大型地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究

李文倩， 王 飛， 王乾偉， 朱曉斌， 王 振， 佟大威

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072)

大型地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究

李文倩， 王 飛， 王乾偉， 朱曉斌， 王 振， 佟大威

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072)

開展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究在實際的工程應(yīng)用中具有非常重要的意義。然而針對目前地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究十分匱乏的情況。文章基于地震災(zāi)害風險并結(jié)合地下洞室群空間分布特征及行業(yè)特點，分析了襯砌支護措施對于地下洞室群結(jié)構(gòu)的抗震效果影響，闡述了不同襯砌厚度條件下的洞室結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律；采用Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑當量長度法，提出了地下洞室檢修人員處于最不利位置時的應(yīng)急疏散路徑；針對非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫、破碎巖體脫落及洞室坍塌性破壞等不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度，深入研究了不同的修復措施與方案。

地下洞室； 地震； Dijkstra法； 應(yīng)急疏散路徑； 防災(zāi)減災(zāi)對策

我國水電工程中地下洞室群的應(yīng)用及分布范圍廣泛，突發(fā)地震對于地下洞室群易造成巨大的經(jīng)濟損失及人員傷亡，開展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究具有必要性和緊迫性。國內(nèi)外針對突發(fā)事件的應(yīng)急管理對策研究具有較好的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)，在水利水電工程領(lǐng)域中，高建國[1]總結(jié)了水庫險情主要案例并提出了水庫險情的基本防治對策。王華[2]對震損水庫的應(yīng)急搶險和恢復重建提出了具體指導意見和措施。黃凌[3]進行了公明水庫潰壩的數(shù)值模擬與應(yīng)急對策研究。

在道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究中，如Celine Thevenaz[4]研究了在交通系統(tǒng)大面積受損情況下，如何在應(yīng)急時限內(nèi)合理安排道路的搶修時序。吳青[5]研究了地震災(zāi)害下應(yīng)急物資車輛的決策調(diào)度方法。針對城市及農(nóng)村領(lǐng)域研究較多，如Izadkhah Y O[6]、Hosseini M[7]、呂景勝[8]等人分別從地震應(yīng)急決策及應(yīng)急救援等方面進行了研究。而在其他領(lǐng)域研究中，如Milton Steinman[9]研究了海地地震發(fā)生后整個太子港地區(qū)的應(yīng)急救援協(xié)調(diào)機制。Ishii T[10]重點分析了2011年3月日本地震時石卷市醫(yī)療體系的應(yīng)急響應(yīng)流程、避難所的應(yīng)急評估等研究內(nèi)容。

綜上所述，國內(nèi)外在道路交通、城市等領(lǐng)域的地震災(zāi)害預防、地震應(yīng)急管理和震后修復重建等領(lǐng)域取得了眾多的研究成果，為我國抗震研究及地震應(yīng)急響應(yīng)指揮提供了重要基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支持，然而缺乏水利水電工程領(lǐng)域的地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究，尤其匱乏關(guān)于地下洞室群的地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究，而地下洞室群相較于水庫具有復雜的地層、斷層、軟弱夾層及大量節(jié)理裂隙等構(gòu)成的復雜地質(zhì)體，開展地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究具有重要的理論和實際意義。

一、 地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究框架

從地震應(yīng)急決策管理與災(zāi)后救援的角度出發(fā)，以大型地下洞室群地震災(zāi)害為研究對象，研究并分析了震前地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果、地下洞室群震中應(yīng)急疏散路徑及地下洞室的震后修復措施，地下洞室群地震防災(zāi)減災(zāi)對策研究框架(見圖1)，研究成果可為大型地下洞室群地震災(zāi)害應(yīng)急與對策管理提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

二、 地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果分析

1. 動力響應(yīng)模擬

采用Hilber- Hughes-Tayor算法對非線性結(jié)構(gòu)模型進行動力數(shù)值求解。在t,t+Δt時刻，動力學平衡方程為

(1)

(2)

為使結(jié)構(gòu)體系在t,t+Δt時刻的達朗伯力[M]{ü}t與t,t+Δt時刻靜力的加權(quán)平均值保持平衡，修正t+Δt時刻動力學方程獲得新的動力平衡方程為

(3)

采用Newmark法的位移和速度向量形式將動力學平衡方程中對應(yīng)t+Δt時刻的位移和速度向量重寫，即

(4)

(5)

將式(4)與式(5)代入新的動力學平衡方程中，其中權(quán)重因子β、γ可表征為權(quán)重因子α的函數(shù)形式

(6)

2. 工程概況

以位于我國西南地區(qū)瀾滄江下游的某工程為研究對象，探討主變室在不同襯砌厚度條件下的動態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律，研究了混凝土強度等級為C25時，襯砌厚度為30～70 cm范圍內(nèi)的抗震效果分析。模型的本構(gòu)采用理想彈塑性模型，以Drucker-Prager強度準則作為屈服準則，采用Rayleigh阻尼，根據(jù)實際工程情況建立整體計算模型(見圖2)，模型尺寸為837 m×446 m×(299～551)m，展示了30 cm、50 cm及70 cm襯砌厚度的有限元網(wǎng)格圖(見圖3)，基于花崗巖的物理力學參數(shù)(見表1)進行數(shù)值模擬。計算輸入的地震波采用唐山余震天津醫(yī)院地震波，基巖處施加的地震加速度時程曲線參考文獻[11]。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

3. 襯砌結(jié)構(gòu)抗震效果分析

基于數(shù)值模擬結(jié)果，分別給出了30 cm襯砌條件下某洞室特征點處的豎向位移時程曲線(見圖4)，并給出在不同襯砌厚度工況下該點的豎向位移、水平加速度、拉應(yīng)力與壓應(yīng)力等動態(tài)響應(yīng)計算結(jié)果的均方根值(見表2)。

表2 不同襯砌條件下研究節(jié)點響應(yīng)結(jié)果匯總

由表2知，不同厚度襯砌條件下洞室特征點的豎向位移、加速度、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等動態(tài)響應(yīng)相比于無襯砌條件下均有明顯減小，說明襯砌支護措施對于地下洞室群減震抗震有著顯著的效果。在采取襯砌減震措施后，隨著襯砌厚度的增加，洞室結(jié)構(gòu)各動態(tài)響應(yīng)結(jié)果整體上呈現(xiàn)明顯的減弱趨勢。因此，地下洞室采取適當厚度的襯砌支護可以起到較好的減震防震作用，以保證洞室安全穩(wěn)定運行并保障工作人員人身安全。

4. 不同地震烈度下襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)研究

進一步進行了該工程地下洞室在不同地震等級條件下的數(shù)值模擬研究，研究工況分別為無襯砌、30 cm厚度襯砌、40 cm厚度襯砌、50 cm厚度襯砌、60 cm厚度襯砌、70 cm厚度襯砌等，開展了其在唐山余震天津醫(yī)院地震波、六級～九級地震等五種地震烈度條件下的結(jié)構(gòu)破損情況分析。基于數(shù)值模擬結(jié)果，獲取了另一地下洞室洞頂特征點處的豎向位移響應(yīng)的均方根值(見表3)，并以30 cm厚襯砌的響應(yīng)結(jié)果為例進行分析(見圖5)。

表3 不同地震烈度條件下的豎向位移響應(yīng)結(jié)果

由此可知，地下洞室群在無支護與不同厚度襯砌條件下，洞室該特征點處的加速度與豎向位移響應(yīng)隨著地震烈度的增加而逐漸增大，說明地震烈度對于地下洞室群結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性具有主要影響。襯砌厚度對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響整體上呈現(xiàn)隨厚度增加逐漸減小的趨勢，相對于地震烈度而言作用較弱。

三、 地下洞室地震應(yīng)急疏散路徑

提出了基于數(shù)值模擬結(jié)果的地下洞室地震應(yīng)急疏散路徑分析，研究了地震作用下包含交通洞、母線洞等的地下洞室群的安全穩(wěn)定性分析，采用Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑當量長度法，進行了地下洞室群地震應(yīng)急疏散路徑分析。

1. 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在計算條件允許的范圍內(nèi)，建立了包含交通洞、母線洞等的地下洞室群有限元分析模型，模型尺寸為1186 m×1022 m×(450～739)m(見圖6)。地下洞室群在經(jīng)過初始地應(yīng)力、洞室開挖及地震作用3個階段后，基于數(shù)值模擬結(jié)果可知最大豎向沉降約為5.02 cm，最大拉應(yīng)力為1.06 MPa，且未出現(xiàn)塑性貫通區(qū)，由此可知地下洞室及各疏散路徑均處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 . 應(yīng)急疏散路徑的求解方法

(一) Dijkstra方法

Dijkstra法基本思想是得到初始點到某個節(jié)點的最短路徑，再搜索到研究節(jié)點的最短路徑。V1～Vt為道路網(wǎng)中節(jié)點，A～I為節(jié)點間路權(quán)(見圖7)。

(二) 最短路徑求解方法

假設(shè)G=是一個非空的簡單有限圖，A為結(jié)點集，E為邊集。對于任何e=(ai,aj)∈E，P(e)=aij為(ai，aj) 的權(quán)值。W是G中的兩點間的一條有向路徑，定義W的權(quán)值P(W)=∑w(e)，則G中兩點間權(quán)最小的有向路徑就成為這兩點間的最佳路徑。最短路徑數(shù)學模型為

(7)

式中xij為(ai,aj)在有限路徑中所出現(xiàn)的次數(shù)。因此，求解最短路徑的問題實際上就轉(zhuǎn)變成求解上述數(shù)學模型的最優(yōu)解問題。

(三) 疏散路徑當量長度的計算

設(shè)受災(zāi)人員所在地點到目的地的疏散路徑用P表示，且包含n條路徑，疏散路徑中的第k條路徑用Ek表示，Ek∈E，則該路徑下P可描述為P={E1,E2,…,Ek,…,En}。且該條疏散路徑的當量長度為

(8)

對于地下洞室群第i條疏散路徑，其當量長度可通過公式(9)計算

L(Ek)=ωD(Ek)

(9)

式中：L(Ek)為第k條疏散路徑的當量長度；ω為由坡度決定的疏散路徑通行難易系數(shù)；D(Ek)為第k條疏散路徑的實際長度。

3. 應(yīng)急疏散路徑的選取與分析

基于上述應(yīng)急疏散路徑求解方法，并結(jié)合某水利水電工程地下洞室群的自身特點，繪制其地震災(zāi)害下的應(yīng)急疏散路徑(見圖8)。

針對地下洞室群處于檢修期且檢修人員處于最不利位置(主廠房的水輪機層)的情況，進行地震災(zāi)害應(yīng)急疏散路徑的研究，并列舉出可選取的應(yīng)急疏散路徑及其相應(yīng)的當量長度(見圖9)，其中不考慮出線井。

基于Dijkstra方法求解最短路徑，可知最短疏散路徑應(yīng)為“水輪機層-電氣夾層-發(fā)電機層-主廠房洞口-廠房運輸洞出口”。依據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》，可知水電工程場內(nèi)不同路段上的設(shè)計車速與交通道路路面寬度、車道數(shù)量及車寬之間的對應(yīng)關(guān)系，進而可知廠房運輸洞的車輛行駛速度為25 Km/h，尾閘運輸洞的車輛行駛速度為20 Km/h。張艷娟[12]基于元胞自動機疏散模型研究表明，在地震情況下當疏散人員的前方無人員或人員較少時，疏散人員會出現(xiàn)奔跑的現(xiàn)象，其疏散速度會接近2 m/s。對于主廠房水輪機層的工作人員進行地震疏散時，以時間最短為原則，最短路徑仍為“水輪機層-電氣夾層-發(fā)電機層-主廠房洞口-廠房運輸洞出口”，用時約為7.1 min。

為考慮最不利情況下地下洞室群的疏散路徑的安全情況，研究了超強地震[13]作用下的地下洞室群及疏散路徑的安全穩(wěn)定性分析?；跀?shù)值模擬結(jié)果可知電氣夾層與變壓器層相連通的母線洞存在塑性貫通的現(xiàn)象，在地震突發(fā)時，建議地下洞室群內(nèi)的管理及檢修人員在選擇疏散路徑時，盡量避開2～7號母線洞，以在疏散過程中確保路徑安全。

四、 地下洞室群震后修復措施

地下洞室群在震后主要需要修復的結(jié)構(gòu)對象為圍巖上產(chǎn)生的非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫以及破碎巖體脫落與洞室坍塌性破壞，針對不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度需要采取不同的措施與方案對其進行修復。

(1) 非貫穿性裂縫修復措施。非貫穿性裂縫包括細淺裂縫、發(fā)絲裂縫、不漏水縫、不伸縮裂縫及不再活動裂縫等，這些裂縫的特點是開度小而密度大，同時對結(jié)構(gòu)的承載能力和洞室的整體穩(wěn)定性影響較小，通常只需采用表面處理法、填充法或注射修補膠法進行表面處理即可。常用的有表面涂抹水泥砂漿、表面涂抹環(huán)氧膠泥以及表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料等，在防護的同時也可采取在裂縫的表面粘貼玻璃纖維和碳纖維布等措施，以防止混凝土繼續(xù)開裂。

(2) 貫穿性裂縫修復措施。對于開度較大的貫穿性裂縫，其對地下洞室的整體性、承載能力及洞室穩(wěn)定有極其重要的作用，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)加固法的工程措施或在裂縫延伸范圍內(nèi)采取掛網(wǎng)噴漿的方法(即設(shè)置錨桿及鋼筋網(wǎng)并對裂縫進行壓力注漿)進行加固。當發(fā)生強烈地震時，針對嚴重損壞的混凝土結(jié)構(gòu)或無法直接修復的裂縫可采用混凝土置換法對其進行處理，方法步驟為：先將無法修復的損壞混凝土全部去除，然后再在原來損壞位置上置換入新的混凝土材料，包括普通混凝土、水泥砂漿、聚合物或聚合物混凝土等以修復或增強破壞結(jié)構(gòu)的強度。

(3) 破碎巖體脫落與坍塌性破壞修復措施。對于破碎巖體，可在掛網(wǎng)噴漿的方法基礎(chǔ)上在圍巖上鉆孔灌漿以達到加固圍巖巖體的目的，確保巖體不再發(fā)生脫落。而對于坍塌性破壞部位，可以首先在地下洞室破壞的附近區(qū)域未塌方的洞壁上，實現(xiàn)掛網(wǎng)噴漿加固，以防止巖體坍塌性破壞范圍的擴大，進而清除洞內(nèi)塌方段，并重新采用鋼筋混凝土對塌方補位進行襯砌防護。

五、 結(jié) 論

(1) 研究了襯砌支護措施對于地下洞室群結(jié)構(gòu)的抗震效果影響，針對不同襯砌厚度條件下洞室結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)變化規(guī)律進行分析，基于地下洞室結(jié)構(gòu)特征節(jié)點處的豎向位移、水平X向加速度、拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分別研究襯砌結(jié)構(gòu)的抗震效果，同時開展了不同地震烈度條件下襯砌結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。

(2) 提出了基于地下洞室群的安全穩(wěn)定性分析結(jié)果的地下洞室應(yīng)急疏散路徑分析，首先對包含交通洞、母線洞等疏散路徑的地下洞室群進行安全穩(wěn)定性分析，研究了地下洞室疏散路徑的安全可靠度，進而基于Dijkstra法、最短路徑法及疏散路徑的當量長度，以地下洞室檢修人員處于最不利位置時為例進行地震災(zāi)害應(yīng)急疏散路徑的研究，并考慮到部分阻塞情況的存在。

(3) 充分考慮地震作用下地下洞室群的破壞特點，分別針對非貫穿性裂縫、貫穿性裂縫、破碎巖體脫落及洞室坍塌性破壞等不同性質(zhì)的震損結(jié)構(gòu)與破壞程度，深入研究了不同的修復方案，開展地下洞室群震后修復措施研究。

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Studies on the Seismic Countermeasures for Disaster Prevention and Mitigation of Underground Cavern

Li Wenqian， Wang Fei， Wang Qianwei， Zhu Xiaobin， Wang Zhen， Tong Dawei

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300072， China)

It is very important to carry out the analysis and research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reduction in underground cavern group. However, the research on the countermeasures of seismic disaster prevention and reductfon for underground cavern group is very scarce. Based on the risk of the seismic disaster, the spatial distribution and the industry characteristics of underground cavern group. the influence of lining support measures on the seismic effect of underground cavern group structure was analyzed, and the dynamic response of the structure under different lining thickness was described. This paper proposes emergency evacuation path for the maintenance personnel in the most unfavorable place by Dijkstra method, the shortest path method and evacuation path equivalent length method. According to the different seismic damage structure and damage degree of the non-penetrating crack, the penetrating crack, the broken rock mass and the collapse of the cavern, different restoration measures and schemes were studied in depth.

underground cavern group；seismic；Dijkstra method；emergency evacuation path；countermeasures for disaster prevention and reduction

2016-06-30.

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(2016YFC0401806)；國家自然科學基金資助項目(51679165)；國家自然科學基金資助項目(51439005).

李文倩(1986— )，女，博士研究生.

佟大威， tongdw@tju.edu.cn.

C93-03

A

1008-4339(2017)01-012-06