強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段剛?cè)岵?jì)抗震技術(shù)研究

蔣夢新 邱楓博 劉久明 崔光耀

(北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144)

隨著我國隧道建設(shè)的快速發(fā)展，隧道修建時(shí)所面臨的埋深大、縱深長、地質(zhì)條件復(fù)雜、修建難度大的情況隨之增多[1]。在5.12汶川大地震中，與隧道其它部分相比，隧道洞口段，特別是淺埋洞口段，結(jié)構(gòu)破壞更為嚴(yán)重[2]。因此，有必要對強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段的抗震技術(shù)進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)外隧道抗震、減震措施研究主要有：通過對兩種工況“圍巖-初支-減震層-二襯”、“圍巖-減震層-初支-二襯”的減震效果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)“圍巖-初支-減震層-二襯”的隧道結(jié)構(gòu)在新奧法施工方面更具優(yōu)勢[3]；通過建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析隧道減震層的減震機(jī)理與減震機(jī)制，發(fā)現(xiàn)隧道設(shè)置減震層可有效降低裂縫數(shù)量與尺寸[4]；通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與理論推導(dǎo)，對隧道減震層的減震原理進(jìn)行分析[5]；通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)行鋼纖維混凝土襯砌模型承載能力和受力特性研究，發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)采用單層鋼纖維混凝土二次襯砌后，隧道各項(xiàng)受力特性均有所改善[6-7]；以實(shí)際工程為背景，利用數(shù)值分析軟件，對高烈度地震區(qū)隧道結(jié)構(gòu)的抗震、減震綜合措施進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)針對不同實(shí)際工程對抗震、減震措施進(jìn)行不同組合時(shí)，隧道工程可以更加經(jīng)濟(jì)、安全[8-10]。綜上可知，目前研究多集中于分別對隧道設(shè)置減震層、圍巖注漿與采用鋼纖維混凝土作為襯砌材料時(shí)的抗震、減震效果進(jìn)行研究，對于強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段同時(shí)采用抗震、減震措施的研究較少。

本文以樊家寨隧道芒市進(jìn)口段為研究背景，利用ABAQUS進(jìn)行工程模擬，與無措施(素混凝土二襯)隧道模型計(jì)算工況對比，對隧道洞口段使用“圍巖-初支-減震層-鋼纖維混凝土二襯”結(jié)構(gòu)時(shí)的剛?cè)岵?jì)抗震技術(shù)進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段采用抗震、減震綜合措施的類似工程提供參考。

1 研究概況

1.1 工程地質(zhì)概況

由地質(zhì)勘探資料可知，隧址區(qū)所經(jīng)過的梁河、盈江、戶撒、隴川盆地為“歹”字型構(gòu)造所控制，并由大盈江斷裂、殿廣～平山斷裂、瓦得龍斷裂沉陷而成，堆積了第四系地層，基底為元古代黑云母花崗巖，周邊為構(gòu)造剝蝕中山區(qū)。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，隧址區(qū)未見有泥石流、滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用發(fā)育，場地較穩(wěn)定，不易富集形成穩(wěn)定的地下水位，不存在土壤污染，適宜進(jìn)行隧道建設(shè)。

1.2 計(jì)算模型

以樊家寨隧道芒市進(jìn)口段為依托，利用ABAQUS軟件建立有限元計(jì)算模型。模型圍巖遵從摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，由上至下依次為粉質(zhì)粘土、Ⅴ級、Ⅳ級、Ⅲ級、Ⅱ級圍巖，模型橫向長約39 m，縱向長約10 m，豎向長約80.05 m，底部為20 m厚Ⅱ級基巖。模型初支厚度為25 mm，減震層厚度為10 mm，二次襯砌厚度為50 mm。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

1.3 模型參數(shù)

計(jì)算模型以C25噴射混凝土作為初支材料、泡沫橡膠板作為減震層材料、CF25鋼纖維混凝土(鋼纖維摻量為42 kg/m3， 以下簡稱SFRC)與C25素混凝土作為二襯結(jié)構(gòu)材料。模型材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)表

1.4 計(jì)算工況

為進(jìn)行強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段剛?cè)岵?jì)抗震技術(shù)研究，選取“C25素混凝土二襯”(工況Ⅰ)與“CF25鋼纖維混凝土二襯+初支與二襯之間設(shè)置10 cm厚減震層”(工況Ⅱ)計(jì)算工況，從隧道模型計(jì)算結(jié)果中提取位移、應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)，對采取剛?cè)岵?jì)抗震技術(shù)后的抗震效果進(jìn)行分析。

1.5 監(jiān)測點(diǎn)布置

為方便對不同工況下襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評價(jià)分析，在隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算深度中間部位取一監(jiān)測面，監(jiān)測面上各監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

1.6 動(dòng)力荷載

計(jì)算模型動(dòng)力荷載采用汶川(臥龍測站)8度地震波，經(jīng)過濾波軟件矯正后的加速度時(shí)程曲線(以Z向?yàn)槔?，如圖3所示。

圖3 Z向加速度圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力云圖，如圖4～圖6所示。

圖4 最大主應(yīng)力云圖

圖5 最小主應(yīng)力云圖

圖6 剪應(yīng)力云圖

由圖4～圖6可知，工況Ⅰ(素混凝土二襯)襯砌結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力極值與剪應(yīng)力極值均出現(xiàn)在左拱腳附近；工況Ⅱ(SFRC二襯+10 cm厚減震層)最大、最小主應(yīng)力極值出現(xiàn)在右拱腳附近，剪應(yīng)力極值出現(xiàn)在左拱腳附近。

從圖4～圖6中提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力極值與剪應(yīng)力極值，與工況Ⅰ對比，分析工況Ⅱ的抗震效果，結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)力極值及抗震效果表

由表2可知，與無措施(工況Ⅰ)相比，采取措施后(SFRC 二襯+10 cm厚減震層)，二襯結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力極值與剪應(yīng)力極值有明顯降低。其中，最大主應(yīng)力極值由1.603 MPa降低到1.267 MPa，抗震效果為20.96%；二襯結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力極值由-5.925 MPa降低到-5.189 MPa，抗震效果為12.42%；二襯結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力極值由5.744 MPa降低到5.065 MPa，抗震效果為11.82%。

2.2 結(jié)構(gòu)位移分析

提取工況Ⅰ、工況Ⅱ二襯結(jié)構(gòu)X，Y，Z共3個(gè)方向位移的合位移云圖，如圖7所示。

圖7 合位移云圖

從圖7中提取二襯結(jié)構(gòu)合位移最大值，分析工況Ⅱ相對于工況Ⅰ的抗震效果，合位移最大值及抗震效果如表3所示。

表3 合位移及抗震效果表

由表3可知，與工況Ⅰ相比，采取措施(SFRC 二襯+10 cm厚減震層)后，二襯結(jié)構(gòu)合位移最大值大幅度減少，由18.69 mm減少至10.42 mm，抗震效果為44.25%。

2.3 結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

為分析二襯結(jié)構(gòu)安全性，從隧道洞口段模型計(jì)算結(jié)果中提取出相關(guān)數(shù)據(jù)，得出各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)，如圖8所示。與工況Ⅰ(素混凝土二襯)為對比，由 式(1)分析工況Ⅱ(SFRC二襯+10 cm厚減震層)的抗震效果，分析結(jié)果如表4所示。

表4 安全系數(shù)及抗震效果表

圖8 監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)圖

二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)抗震效果:

(1)

式中：ρk——安全系數(shù)抗震效果；

K1——監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)(工況Ⅱ)；

K0——監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)(工況Ⅱ)。

由表4可知，二襯結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)系數(shù)最小值出現(xiàn)在左拱腳處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于隧道結(jié)構(gòu)安全性要求。無措施(工況Ⅱ)時(shí)，二襯結(jié)構(gòu)監(jiān)測面各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)最小值為0.756，采取措施(工況Ⅱ)后，二襯結(jié)構(gòu)監(jiān)測面各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)最小值為2.214，抗震效果為192.86%。

3 結(jié)論

本文以樊家寨隧道芒市進(jìn)口段為依托工程，利用ABAQUS軟件建立模型分析，開展強(qiáng)震區(qū)隧道洞口段剛?cè)岵?jì)抗震技術(shù)研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛?cè)岵?jì)抗震措施后，二襯結(jié)構(gòu)的最大、最小主應(yīng)力與剪應(yīng)力極值均有不同程度的降低，其中，最大主應(yīng)力極值減少0.336 MPa，抗震效果為20.96%，最小主應(yīng)力極值減少0.736 MPa，抗震效果為12.42%，剪應(yīng)力極值減少0.679 MPa，抗震效果為11.82%。

(2)二襯結(jié)構(gòu)位移方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛?cè)岵?jì)抗震措施后，二襯結(jié)構(gòu)合位移最大值有明顯減小，減小8.27 mm，抗震效果為44.25%。

(3)二襯結(jié)構(gòu)安全性方面，與“素混凝土二襯”相比，采取“SFRC 二襯+10 cm厚減震層”的剛?cè)岵?jì)抗震措施后，二襯結(jié)構(gòu)監(jiān)測面各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)均有明顯的增加。其中，監(jiān)測面各監(jiān)測點(diǎn)最小安全系數(shù)最小值由0.756增加至2.214，抗震效果為192.86%。