基巖為Ⅱ級(jí)圍巖。計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physico-mechanical parameters ofm odel

圖3 計(jì)算模型示意圖（單位：m）Fig.3 Sketch of calculationmodel（unit：m）

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Computation model

2.2 動(dòng)力邊界及阻尼

計(jì)算模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，動(dòng)力邊界采用自由場(chǎng)邊界。阻尼采用Rayleigh阻尼，Rayleigh阻尼主要包括體系的基頻ωmin和臨界阻尼比ξmin。由模態(tài)分析計(jì)算可知，基頻ωmin為6.4 Hz；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，臨界阻尼比ξmin取為0.05。

2.3 計(jì)算工況及地震動(dòng)參數(shù)

多遇地震烈度（多遇烈度）為建筑所在地區(qū)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)出現(xiàn)頻度最高的烈度，超越概率為63.2%，為抗震設(shè)防第一水準(zhǔn)烈度，也稱(chēng)小震烈度，重現(xiàn)期為50年。設(shè)防烈度在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率約10%，為抗震設(shè)防第二水準(zhǔn)烈度，也稱(chēng)中震烈度，重現(xiàn)期為475年。罕遇烈度在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為2%～3%，為抗震設(shè)防第三水準(zhǔn)烈度，也稱(chēng)為大震烈度，重現(xiàn)期約為2000年。根據(jù)概率分布分析，設(shè)防烈度比多遇烈度大1.55度，罕遇烈度比設(shè)防烈度大1度［6，10］。

研究隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯結(jié)構(gòu)防垮塌抗震配筋適用范圍的計(jì)算工況可見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算工況Tab.4 Calculation condition

地震動(dòng)參數(shù)選用5.12汶川8.0級(jí)地震臥龍測(cè)站地震波，時(shí)間間隔為0.005 s，計(jì)算選用地震波持時(shí)為40 s（截取了能量占原始波90%以上的5～45 s原波）。按8、9、10度烈度標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)地震波加速度時(shí)程進(jìn)行基線(xiàn)校正，如圖5所示（以9度為例）。

圖5 加速度時(shí)程曲線(xiàn)Fig.5 Acceleration-time curve

2.4 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

計(jì)算模型由洞外向洞內(nèi)布置了間隔距離為10 m的監(jiān)測(cè)斷面，共20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（圖6），每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖7）。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.6 Arrangement of testing section

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.7 Arrangement ofmeasuring point

3 防垮塌抗震配筋適用范圍

3.1 設(shè)防烈度7度

提取每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的軸力和彎矩時(shí)程曲線(xiàn)，計(jì)算出每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各測(cè)點(diǎn)的最小安全系數(shù)時(shí)程曲線(xiàn)，挑選出每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)的最小值，繪制各監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)最小值沿隧道縱向分布圖，如圖8～9所示。

圖8 受拉控制（設(shè)防烈度7度）Fig.8 Tension control（7degree seismic intensity）

圖9 受壓控制（設(shè)防烈度7度）Fig.9 Compression control（7degree seismic intensity）

由圖8～9可知，設(shè)防烈度7度條件下，距離洞口約45m范圍內(nèi)（1.125倍淺埋段長(zhǎng)度）襯砌動(dòng)力安全系數(shù)介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值之間，需使用單層配筋抗震措施。大于45 m，襯砌不需采取抗震設(shè)防措施。

3.2 設(shè)防烈度8度

設(shè)防烈度8度時(shí)，各監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)最小值沿隧道縱向分布，如圖10～11所示。

圖10 受拉控制（設(shè)防烈度8度）Fig.10 Tension control（8degree seismic intensity）

圖11 受壓控制（設(shè)防烈度8度）Fig.11 Compression control（8degree seismic intensity）

由圖10～11可知，設(shè)防烈度8度條件下，距洞口43m范圍內(nèi)（1.075倍淺埋段長(zhǎng)度）襯砌安全系數(shù)小于鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值，需采用雙層配筋抗震措施；距洞口43m至118m范圍內(nèi)（1.075～2.95倍淺埋段長(zhǎng)度）襯砌動(dòng)力安全系數(shù)介于鋼筋混凝土和素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值之間，需使用單層配筋抗震措施，這個(gè)范圍約等于1.875倍淺埋段長(zhǎng)度，這與隧道洞口影響過(guò)渡段范圍基本一致（過(guò)渡段長(zhǎng)度約為淺埋段長(zhǎng)度的1～2倍）。大于118m，襯砌不需采取抗震設(shè)防措施。

3.3 設(shè)防烈度9度

設(shè)防烈度9度時(shí)，各監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)最小值沿隧道縱向分布，如圖12～13所示。

圖12 受拉控制（設(shè)防烈度9度）Fig.12 Tension control（9 degree seismic intensity）

圖13 受壓控制（設(shè)防烈度9度）Fig.13 Compression control（9 degree seismic intensity）

由圖12～13可知，設(shè)防烈度9度條件下，距洞口115m范圍內(nèi)（2.875倍淺埋段長(zhǎng)度）襯砌安全系數(shù)小于鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)規(guī)定值，需采用雙層配筋抗震措施，這個(gè)范圍基本包含了隧道洞口淺埋段和洞口影響過(guò)渡段。即設(shè)防烈度9度條件下，可對(duì)隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯采用雙層配筋抗震措施進(jìn)行設(shè)防。

3.4 適用范圍

綜合考慮抗震設(shè)防的安全性及施工方便性，隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋適用范圍見(jiàn)表5。

表5 二襯防垮塌抗震配筋適用范圍Tab.5 Aseism ic reinforcement scope of second liner collapse control

4 結(jié) 論

（1）首次提出了隧道二襯防垮塌單層配筋抗震技術(shù)。單層配筋屬構(gòu)造配筋，主要作用是環(huán)箍和拉扯震時(shí)碎裂的混凝土塊，盡可能減小震時(shí)二襯垮塌的范圍和程度，保護(hù)洞內(nèi)人員和車(chē)輛的安全。

（2）提出了隧道動(dòng)力學(xué)洞口段二襯防垮塌抗震配筋準(zhǔn)則并確定了適用范圍。設(shè)防烈度7度情況下，洞口淺埋段采用單層配筋抗震技術(shù)，洞口影響過(guò)渡段不需采取抗震設(shè)防措施；設(shè)防烈度8度情況下，洞口淺埋段采用雙層配筋抗震技術(shù)，洞口影響過(guò)渡段采用單層配筋抗震技術(shù)；設(shè)防烈度9度情況下，洞口淺埋段和洞口影響過(guò)渡段均采用雙層配筋抗震技術(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。

（3）通過(guò)采用雙層配筋和單層配筋相配合的抗震配筋技術(shù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)行隧道動(dòng)力學(xué)洞口段抗震“大震偏弱”的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“小震不壞，中震可修，大震不垮”的設(shè)防目標(biāo)。

致謝 研究成果已應(yīng)用于廣甘高速杜家山隧道洞口試驗(yàn)段，成果應(yīng)用過(guò)程中得到了四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院隧道處的大力支持，在此表示衷心的感謝！

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Aseism ic reinforcement technology for a dynamic portal section under rare earthquake

CUIGuang-yao1，ZHAO Rui-hua1，LIUWei-dong1，WANGMing-nian2，LIN Guo-jin3
（1.College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China；
2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；
3.Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Sichuan Provincial Communications Department，Chengdu 610041，China）

In order to improve weaker aseismic behavior of a tunnel structure’s fault rupture zone under large earthquakes，the monolayer reinforcement aseismic technology for the second liner collapse control was proposed cooperating with the traditional double reinforcement aseismatic technology.The aseismic design of a tunnel dynamic portal section was performed.According to the regulations of highway and railway tunnel current aseismic code，the rules of tunnel portal section second liner collapse control aseismic reinforcement were presented，and the finite difference numerical simulation technologywasused to study the application scope of collapse prevention aseismic reinforcement.The results showed that themonolayer reinforcement aseismic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，the tunnel portal effect transition section needs not to take the aseismic fortification measures under 7 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section，and themonolayer reinforcement aseismatic technology is taken on the tunnel portal effect transition section under 8 degree earthquake intensity；the double-layer reinforcement aseismatic technology is used for the tunnel portal shallow buried section and the tunnel portal effect transition section under 9 degree earthquake intensity.These resultswere significant for the development of dynamic portal section aseismatic technology.

rare earthquake；dynamic portal section；collapse control；monolayer reinforcement；double-layer reinforcement

U45；TU47

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.034

國(guó)家自然科學(xué)基金（51408008）；西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200831800026）；西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（200831800098）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（SWJTU10XS05）

2013－08－07 修改稿收到日期：2013－11－21

崔光耀男，博士，講師，1983年生