山嶺隧道洞口段圍巖注漿厚度對(duì)抗震效果的影響分析

魯?shù)梦?， 梁慶國(guó) ， 熊玉蓮 ，3

（1. 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 2. 蘭州交通大學(xué)， 土木工程學(xué)院 蘭州 730070；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司， 西安 710075 ）

中國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家， 山地面積占全國(guó)總面積的1/3， 許多交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)都要穿越山嶺地區(qū)， 如寶蘭客運(yùn)專線、 蘭渝鐵路， 成蘭鐵路、武罐高速公路等。 山區(qū)地震斷裂帶十分發(fā)育， 地震活動(dòng)頻率高、 強(qiáng)度大[1]。 山嶺隧道一般埋深較深， 許多學(xué)者認(rèn)為本身抗震能力較強(qiáng)， 但隨著地震的頻繁發(fā)生， 尤其是汶川大地震后， 許多山嶺隧道遭到嚴(yán)重破壞， 通過震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道破壞主要集中在隧道洞口段[2-4]。

近年來(lái)， 關(guān)于隧道洞口段抗震已做了大量的研究， 發(fā)表了許多關(guān)于強(qiáng)震作用下隧道洞口段抗震及減震的研究論文[5-8]， 具有代表性的有崔光耀[9-11]等以白云頂隧道進(jìn)口段為依托， 通過大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了隧道的地震動(dòng)峰值加速度、 結(jié)構(gòu)內(nèi)力等， 結(jié)果表明， 采取剛?cè)嵯酀?jì)抗減震措施在抵抗地震震動(dòng)、 消減強(qiáng)制位移方面作用顯著， 減震效果明顯。 高峰[12]等通過有限元法研究了山嶺隧道洞口段的兩種減震措施， 研究發(fā)現(xiàn)在軟弱圍巖中減震層和加固層的設(shè)置能夠使隧道的襯砌位移、應(yīng)力減小， 起到保護(hù)隧道襯砌的作用。 耿萍[13]等采用數(shù)值模擬方法研究了隧道洞口段襯砌的合理設(shè)防長(zhǎng)度， 結(jié)構(gòu)表明3 倍隧道跨度為合理的抗震設(shè)防長(zhǎng)度。 本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上以山嶺隧道洞口段為研究對(duì)象， 通過有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證在不同注漿加固厚度下的減震效果， 研究結(jié)果可以進(jìn)一步豐富隧道洞口段的抗震措施， 對(duì)類似工程有一定的借鑒作用。

1 數(shù)值模型參數(shù)選取

本文采用MIDAS-GTS 有限元軟件， 初襯采用實(shí)體單元模擬， 彈塑性本構(gòu)， 二次襯砌采用板單元模擬， 計(jì)算模型的范圍為： x 方向80 m、 y 方向90 m、 z 方向 120 m， 左、 右隧道出口段相距 40 m， 計(jì)算模型如圖1 所示。 根據(jù)隧道所處地區(qū)環(huán)境以及相似文獻(xiàn)和規(guī)范要求[14-17]， 確定出圍巖和襯砌的力學(xué)參數(shù)， 如表1 所示。 地震動(dòng)輸入采用超越概率為10%與2%的人工地震波， 入射方向?yàn)樗较?（x 向）。 注漿加固范圍分別選取 1.5 m、 3 m 及4.5 m， 隧道監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)分布如圖2 所示。

圖1 計(jì)算模型圖Fig.1 Computational model diagram

圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of tunnel monitoring points

表1 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Calculation of physical and mechanical parameters

2 不同注漿加固厚度的抗震性能比較

2.1 最大位移對(duì)比分析

由于左側(cè)隧道呈現(xiàn)淺埋偏壓的特征， 故只選取左側(cè)隧道為研究對(duì)象。 圖3 為不同超越概率地震波、 不同注漿加固厚度下的拱頂沉降最大位移的變化曲線。 可以看出， 不同超越概率地震波下隧道拱頂處的位移最大， 10%超越概率地震波最大值為0.897 cm， 2%為1.789 cm。 注漿加固對(duì)最大位移有一定的影響， 隨著注漿加固范圍的增大，隧道各個(gè)部位的最大位移逐漸減小。 注漿加固范圍為1.5 m 時(shí)， 最大位移降幅10%超越概率地震波為 1.25%～3.47%， 2%為 2.47%～3.68%， 注漿加固范圍為3 m 時(shí)， 最大位移降幅10%超越概率地震波為 2.88%～4.88%， 2%為 3.81%～5.01%， 注漿加固范圍為4.5 m 時(shí)， 最大位移降幅10%超越概率地震波為 5.47%～7.01%， 2%為 6.17%～7.27%， 注漿加固措施對(duì)2%超越概率地震波效果更好。 最大位移降幅發(fā)生在拱頂部位， 最小發(fā)生在仰拱位置。

2.2 最大加速度對(duì)比分析

圖4 為左側(cè)隧道不同超越概率地震波下的最大加速度變化曲線。 可以看出， 其變化規(guī)律與最大位移的變化規(guī)律基本一致， 注漿加固對(duì)最大加速度有一定影響， 但影響有限， 隨著注漿加固厚度的增大， 各個(gè)部位的最大加速度逐漸減小， 10%超越概率地震波降幅最大值發(fā)生在左拱腳， 約為8.9%， 2%超越概率地震波降幅最大值發(fā)生在拱頂，約為11%左右。

圖3 入射不同超越概率地震波隧道的最大位移變化曲線Fig.3 The maximum displacement curve of the tunnel with incident seismic wave with different transpiration probabilities

圖4 入射不同超越概率地震波隧道的最大加速度變化規(guī)律Fig.4 The maximum acceleration variation law of the tunnel with incident seismic wave with different transpiration probabilities

2.3 最大主應(yīng)力對(duì)比分析

圖5、 圖6 為不同注漿加固厚度下雙側(cè)隧道各控制點(diǎn)的最大主應(yīng)力變化規(guī)律， 表2、 表3 為不同注漿加固厚度下的加固效果。 可以看出， 除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)外， 注漿加固圍巖能夠減小隧道的應(yīng)力。2%超越概率地震波的最大主應(yīng)力大于10%超越概率地震波， 大約為2 倍左右。 隧道左側(cè)最大主應(yīng)力整體大于右側(cè)， 最大值部位為左拱腳處， 最小值為仰拱處， 這主要是由于整個(gè)隧道洞口左側(cè)處于淺埋偏壓， 在地震作用下更容易發(fā)生破壞， 尤其是拱腳處， 受地震的影響最大。

入射10%超越概率地震波時(shí)， 對(duì)于左隧道，注漿加固圍巖除左拱腳最大主應(yīng)力增大了5.7%以外， 其余部位都有不同程度的降低， 其中拱頂處降低幅度最大， 達(dá)到33.7%， 右拱腳降低幅度最小， 只有2.5%， 對(duì)于右隧道， 除右拱肩和拱頂處最大主應(yīng)力有所增大， 分別為2.1%、 9.5%， 其余部位都發(fā)生了降低， 但相對(duì)于左隧道降低幅度較小， 最大值只有11.4%。

入射2%超越概率地震波時(shí)， 雙側(cè)隧道各部位最大主應(yīng)力都有一定程度的降低， 整體降低幅度比10%超越概率地震波要大， 說(shuō)明注漿加固效果在2%超越概率地震波時(shí)更好， 左側(cè)隧道降低幅度最大的部位為右拱肩和右拱腰， 約為22.3%， 平均值約為15.5%， 右側(cè)隧道降低幅度最大的部位為左拱腰， 約為19.9.， 平均值約為11.3%。

3 結(jié)論與討論

通過有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證注漿加固圍巖對(duì)山嶺隧道洞口段的加固效果， 得出的主要結(jié)論有：

（1）注漿加固范圍為 1.5 m、 3 m、 4.5 m 時(shí)，注漿加固對(duì)拱頂沉降最大位移和最大加速度有一定的影響， 隨著注漿加固厚度的增大， 隧道各個(gè)部位的最大位移和最大加速度逐漸減小， 最大位移降幅發(fā)生在拱頂， 最小發(fā)生在仰拱。 最大加速度10%超越概率地震波降幅最大值發(fā)生在左拱腳， 2%超越概率地震波發(fā)生在拱頂。

圖5 入射10%超越概率地震波最大主應(yīng)力變化規(guī)律（單位：kPa）Fig.5 Variation law of the maximum principal stress of the incident 10% exceedance probability seismic wave（unit：kPa）

圖6 入射2%超越概率地震波最大主應(yīng)力變化規(guī)律（單位：kPa）Fig.6 Variation law of the maximum principal stress of the incident 2% exceedance probability seismic wave （unit：kPa）

表2 入射10 %超越概率地震波最大主應(yīng)力加固效果Table 2 Reinforcement effect of the maximum principal stress of the incident 10% exceedance probability seismic wave

表3 入射2%超越概率地震波最大主應(yīng)力加固效果Table 3 Reinforcement effect of the maximum principal stress of the incident 2% exceedance probability seismic wave

（2）2%超越概率地震波的最大主應(yīng)力大于10%超越概率地震波， 大約為2 倍左右， 隧道左側(cè)最大主應(yīng)力整體大于右側(cè)， 最大值部位為左拱腳處，最小值為仰拱處， 這與整個(gè)隧道洞口左側(cè)處于淺埋偏壓有關(guān)。

（3）注漿加固圍巖能夠減小隧道的應(yīng)力， 入射10%超越概率地震波時(shí)， 左隧道除左拱腳外其余部位都有不同程度的降低， 其中拱頂處降低幅度最大， 右隧道除右拱肩和拱頂處其余部位都發(fā)生了降低， 但相對(duì)于左隧道降低幅度很小。 入射2%超越概率地震波時(shí)， 雙側(cè)隧道各部位最大主應(yīng)力都有一定程度的降低， 整體降低幅度比10%超越概率地震波要大， 左側(cè)隧道降低幅度平均值約為15.5%， 右側(cè)隧道約為11.3%。

（4）注漿加固措施對(duì)山嶺隧道洞口段有一定的作用， 但降低幅度有限， 對(duì)于強(qiáng)震區(qū)尤其是軟弱圍巖段應(yīng)采用聯(lián)合加固措施， 如可以設(shè)置減震層或者設(shè)置一定長(zhǎng)度的抗震設(shè)防區(qū)， 保證隧道洞口段的抗震穩(wěn)定性。