隧道軟硬圍巖交接面傾角對(duì)震時(shí)結(jié)構(gòu)安全的影響

麻建飛 郭艷軍 余君宇 葛 婧 崔光耀

(1.北方工業(yè)大學(xué)， 北京 100144；2.四川電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限責(zé)任公司， 成都 610041)

在我國(guó)西部地區(qū)大量的鐵路隧道需穿越軟硬圍巖交接帶，汶川地震的震害資料顯示隧道軟硬圍巖交接帶在強(qiáng)震中遭受了嚴(yán)重的震害，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的正常使用和災(zāi)后重建工作。因此，如何提高強(qiáng)震區(qū)隧道軟硬圍巖交接帶的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性是保證隧道安全運(yùn)行的重要因素。

國(guó)內(nèi)對(duì)于隧道軟硬交接帶的研究主要有：依托仁閣隧道等實(shí)際工程對(duì)隧道軟硬圍巖交接帶施工技術(shù)的研究[1-2]；利用汶川地震的震害資料對(duì)隧道洞口軟硬圍巖交接帶的破壞機(jī)理的研究[3-4]；采用數(shù)值模擬和大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)隧道洞口軟硬圍巖交接帶的地震響應(yīng)的研究[5-6]；采用模型試驗(yàn)對(duì)隧道軟硬圍巖交接帶中設(shè)置減震縫、減震層的減震效果的研究[7-8]；利用數(shù)值模擬對(duì)隧道軟硬圍巖交接帶采用圍巖注漿等抗震措施的抗震效果的研究[9-10]；利用數(shù)值模擬研究淺埋隧道跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面的地震響應(yīng)[11]等。以上對(duì)于隧道軟硬圍巖交接帶的研究主要集中在施工技術(shù)、震害機(jī)理、地震動(dòng)力響應(yīng)和抗減震措施等方面，對(duì)軟硬圍巖交接面巖傾角的討論也僅在淺埋隧道中稍有提及，對(duì)強(qiáng)震區(qū)山區(qū)隧道中軟硬圍巖交接面傾角與震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性關(guān)系的研究較少。

本文利用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型，對(duì)比分析強(qiáng)震作用下隧道跨越不同傾角軟硬圍巖交接面時(shí)結(jié)構(gòu)的變形、主應(yīng)力、剪應(yīng)力及內(nèi)力的變化規(guī)律，研究山區(qū)隧道在跨越不同傾角的軟硬圍巖交接面時(shí)結(jié)構(gòu)震時(shí)安全性的差異問(wèn)題。研究成果對(duì)提高強(qiáng)震區(qū)隧道軟硬圍巖交接帶的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性有著重要的意義。

1 研究情況

1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)概況

選取三心圓馬蹄形斷面隧道為計(jì)算模型，高11 m，跨度為8.55 m，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，厚0.25 m，二襯采用C30模筑混凝土，厚0.45 m。

1.2 計(jì)算工況

選取4種軟硬圍巖交接面傾角進(jìn)行分析，計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

1.3 數(shù)值模型的建立

利用有限差分軟件FLAC3D模擬跨越不同傾角軟硬圍巖交接面隧道在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，數(shù)值模型的尺寸為100 m×120 m×90 m。隧道埋深50 m，縱向開(kāi)挖深度120 m，隧道左右兩側(cè)取大于5倍隧道跨度(約45 m)。圍巖上盤(pán)為Ⅴ級(jí)圍巖(軟弱圍巖)，下盤(pán)為Ⅲ級(jí)圍巖(堅(jiān)硬圍巖)，軟硬圍巖交接面與隧道縱向正交。支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖采用實(shí)體單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型采用彈性模型，圍巖遵從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。模型從最底部往上10 m范圍內(nèi)設(shè)置基巖層，模擬地震波在傳輸過(guò)程中的剛性地基。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型(以45°傾角為例)

1.4 物理參數(shù)

計(jì)算模型中材料的物理參數(shù)如表2所示。

表2 模型的物理參數(shù)表

1.5 動(dòng)力計(jì)算

選取2008年汶川地震中臥龍站記錄的三方向加速度波作為模型輸入的地震波，加載時(shí)間為14.98 s。為減少干擾波的影響，借助SeismoSignal軟件對(duì)地震波進(jìn)行數(shù)字濾波處理。為消除動(dòng)力計(jì)算后產(chǎn)生的殘余位移，使用基線矯正軟件對(duì)地震波進(jìn)行基線矯正，矯正處理后地震波加速度時(shí)程曲線如圖2所示。計(jì)算時(shí)地震加速度波通過(guò)模型底部基巖向上傳播，模型底部采用靜態(tài)邊界，四周采用自由場(chǎng)邊界。

圖2 加速度時(shí)程曲線圖(以X向?yàn)槔?

1.6 監(jiān)測(cè)面及測(cè)點(diǎn)布置

模型共設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)面，監(jiān)測(cè)面布置如圖3所示。相鄰監(jiān)測(cè)面間距10 m，監(jiān)測(cè)面S1～S9模型橫截面中軟巖范圍逐漸減小，硬巖范圍逐漸增加。每個(gè)監(jiān)測(cè)面共設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)面布置圖(m)

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 邊墻收斂

震后各工況隧道結(jié)構(gòu)的邊墻收斂量，如圖5所示。

圖5 邊墻收斂量圖

由圖5(a)可知，隧道軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)(監(jiān)測(cè)面S1～S4)的邊墻收斂量均遠(yuǎn)大于硬巖側(cè)結(jié)構(gòu)(監(jiān)測(cè)面S6～S9)的邊墻收斂量，監(jiān)測(cè)面S1～S9結(jié)構(gòu)邊墻收斂量逐漸減小。由圖5(b)可知，軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)邊墻收斂量與結(jié)構(gòu)距交界面的距離成正比，隨著結(jié)構(gòu)距交界面距離的增大，結(jié)構(gòu)邊墻收斂量逐漸增大。

軟巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)交接面傾角為30°時(shí)各監(jiān)測(cè)面的邊墻收斂量最大，為3.08～6.94 mm；傾角為45°時(shí)軟巖側(cè)各監(jiān)測(cè)面的邊墻收斂最小，為2.71～6.23 mm。交接面傾角為60°和75°時(shí)軟巖側(cè)各監(jiān)測(cè)面的邊墻收斂量介于交接面傾角為30°和45°的工況之間，分別為3.00～6.34 mm和2.72～6.89 mm。交接面傾角為45°時(shí)，軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)的邊墻收斂相較于傾角為30°、75°和60°的工況平均減小13.20%、8.21%和5.06%。

硬巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)在交接面傾角為45°時(shí)各監(jiān)測(cè)面二襯的邊墻收斂量最大，為0.82～1.06 mm，傾角為30°時(shí)硬巖側(cè)各監(jiān)測(cè)面二襯的邊墻收斂量最小，為0.09～0.69 mm。交接面傾角為60°和75°時(shí)結(jié)構(gòu)的邊墻收斂量介于傾角為45°和30°的工況之間，分別為0.60～0.92 mm和0.41～0.54 mm。交接面傾角為30°時(shí)，硬巖側(cè)隧道二襯的邊墻收斂量相較于傾角為45°、60°和75°的工況平均減小75.21%、71.19%和52.96%。

2.2 最大主應(yīng)力

震后隧道二襯的最大主應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 最大主應(yīng)力圖

由圖6可知，4種工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值均在軟硬圍巖交接面拱頂處，極小值均在軟巖側(cè)洞口左、右拱腳處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時(shí)，二襯的最大主應(yīng)力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小45.08%、38.17%和38.40%。

2.3 最大剪應(yīng)力

震后隧道二襯的最大剪應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖7 最大剪應(yīng)力圖

由圖7可知，4種工況下二襯的最大剪應(yīng)力峰值均在軟硬圍巖交接面左、右拱肩處，極小值在隧道兩側(cè)洞口仰供處。軟硬圍巖交接面傾角為30°時(shí)，二襯的最大剪應(yīng)力峰值相較于傾角為45°、60°和75°的工況分別減小26.13%、25.74%和19.05%。

2.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由式(1)、式(2)[11-12]計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的安全系數(shù)時(shí)程曲線，如圖8所示。取同一監(jiān)測(cè)面上不同測(cè)點(diǎn)所有時(shí)步的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的最小值進(jìn)行分析，如圖9所示。

KN≤φαRabh

(1)

(2)

式中：b——二襯的截面寬度(m)；

h——二襯的截面厚度(m)；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度(MPa)；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度(N)；

K——安全系數(shù)；

φ——襯砌縱向彎曲系數(shù)；

α——軸向力偏心影響系數(shù)；

e0——截面偏心距(m)。

圖8 安全系數(shù)時(shí)程曲線圖(工況4監(jiān)測(cè)面S5拱頂測(cè)點(diǎn))

圖9 結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)圖

由圖9(a)可知，4種工況下，監(jiān)測(cè)面S1～S9的結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)逐漸增大。鑒于隧道硬巖側(cè)結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均已大于TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的安全系數(shù)的允許值2.4，故本文對(duì)軟巖側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

由圖9(b)可知，交接面傾角為30°時(shí)，結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)面的最小安全系數(shù)最小，為0.804～1.795，震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最低。交接面傾角為60°時(shí)，各監(jiān)測(cè)面的最小安全系數(shù)為1.055～1.923，震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最高。交接面傾角為45°和75°時(shí)，各監(jiān)測(cè)面最小安全系數(shù)介于交接面傾角為30°和60°的工況的值之間，分別為0.993～1.871和0.945～1.809。軟硬圍巖傾角為60°時(shí)，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)相比于傾角為30°、45°和75°的工況平均增大20.90%、3.51%和9.18%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立跨越不同交接面傾角隧道的有限元模型，對(duì)比分析跨越不同交接面傾角的隧道邊墻的收斂、最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及內(nèi)力的變化規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

(1)軟巖側(cè)隧道的邊墻收斂量在軟硬圍巖交接面傾角為45°時(shí)最小，隧道二襯結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力峰值和最大剪應(yīng)力峰值在交接面傾角為30°時(shí)最小。隧道二襯的最小安全系數(shù)在交接面傾角為60°時(shí)最大。

(2)綜合結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力和內(nèi)力分析結(jié)果可知，跨越不同軟硬圍巖交接面傾角隧道的震時(shí)結(jié)構(gòu)安全性，由高至低為：傾角60°>傾角45°>傾角75°>傾角30°。

(3)隧道軟硬圍巖交接帶軟巖側(cè)結(jié)構(gòu)震時(shí)安全性均低于硬巖側(cè)，軟巖側(cè)應(yīng)為隧道抗震設(shè)防的重點(diǎn)段落。交界面傾角為30°時(shí)結(jié)構(gòu)安全性最低，建議采取“減震層+結(jié)構(gòu)加強(qiáng)”的抗減震措施進(jìn)行隧道的抗震設(shè)防。