強(qiáng)震區(qū)城市矩形隧道墊層減震層厚度對(duì)減震效果的影響分析

陳 征，崔光耀，張建軍，肖 劍，安 棟

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300051；3.中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100011)

隨著地鐵在公共交通中所占比重的日益提升，城市隧道在工程中越來(lái)越受到重視，其抗震問(wèn)題已經(jīng)成為城市工程抗震的重點(diǎn)。減震層作為一種良好的減震措施，可以吸收地震過(guò)程中產(chǎn)生的剪切變形，使其不至于將地層變形直接傳遞到襯砌結(jié)構(gòu)上，減震效果較好[1]。減震層材料通常采用泡沫混凝土或橡膠板，施設(shè)于隧道襯砌與圍巖之間。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)隧道抗震技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括：對(duì)強(qiáng)震區(qū)隧道減震層減震效果及減震原理的研究[2-4]；對(duì)強(qiáng)震區(qū)隧道圍巖注漿加固的抗震效果及不同注漿參數(shù)的研究[5-6]；對(duì)不同材料襯砌結(jié)構(gòu)的抗震效果的研究[7-9]等。以上研究主要集中在隧道施設(shè)減震層的減震原理及其不同施設(shè)機(jī)制、圍巖注漿減震原理及不同注漿材料、纖維混凝土隧道襯砌減震效果等方面。

目前，大量學(xué)者對(duì)減震層的減震機(jī)制以及不同減震層相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，但針對(duì)矩形隧道墊層減震層方面的研究較少。論文依托某城市矩形隧道工程，利用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)震區(qū)城市矩形隧道不同厚度墊層減震層進(jìn)行對(duì)比分析研究。研究成果對(duì)于城市矩形隧道的減震設(shè)計(jì)及相關(guān)研究具有重要的參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

該工程擬建場(chǎng)地地貌單元屬?zèng)_、洪積平原，地形平坦，地貌簡(jiǎn)單，巖土種類較多，地下水對(duì)工程建設(shè)影響較小，地表排水條件尚可。地基條件和施工條件一般，基礎(chǔ)工程費(fèi)用較低，且工程建設(shè)中沒(méi)有誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性。因此，在此場(chǎng)地興建建筑物較適宜。

據(jù)該區(qū)域地質(zhì)資料，該地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05 g。場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)活動(dòng)斷裂，在鉆探揭露范圍內(nèi)亦未發(fā)現(xiàn)影響該場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)現(xiàn)象，且不良地質(zhì)作用不發(fā)育。故該場(chǎng)地基本為穩(wěn)定區(qū)，適合用作建筑場(chǎng)地。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究斷面處結(jié)構(gòu)采用單箱雙室，襯砌結(jié)構(gòu)的頂板、側(cè)墻、中隔墻以及底板均采用C40抗?jié)B混凝土，墊層采用C20素混凝土。頂板厚80 cm，底板厚110 cm，側(cè)板厚100 cm，中隔墻厚80 cm，墊層厚20 cm。

2 研究情況

2.1 計(jì)算模型

以某城市矩形隧道為研究背景建立計(jì)算模型，根據(jù)本隧道圍巖的特性，圍巖本構(gòu)模型選用 ABAQUS軟件提供的彈-理想塑性模型，即Mohr-Coulomb模型。隧道埋深8 m，縱向開(kāi)挖深度取1 m，隧道底部基巖厚20 m，左右兩側(cè)寬度均取5倍洞寬，約75 m。計(jì)算模型下邊界與四周邊界采用無(wú)限元邊界來(lái)模擬周圍無(wú)限土體，上邊界無(wú)約束。減震層分別取5 cm、10 cm與15 cm，施設(shè)于襯砌結(jié)構(gòu)與墊層之間。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)

模擬過(guò)程中需要的圍巖及其他材料的計(jì)算參數(shù)參考實(shí)際地勘資料和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[4]，見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

選用無(wú)限元來(lái)模擬無(wú)限空間進(jìn)行計(jì)算，地震波采用汶川地震加速度波(臥龍測(cè)站)，按7度地震烈度標(biāo)準(zhǔn)化，持續(xù)時(shí)間為15 s。加載方式采用常規(guī)動(dòng)力加載，將x、y、z三個(gè)方向的地震波通過(guò)基巖底部向上部結(jié)構(gòu)傳遞。將地震波濾波及基線校正后，加速度時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 加速度時(shí)程曲線

2.3 計(jì)算工況

分別將采用5 cm、10 cm以及15 cm厚墊層減震層的抗震性能與不采用墊層減震層的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析。為方便描述，分別用四種工況來(lái)表示不同計(jì)算模型，計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

各工況選取沿隧道縱向0.5 m處為監(jiān)測(cè)斷面，提取各工況下監(jiān)測(cè)斷面9個(gè)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)力值進(jìn)行抗震性能的對(duì)比分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

3 減震效果分析

3.1 主應(yīng)力分析

提取各工況下襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力云圖，如圖4～圖5所示，并根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力最大值，分別計(jì)算工況2～工況4的減震效果(與工況1對(duì)比)，見(jiàn)表3。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

表3 主應(yīng)力及減震效果

由表3可知：施設(shè)墊層減震層后襯砌結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力均有所下降。其中：工況2的最大、最小主應(yīng)力分別為1.416 MPa、-2.544 MPa，較工況1分別減小21.55%、45.34%；工況3的最大、最小主應(yīng)力分別為1.487 MPa、-2.538 MPa，較工況1分別減小17.62%、45.47%；工況4的最大、最小主應(yīng)力分別為1.399 MPa、-2.477 MPa，較工況1分別減小22.49%、46.78%。從控制主應(yīng)力效果上來(lái)看，工況4的減震效果更為明顯。

3.2 剪切應(yīng)力分析

提取各工況襯砌結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力云圖，如圖6所示，并根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力最大值，分別計(jì)算工況2～工況4的減震效果(與工況1對(duì)比)，見(jiàn)表4。

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力云圖

表4 最大剪切應(yīng)力及減震效果

由表4可知：施設(shè)墊層減震層后襯砌結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力均有明顯下降。其中：工況2的最大剪切應(yīng)力為2.665 MPa，較工況1減少了41.74%；工況3的最大剪切應(yīng)力為2.604 MPa，較工況1減少了43.07%；工況4的最大剪切應(yīng)力為2.595 MPa，較工況1減少了43.27%。從控制剪切應(yīng)力效果上來(lái)看，工況4的減震效果更為明顯。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

提取各工況下監(jiān)測(cè)斷面上測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)位置處的軸力和彎矩[10]，并繪制出其包絡(luò)圖，如圖7～圖8所示，分別計(jì)算工況2～工況4的減震效果(與工況1對(duì)比)。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)軸力包絡(luò)圖(單位：kN)

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

由圖7可知：工況1監(jiān)測(cè)斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軸力均呈現(xiàn)出受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中隔墻處且為-1 771.16 kN。工況2～工況4的軸力分布趨勢(shì)相同，施設(shè)墊層減震層之后，左底板處出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，最大軸力仍在中隔墻處且分別為-1 612.73 kN、-1 592.24 kN和-1 570.36 kN，減震效果分別為8.94%、10.10%和11.34%。從控制襯砌結(jié)構(gòu)的軸力效果上來(lái)看，工況4的減震效果更為明顯。

由圖8可知：工況2～工況4的彎矩分布趨勢(shì)相同，與工況1對(duì)比，施設(shè)墊層減震層之后襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩圖對(duì)稱性更為明顯，且最大正、負(fù)彎矩均有所下降。工況2的最大正、負(fù)彎矩分別為265.05 kN·m、-356.61 kN·m，較工況1分別減小28.50%、18.82%；工況3的最大正、負(fù)彎矩分別為258.13 kN·m、-351.14 kN·m，較工況1分別減小30.37%、20.07%；工況4的最大正、負(fù)彎矩分別為248.66 kN·m、-354.00 kN·m，較工況1分別減小32.92%、19.42%。從控制襯砌結(jié)構(gòu)的最大彎矩上來(lái)看，工況3的減震效果更為明顯。

3.4 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

提取各工況下監(jiān)測(cè)斷面上測(cè)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算加載過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)位置處的安全系數(shù)[10]，選取襯砌結(jié)構(gòu)達(dá)到最小安全系數(shù)的時(shí)刻，提取此時(shí)各測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)，見(jiàn)表5。選取結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)并分別計(jì)算其減震效果(與工況1對(duì)比)。

表5 各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)

由表5可知：各工況下的最小安全系數(shù)均出現(xiàn)在左頂板位置處，施設(shè)墊層減震層之后襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均有所提升。其中：工況2的最小安全系數(shù)為2.428，比工況1提高了17.65%；工況3的最小安全系數(shù)為2.449，比工況1提高了18.69%；工況4的最小安全系數(shù)為2.431，比工況1提高了17.80%。從最小安全系數(shù)方面來(lái)看，工況3的減震效果最好。

4 結(jié)論

(1)從主應(yīng)力的減震效果來(lái)看，施設(shè)5 cm厚墊層減震層后最大、最小主應(yīng)力分別減小了21.55%、45.34%；施設(shè)10 cm厚墊層減震層后，最大、最小主應(yīng)力分別減小了17.62%、45.47%；施設(shè)15 cm厚墊層減震層后，最大、最小主應(yīng)力分別減小了22.49%、46.78%。

(2)從剪切應(yīng)力的減震效果上來(lái)看，施設(shè)5 cm厚墊層減震層后，最大剪切應(yīng)力減小41.74%；施設(shè)10 cm厚墊層減震層后，最大剪切應(yīng)力減小了43.07%；施設(shè)15 cm厚墊層減震層后，最大剪切應(yīng)力減小了43.27%。

(3)從襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的減震效果上來(lái)看，施設(shè)5 cm厚墊層減震層后，軸力和最大彎矩分別減小了8.94%、18.82%；施設(shè)10 cm厚墊層減震層后，軸力和最大彎矩分別減小了10.10%、20.07%；施設(shè)15 cm厚墊層減震層后，軸力和最大彎矩分別減小了11.34%、19.42%。

(4)經(jīng)過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)分析可知，施設(shè)墊層減震層可以有效提高襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)。施設(shè)5 cm厚墊層減震層后襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)提高17.65%；施設(shè)10cm厚墊層

減震層后襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)提高18.69%；施設(shè)15 cm厚墊層減震層后襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)提高17.80%。建議采用施設(shè)10 cm厚墊層減震層的方案進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。