強(qiáng)震區(qū)隧道洞口軟硬巖交接段圍巖注漿抗震措施效果分析

王澤軍,陳鐵林,崔光耀,馬軍輝,張 玉

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；3.中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃開展起來。我國西部山區(qū)多處于高烈度地震區(qū)，強(qiáng)震區(qū)交通隧道建設(shè)不可避免的大量涌現(xiàn)。隧道洞口段是隧道抗震設(shè)防的薄弱環(huán)節(jié)[1-4]，其震害類型主要包括洞門開裂、端墻破損、崩落土石；洞身內(nèi)路面隆起，二襯開裂、掉塊、滲水，施工縫開裂，防火涂料脫落等等。其主要原因在于該區(qū)域一般地質(zhì)條件差，常常存在軟硬圍巖交接段，交界面兩側(cè)巖體性質(zhì)差異大，特別是軟巖部分由于自身裂隙多、強(qiáng)度低，從而導(dǎo)致抗震能力弱[5]。如何解決隧道洞口軟硬圍巖交接段的抗減震問題顯得尤為重要。目前，國內(nèi)對(duì)這方面的問題研究較少，崔光耀等[6-7]通過對(duì)汶川地震震害資料的分析，認(rèn)為洞口段震害主要由強(qiáng)制位移和地震慣性力引起，并提出采用注漿、設(shè)置減震層的方式進(jìn)行防治；鄒成路等[8-9]對(duì)穿越不同軟硬巖交界面傾角隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)分析，指出傾角小于45°時(shí)，地震動(dòng)對(duì)隧道上部結(jié)構(gòu)影響較大，反之，則對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響較大；王維嘉[10]對(duì)穿越軟硬巖交界面時(shí)隧道橫截面方向圍巖的剪應(yīng)力進(jìn)行分析，得出在交界面附近，隧道襯砌動(dòng)剪應(yīng)力幅值變化較大。綜上，目前研究多集中在穿越軟硬巖交界面震害作用機(jī)理方面，而對(duì)于解決這一問題的方法未作詳細(xì)的說明和論證。

本文以老鷹窩隧道洞口軟硬圍巖交接段為研究背景，對(duì)全環(huán)接觸注漿[11-12]和全環(huán)間隔注漿[13-14]兩種圍巖注漿抗震措施的作用效果進(jìn)行了對(duì)比分析研究，這對(duì)于高烈度地震區(qū)交通隧道洞口段抗震設(shè)防設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 工程概況

老鷹窩隧道位于云南省半角至新村三級(jí)公路上，地震帶烈度為Ⅸ級(jí)。隧道起點(diǎn)中心樁號(hào)為K5+865，終點(diǎn)中心樁號(hào)為K10+429，設(shè)計(jì)全長4 564 m。隧道進(jìn)口邊坡下部巖體為白云巖，屬巖質(zhì)側(cè)向坡，邊坡巖體穩(wěn)定性較好；上部為第四系巨厚土質(zhì)邊坡，自然邊坡坡度35°，地形較平緩，邊坡整體穩(wěn)定性較好，地質(zhì)建議邊坡開挖坡比1∶1。隧道圍巖為白云巖，微裂隙、斷層發(fā)育，主要為Ⅱ～Ⅴ級(jí)圍巖。

隧道埋深為45 m，單洞凈寬9 m，建筑界限凈高5.5 m，洞口段采用削竹式洞門，坡度為1∶1。隧道進(jìn)洞50 m處巖體性質(zhì)發(fā)生突變，由Ⅴ級(jí)圍巖轉(zhuǎn)變成Ⅲ級(jí)圍巖，軟硬巖交界面與水平面大致呈65°夾角。初期支護(hù)主要為C20噴射混凝土，厚20 cm，二次襯砌采用C25模筑混凝土，厚40 cm。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

為分析洞口段地震響應(yīng)情況，綜合考慮地形和地質(zhì)條件，利用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值分析，計(jì)算模型如圖1所示。本文中模型長100 m，高80 m，縱向長度為100 m，軟硬圍巖交界面距離洞口處50 m。軟巖部分為V級(jí)圍巖，硬巖部分為Ⅲ級(jí)圍巖，基巖為Ⅱ級(jí)圍巖。計(jì)算采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則以及彈塑性本構(gòu)模型，山體與襯砌單元用solid45實(shí)體單元模擬。

圖1 老鷹窩隧道洞口段計(jì)算模型Fig.1 Portal analysis model of Laoyingwo tunnel

2.2 計(jì)算工況

全環(huán)接觸注漿和全環(huán)間隔注漿示意圖如圖2所示。依據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及工程類比確定間隔區(qū)和注漿區(qū)的厚度均為2 m，計(jì)算工況見表1。

圖2 不同注漿方式示意圖Fig.2 Sketch map of different grouting methods

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告及《隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTG TD 70-2010》[15]，確定各巖層數(shù)值計(jì)算材料參數(shù)如表2所示。

表1 模型計(jì)算工況

表2 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of calculation model

2.4 監(jiān)測布置

為觀察注漿加固效果，沿著軟硬巖交界面左右各設(shè)置4個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面間距為6 m，如圖3(a)所示；考慮到隧道震害的破壞形式一般發(fā)生在拱頂、仰拱、邊墻位置，故每個(gè)監(jiān)測斷面各設(shè)置4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖3(b)所示。

圖3 監(jiān)測布置圖Fig.3 Layout of monitoring

2.5 動(dòng)力荷載及動(dòng)力邊界

FLAC3D動(dòng)力計(jì)算輸入的是印度柯伊拉臘地震波，加速度時(shí)程時(shí)間間隔0.01 s，持時(shí)12.76 s。使用SeismoSignal軟件濾波(截去高頻部分，地震能量主要集中在低頻區(qū))后，結(jié)果如圖4所示。動(dòng)力計(jì)算時(shí)同時(shí)輸入三個(gè)方向的地震波加速度時(shí)程。

圖4 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.4 The time history curve of seismic acceleration

FLAC3D中阻尼分為Rayleigh阻尼、局部阻尼、滯后阻尼三種[16]。本文采用Rayleigh阻尼進(jìn)行計(jì)算，其主要包括體系的基頻wmin和臨界阻尼比ξ min兩個(gè)參數(shù)，根據(jù)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果確定wmin約為6 Hz，臨界阻尼比ξ min按照經(jīng)驗(yàn)取0.05，邊界條件為自由場邊界。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 最大主應(yīng)力

為了表征兩種注漿方式對(duì)交接段的加固效果，在地震荷載作用下，以未注漿模型中交界面處拱頂點(diǎn)時(shí)刻作為分析標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，由于交界面是傾斜的，為簡化處理，將4、5號(hào)監(jiān)測斷面值取平均值作為交界面的最大主應(yīng)力值，3.2節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析中也做類似處理。在工況k-1中，軟硬圍巖交界面處拱頂點(diǎn)由地震荷載產(chǎn)生最大主應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 地震荷載下交界面處拱頂點(diǎn)最大主應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.5 The time history curve of maximum principal stress at the interface of the arc crown under earthquake

圖6 最大主應(yīng)力峰值沿縱向分布Fig.6 The distribution of the maximum peak value of principal stress along the longitudinal direction

由圖5可知，當(dāng)t=4.50 s時(shí)，交界面處拱頂點(diǎn)最大主應(yīng)力達(dá)到峰值2.28 MPa。在k-1、k-2、k-3三種工況下，各個(gè)監(jiān)測斷面上拱頂、仰拱、邊墻最大主應(yīng)力峰值沿隧道縱向分布如圖6所示?？紤]到二襯左、右邊墻的對(duì)稱性，將左、右邊墻最大主應(yīng)力值取平均值作為邊墻的最大主應(yīng)力值，橫坐標(biāo)中負(fù)值表示軟巖隧道，正值表示硬巖隧道。

從圖6(a)、(b)、(c)可以看出，拱頂、仰拱中部、邊墻最大主應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在軟硬圍巖交界面處，且距離交界面位置越遠(yuǎn)，最大主應(yīng)力峰值越小；注漿加固后同一位置σ1峰值都有所減小，交界面附近最大主應(yīng)力減少幅度最大；軟巖內(nèi)拱頂和邊墻的最大主應(yīng)力峰值減少較明顯，其中軟巖內(nèi)邊墻σ1峰值注漿后由1.58 MPa降至0.50 MPa,下降幅值為68.35%;硬巖內(nèi)，隧道各部位σ1峰值也呈下降趨勢，但下降幅度較平緩；說明軟巖隧道對(duì)地震動(dòng)“敏感性”更強(qiáng)烈，注漿加固對(duì)軟巖隧道抗震效果優(yōu)于硬巖。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取t=4.50 s時(shí)刻各監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力，經(jīng)計(jì)算各監(jiān)測點(diǎn)的動(dòng)力彎矩值、軸力值、安全系數(shù)如圖7～9所示。其中邊墻值為左、右邊墻的平均值，安全系數(shù)的計(jì)算方式可參考《隧道設(shè)計(jì)細(xì)則JTG TD 70—2010》。

圖7 不同工況下彎矩峰值沿縱向分布Fig.7 The distribution of peak moment along the longitudinal direction

由圖7可知，注漿加固模型相對(duì)于未注漿模型而言，二襯結(jié)構(gòu)相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)動(dòng)力彎矩值整體上均有減小。拱頂位置地震反應(yīng)最強(qiáng)烈，交界面處拱頂彎矩值由-60 kN·m降至-25 kN·m，降低了58.33%。值得注意的是，不同工況下，仰拱和邊墻的彎矩峰值均出現(xiàn)在軟巖隧道內(nèi)，表明地震對(duì)軟巖內(nèi)二襯仰拱和邊墻彎矩影響很大，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需引起重視。注漿加固對(duì)硬巖隧道二襯彎矩影響較小，地震動(dòng)作用下，硬巖內(nèi)二襯彎矩減小較平緩。就減小二襯彎矩的角度而言，間隔注漿優(yōu)于接觸注漿。

圖8 不同工況下軸力峰值沿縱向分布Fig.8 The distribution of peak axial force along the longitudinal direction

從圖8(a)、(b)、(c)可以看出，采用注漿加固以后，二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點(diǎn)的軸力均有所減小：接觸注漿和間隔注漿對(duì)于拱頂軸力峰值的作用效果差別不大；而對(duì)于仰拱、邊墻軸力值的降低，兩種注漿方式均表現(xiàn)出良好的效果，交界面處拱頂點(diǎn)軸力值由350 kN減小至181 kN，仰拱點(diǎn)由150 kN減小至62 kN，邊墻點(diǎn)由-596 kN增大至-308 kN；未采取抗震措施時(shí)，軟巖內(nèi)二襯軸力的動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)于硬巖，注漿后軟硬巖內(nèi)變化較接近。考慮對(duì)二襯軸力的作用效果，全環(huán)間隔注漿優(yōu)于全環(huán)接觸注漿。

圖9 不同工況下安全系數(shù)沿縱向分布Fig.9 The distribution of safety factor along the longitudinal direction

在圖9中，工況k-2、k-3相對(duì)于k-1來說，軟巖隧道、硬巖隧道內(nèi)拱頂、仰拱、邊墻安全系數(shù)都有明顯增大；交界面處除拱頂、邊墻增長相對(duì)較小外，仰拱安全系數(shù)也有大幅度提高，表明注漿對(duì)隧道洞口段抗減震效果顯著。整體上硬巖內(nèi)安全系數(shù)大于軟巖，表明硬巖抗震性優(yōu)于軟巖，安全系數(shù)最大值出現(xiàn)在硬巖內(nèi)7號(hào)監(jiān)測斷面，注漿后，拱頂、仰拱、邊墻最大值分別為126、178、93(圖10)，而軟巖內(nèi)最大值分別為63、85、25。從增加安全系數(shù)的角度來看，間隔注漿優(yōu)于接觸注漿。

圖10 硬巖內(nèi)7號(hào)監(jiān)測面安全系數(shù)圖Fig.10 Safety factor of #7 monitoring face in hard rock

4 結(jié)論

以云南省老鷹窩隧道為工程背景，通過三維數(shù)值模擬分析，研究了隧道洞口軟硬圍巖交接段抗震注漿后二襯的動(dòng)力響應(yīng)情況，并基于此對(duì)隧道穿越軟硬圍巖交界面的抗震措施進(jìn)行了效果分析。主要得出以下結(jié)論：

(1)洞口段軟巖隧道的動(dòng)力響應(yīng)比硬巖更加強(qiáng)烈，即地震作用下軟巖的地震動(dòng)作用更加明顯。在隧道的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)軟巖隧道抗震設(shè)防力度。

(2)注漿加固對(duì)于隧道的抗震效果顯著，能夠大幅度地減小地震作用下洞口段隧道拱頂、仰拱、邊墻的最大主應(yīng)力及內(nèi)力峰值。

(3)隧道洞口段穿越軟硬圍巖交接面時(shí)，隧道注漿方式的不同，對(duì)隧道抗震的效果影響較大；全環(huán)間隔注漿對(duì)隧道抗震性能的提高優(yōu)于全環(huán)接觸注漿。