強(qiáng)震區(qū)跨斷層隧道減震縫減震技術(shù)研究

涂 瀚 倪嵩陟 左奎現(xiàn)

(1.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司， 南寧 530003; 2. 北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144)

隨著我國隧道交通工程的快速發(fā)展，在其選址時(shí)不可避免地會(huì)穿越斷層破碎帶，而這些斷層地區(qū)往往出現(xiàn)在高烈度地震區(qū)。地震時(shí)，跨斷層隧道結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重破壞，造成圍巖垮塌、二襯破壞等嚴(yán)重震害，因此，跨斷層隧道的抗減震技術(shù)問題受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注[1-3]。

目前，國內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)跨斷層隧道的抗減震技術(shù)進(jìn)行了部分研究，主要有：設(shè)置不同減震縫間距減震效果的計(jì)算分析[4-7]；高烈度地震區(qū)隧道設(shè)置減震層減震措施、減震效果的研究[8-10]；跨斷層隧道設(shè)置常規(guī)抗減震措施研究[11]等。以上研究主要集中在設(shè)置減震層和二襯結(jié)構(gòu)設(shè)置減震縫等方面，而對(duì)初支和二襯均設(shè)置減震縫技術(shù)方面的研究較少。因此，本文依托某鐵路隧道穿越F6-6斷層段，利用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件對(duì)初支和二襯均設(shè)置減震縫技術(shù)的減震性能進(jìn)行研究。研究成果可為類似跨斷層隧道的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)提供參考。

1 隧道斷層段概況

1.1 地質(zhì)條件

隧道位于四川省青川縣騎馬鄉(xiāng)與觀音店鄉(xiāng)交界地段，斷層為壓性逆斷層，受斷層和巖性影響，場(chǎng)地內(nèi)出現(xiàn)次級(jí)斷裂,節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

F6-6斷層隧道在K 22+780～K 24+630段存在絹云母千枚巖、碎塊巖等巖體，該處韌性剪切帶寬度最寬可達(dá)10 m，圍巖整體性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，圍巖等級(jí)為V級(jí)。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面為五心圓馬蹄形，隧道跨度為12.54 m，高度為9.79 m；隧道初支采用C25噴射混凝土，初襯厚度為30 cm，二襯采用鋼-玄武巖混雜纖維混凝土(SBHFRC)，厚度為40 cm。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以某隧道F6-6斷層為研究背景，建立計(jì)算模型，本構(gòu)模型為彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。模型寬90 m，仰拱以下高55 m，拱頂埋深最高處55 m，最低埋深22 m，隧道縱向長度為75 m，斷層厚度為1 m，位于隧道中間部位，斷層傾角約為75°。模型底部采用剛性地基模擬地下條件并傳導(dǎo)地震波，故在模型底層處另增加10 m基巖，減震縫施設(shè)在初支和二襯結(jié)構(gòu)，間距為12 m。靜力分析時(shí)模型的邊界條件為下邊界與四周邊界全約束，上邊界無約束。動(dòng)力分析時(shí)，模型各水平方向施加自由場(chǎng)邊界，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

以實(shí)際地勘資料及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得到模型的計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

2.4 動(dòng)力參數(shù)

選用自由場(chǎng)邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算阻尼選用局部阻尼，局部阻尼系數(shù)為0.157 1。采用常規(guī)動(dòng)力加載方式，將三個(gè)方向(x，y，z)的地震波同時(shí)通過模型底部向上部結(jié)構(gòu)傳遞。地震波選取汶川地震加速度波(臥龍測(cè)站)，按8度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)時(shí)間為15 s。利用濾波軟件進(jìn)行濾波和基線校正，處理后的地震波加速度時(shí)程曲線，如圖2所示。

圖2 加速度時(shí)程曲線

2.5 監(jiān)測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布置

模型以中間斷層為分界，上盤、下盤各5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面布置如圖3所示。上盤監(jiān)測(cè)斷面分別為P10、P11、P12、P13、P14。由于越靠近斷層位置，隧道襯砌內(nèi)力分布越復(fù)雜，變化程度越快，規(guī)律性降低，所以靠近斷層處的監(jiān)測(cè)面布置相對(duì)密集，遠(yuǎn)離斷層處的監(jiān)測(cè)面布置相對(duì)稀疏，模型邊界附近不設(shè)置監(jiān)測(cè)面。

圖3 監(jiān)測(cè)斷面布置示意圖(m)

提取各監(jiān)測(cè)斷面二襯結(jié)構(gòu)的拱頂、左拱腰、左邊墻、左拱腳、右拱腰、右邊墻、右拱腳、仰拱等8個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行減震效果分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 減震效果分析

3.1 主應(yīng)力分析

提取隧道最不利時(shí)刻的最大主應(yīng)力(以拱頂為例)，分析地震作用對(duì)跨斷層隧道縱向結(jié)構(gòu)的影響，如圖5所示。

圖5 最大主應(yīng)力縱向分布圖

由圖5可知，3種工況整體趨勢(shì)基本相同，以斷層處為原點(diǎn)，距離斷層越遠(yuǎn)最大主應(yīng)力峰值越小，且靠近斷層處變化快，遠(yuǎn)離斷層處變化平緩。僅在上盤位置，無設(shè)縫工況在靠近斷層處最大主應(yīng)力出現(xiàn)極小情況。

從數(shù)值上分析，無設(shè)縫工況最大主應(yīng)力峰值為8.15 MPa，常規(guī)設(shè)縫工況為8.69 MPa，交錯(cuò)設(shè)縫為8.72 MPa。相比無設(shè)縫工況，常規(guī)設(shè)縫工況上升了6.6%，交錯(cuò)設(shè)縫工況上升了7.0%。

3.2 內(nèi)力分析

由最大主應(yīng)力分析可知，距離斷層越近，隧道結(jié)構(gòu)的安全性越差，因此，提取靠近斷層附件的P10、P20斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩及安全系數(shù)，并計(jì)算其減震效果。

3.2.1 軸力

各工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力如圖6所示。

圖6 主要監(jiān)測(cè)面軸力圖(kN)

由圖6可知，下盤位置無設(shè)縫工況左、右拱肩軸力較大，最大值為 2 967 kN，常規(guī)設(shè)縫與交錯(cuò)設(shè)縫軸力值最大值均在右邊墻處，分別為 2 792 kN(常規(guī)設(shè)縫工況)和 2 669 kN(交錯(cuò)設(shè)縫工況)。

上盤處，無設(shè)縫工況左、右拱腳處軸力值較大，最大值為 6 030 kN；常規(guī)設(shè)縫工況與交錯(cuò)設(shè)縫工況左、右拱肩軸力也較大，但最大值均在左邊墻處，分別為 2 749 kN(常規(guī)設(shè)縫工況)和 3 162 kN(交錯(cuò)設(shè)縫工況)。

從整體數(shù)值上看，使用減震措施后的隧道襯砌軸力值大部分位置有一定程度降低。相比未設(shè)縫工況，軸力最大值上盤常規(guī)設(shè)縫工況降低了54.4%，交錯(cuò)設(shè)縫降低了47.6%；下盤位置常規(guī)設(shè)縫工況降低了5.9%，交錯(cuò)設(shè)縫工況降低了10.0%。

3.2.2 彎矩

各工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)的彎矩如圖7所示。

圖7 主要監(jiān)測(cè)面彎矩圖(kN·m)

由圖7可知，上盤處，無設(shè)縫工況彎矩最大值出現(xiàn)在左、右拱腳，值為71.9 kN·m。常規(guī)設(shè)縫工況與交錯(cuò)設(shè)縫工況分布趨勢(shì)基本相同，均在左拱肩處出現(xiàn)較大彎矩，分別為41.8 kN·m和40.9 kN·m，分別降低了41.9%和43.1%。

下盤位置，3種工況彎矩分布基本相同，彎矩較大處均在拱頂、右拱肩、右邊墻，其中拱頂處最大，無設(shè)縫、常規(guī)設(shè)縫工況與交錯(cuò)設(shè)縫的最大值分別為-71 kN·m、-54.4 kN·m、-52.8 kN·m，相比未設(shè)縫,常規(guī)設(shè)縫工況與交錯(cuò)設(shè)縫分別降低了23.4%和25.6%。

3.2.3 安全系數(shù)

各工況監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最小安全系數(shù)，如圖8所示。

圖8 主要監(jiān)測(cè)面最小安全系數(shù)

由圖8可知，無設(shè)縫工況在上盤的P10斷面左、右拱腳處安全系數(shù)極低，分別為1.6和1.8，在下盤除仰拱位置較高外，其余部位安全系數(shù)均較低，在左、右拱肩處最低為3.2。設(shè)置減震縫后，隧道各部位安全系數(shù)均有不同程度提高，仰拱處仍保持較高的安全系數(shù)。常規(guī)設(shè)縫工況上、下盤安全系數(shù)最小值分別為3.5和3.4；交錯(cuò)設(shè)縫工況上、下盤安全系數(shù)最小值均為3.6。設(shè)置減震縫后，隧道上盤最大減震效果分別增大了54.3%、55.6%；隧道下盤最大減震效果分別增大了5.9%、11.1%。

4 結(jié)論

(1)從隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力、內(nèi)力分析可知，上盤受地震作用的影響大于下盤。

(2)施設(shè)減震縫后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力值、彎矩值均有一定程度的降低，交錯(cuò)設(shè)縫的降低程度大于常規(guī)設(shè)縫；隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)明顯增大，交錯(cuò)設(shè)縫的增大程度大于常規(guī)設(shè)縫。

(3)綜上可知，施設(shè)減震縫可提高跨斷層隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，交錯(cuò)設(shè)縫的減震效果優(yōu)于常規(guī)設(shè)縫，故推薦使用交錯(cuò)設(shè)縫作為跨斷層隧道的減震技術(shù)。