高地震烈度區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究分析

王志強(qiáng)

摘要： 西南地區(qū)高山峽谷地形居多，襯砌結(jié)構(gòu)在高地震烈度區(qū)開挖山嶺隧道時具有廣泛的應(yīng)用前景。西南山嶺地區(qū)普遍存在軟弱圍巖且圍巖性質(zhì)差，面臨著斷裂構(gòu)造、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的威脅，給隧道安全運(yùn)營帶來極大的隱患。本文對高地震烈度地區(qū)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為實(shí)際工程提供參考建議。

Abstract： There are many high mountain and canyon terrains in the southwest area， and lining structure has a wide application prospect in mountain tunnel excavation in high earthquake intensity area. In the southwest mountain area， due to the surrounding soft rock with poor properties， it is facing geological hazards such as fault structure， landslide， debris flow， bringing great risks to the safe operation of the tunnel. This paper optimizes the design of tunnel lining structure in high seismic intensity area， uses the Midas/GTS to take a numerical simulation analysis， in order to provide reference for practical engineering.

關(guān)鍵詞： 高地震烈度；隧道開挖；Midas/GTS；襯砌優(yōu)化

Key words： high seismic intensity；tunnel excavation；Midas/GTS；lining optimization

中圖分類號：P539.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0089-03

0 引言

隨著我國西南地區(qū)交通運(yùn)輸網(wǎng)的快速發(fā)展，隧道建設(shè)已進(jìn)入高地震烈度地區(qū)[1-3]。殷允騰[4]等研究分析了地震作用下軌道結(jié)構(gòu)在土巖軟硬結(jié)合部位的破壞機(jī)理及相關(guān)安全措施，張金柱[5]等以極限平衡理論為基礎(chǔ)采用條分法對隧道洞口仰坡進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，楊修[6]總結(jié)和歸納了位移判別法、強(qiáng)度準(zhǔn)則法、極限應(yīng)變法、塑性區(qū)尺寸判別法四種層狀巖體中適用的失穩(wěn)判別依據(jù)；Wang.Y，Yin.J.M[7]等對層狀巖體的各向異性特性運(yùn)用FLAC3D軟件用于分析的變形，得出當(dāng)巖層的傾向保持不變，隨巖層傾角的增大，隧道周邊位移是有減少的趨勢的結(jié)論。所以對高地震烈度地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究具有十分重要的理論與工程意義。

1 工程概況

國家高速公路網(wǎng)G5613保山至瀘水高速公路，主線為南北走向。路線起于K52+860（石頭寨互通終點(diǎn)），向北沿怒江西岸布線，接已建的六庫至躍進(jìn)橋二級公路。主線樁號范圍K52+860～K77+148.833，路線全長24.289公里。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5001 1—2001），本標(biāo)段主線及六庫連接線地震動峰值加速度系數(shù)為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度；芒寬連接線地震動峰值加速度系數(shù)為0.20g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。項目區(qū)位于東經(jīng)98°50′～99°15′，北緯25°00′～25°50′之間，屬亞熱帶高原季風(fēng)型氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，無明顯四季之分，年降雨量500～1400毫米，年平均氣溫12～20攝氏度，干、雨季分明，雨季5～10月份，降雨量占全年的70%。由于地形高差懸殊，氣溫垂直分帶明顯，3000m以上高山冬季有積雪，其余地區(qū)有霜凍。

2 工程地質(zhì)及水文條件

2.1 工程地質(zhì)條件

工程地處滇西橫斷山脈中段，瀾滄江與怒江之間，地勢基本呈北高南低，多屬中山構(gòu)造侵蝕剝蝕地貌。線路穿越區(qū)出露從古生界至新生界諸多地層，地質(zhì)時代跨度大，巖石種類多，巖相復(fù)雜，沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖均有不同程度的出露，工程區(qū)地貌與典型地層如圖1。位于青、藏、滇、緬、印度尼西亞巨型“歹”字犁構(gòu)造體系的東支中段與經(jīng)向構(gòu)造體系復(fù)合部位，其中北西向崇山構(gòu)造帶占主導(dǎo)，同時受經(jīng)向構(gòu)造體系的控制。工程區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造走向以北西向為主，伴生小型斷裂的產(chǎn)生，使測區(qū)的巖層被切割，呈方格狀、菱形狀，導(dǎo)致巖體破碎。項目區(qū)域距怒江大斷裂較近，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，地層破碎比較嚴(yán)重，導(dǎo)致邊坡松散，存在不穩(wěn)定性邊坡。

2.2 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)地形地貌除受構(gòu)造影響強(qiáng)烈外，河流也對地形地貌的改造有著較大影響。區(qū)內(nèi)水系極為發(fā)育，東西兩側(cè)分屬瀾滄江和怒江水系，主要河流有怒江、瀾滄江等，山間尚有漕澗河、孫足河等河流發(fā)育，河流切割作用顯著，河谷較為狹窄陡峭，除怒江河谷較為開闊外，其余河流下切作用均明顯強(qiáng)于側(cè)蝕作用。河流或沿構(gòu)造形跡切割，或溯源侵蝕橫切山脈，形成了區(qū)內(nèi)現(xiàn)在較為復(fù)雜的地形地貌。工程區(qū)位于東經(jīng)98°50′～99°15′，北緯25°00′～25°50′之間，屬亞熱帶高原季風(fēng)型氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，無明顯四季之分，年降雨量500～1400mm，干、雨季分明，雨季5～10月份，降雨量占全年的70%。由于地形高差懸殊，氣溫垂直分帶明顯，3000m以上高山冬季有積雪，其余地區(qū)有霜凍。

3 隧道襯砌優(yōu)化設(shè)計與數(shù)值模擬分析

根據(jù)隧址區(qū)的工程地質(zhì)、地形情況和路線總體走勢，隧道平面布置采用分離式隧道形式，隧道間距根據(jù)圍巖情況確定，一般情況下左、右線隧道凈距按25～40m控制。對于隧道群段的路線平縱設(shè)計，不應(yīng)根據(jù)單獨(dú)的隧道來考慮，將整個隧道群作為一座隧道來進(jìn)行整體設(shè)計，隧道建筑限界凈寬為10.00m，其組成：行車道寬度為3.5×2m，左側(cè)路緣帶寬度為0.5m，右側(cè)路緣帶寬度為0.5m，左側(cè)檢修道寬1.00m，右側(cè)檢修道寬1.00m；隧道建筑限界凈高為5.0m。隧道明洞采用整體式C25鋼筋混凝土襯砌，暗洞襯砌結(jié)構(gòu)均采用新奧法復(fù)合式襯砌，隧道支護(hù)參數(shù)選擇以工程類比為主。

本文除對小凈距隧道段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的初期支護(hù)和二次襯砌進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)外，還通過施做預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖柱。當(dāng)左右線兩洞凈距小于6m時，采用水平對穿預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖體；左右線兩洞凈距大于6m時，采用低預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖體。當(dāng)中間巖體破碎時，視具體情況采取必要的注漿加固措施，增強(qiáng)中間巖體強(qiáng)度。通過Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析分析進(jìn)行校核，將荷載結(jié)構(gòu)法與地層結(jié)構(gòu)法結(jié)合使用，在計算中根據(jù)實(shí)際情況選取參數(shù)與設(shè)定邊界條件，并考慮了地下水壓力的影響。隧道襯砌計算模型與圍巖壓力荷載分布如圖2。經(jīng)優(yōu)化后，模型計算得襯砌水平方向與豎直方向位移如圖3，二次襯砌混凝土彎矩與應(yīng)力圖如圖4。

由圖3所示，通過優(yōu)化設(shè)計處理，該隧道區(qū)段在自重應(yīng)力狀態(tài)下，受圍巖壓應(yīng)力的作用向隧道內(nèi)側(cè)偏移，水平方向位移最大值出現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)的中下部，左壁中部為0.037m，右壁中部為0.047m，即該區(qū)域所產(chǎn)生的水平方向變形相對其他部位更顯著，容易失穩(wěn)，對隧道的安全性與穩(wěn)定性造成影響。襯砌頂部與底部受圍巖壓應(yīng)力的豎向作用向隧道內(nèi)側(cè)彎曲，產(chǎn)生較大的豎向位移，豎直方向位移最大值出現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)的頂?shù)撞?，其中頂部位移?shù)值相對較小，底部位移較大，是由于頂部接近地面，受圍巖壓力相對較小。由圖4可二次襯砌后襯砌結(jié)構(gòu)所受的彎矩與應(yīng)力總體呈均勻分布，說明隧道結(jié)構(gòu)面設(shè)計平滑過渡，使得襯砌結(jié)構(gòu)受力均勻，避免了應(yīng)力集中，增強(qiáng)了隧道穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文依托國家高速公路網(wǎng)G5613保山至瀘水高速公路隧道路段的具體工程，從實(shí)際工程地質(zhì)情況出發(fā)，對高烈度地震區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，研究分析了高圍巖壓力下襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對隧道穩(wěn)定性與局部受力特征的影響，并進(jìn)行了精細(xì)數(shù)值模擬分析，得出通過對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以提高隧道的穩(wěn)定性與安全性，使襯砌結(jié)構(gòu)更大限度地發(fā)揮支撐作用，減少了高圍巖壓力作用下隧道中下部水平位移與襯砌頂?shù)撞孔冃危岣吡斯こ探Y(jié)構(gòu)的耐久性，行駛的安全性，養(yǎng)護(hù)維修的可行性，防災(zāi)的有效性，為以后的隧道工程建設(shè)提供技術(shù)參考。

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