減震層對(duì)淺埋雙洞隧道襯砌結(jié)構(gòu)的減震作用

白 哲，王海有，周海濤，鄭 超，張永存，薛 娜，肖 貝

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036； 2.平頂山市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 平頂山 467036；3.聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶，地震活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈，全國(guó)有超過(guò)一半的城市位于地震基本烈度Ⅶ度或Ⅶ度以上地區(qū)[1-3]。在1995年的日本阪神地震、2008年汶川地震和2013年雅安地震發(fā)生期間，大量地下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，顛覆了地下結(jié)構(gòu)天然抗震性能良好的傳統(tǒng)觀念，同時(shí)也促進(jìn)了各國(guó)學(xué)者對(duì)高烈度地震區(qū)隧道及地下結(jié)構(gòu)抗減震技術(shù)問(wèn)題的重新理解和認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了隧道及地下結(jié)構(gòu)抗減震理論的進(jìn)一步發(fā)展[4-7]。

已有眾多學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗減震措施進(jìn)行研究，結(jié)果表明：設(shè)置減震層等措施能在一定程度上減輕結(jié)構(gòu)的震害，并且隧道埋深越小，其受到的地震作用越強(qiáng)，引起的破壞程度越嚴(yán)重[8-10]。上述研究大多以單洞隧道為基礎(chǔ)，且主要分析地震對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，而針對(duì)雙洞隧道，分析地震對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響的研究較少?？紤]到我國(guó)大多數(shù)交通隧道是雙洞隧道，結(jié)構(gòu)內(nèi)力是影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直接因素，因此，有必要針對(duì)淺埋雙洞隧道，進(jìn)一步分析減震層對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的動(dòng)力影響規(guī)律，揭示雙洞隧道間的動(dòng)力相互影響，為淺埋雙洞隧道襯砌結(jié)構(gòu)的地震安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本文以河北省涿鹿縣宋家莊隧道為依托，通過(guò)研究減震層對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響及雙洞隧道的動(dòng)力相互作用，分析減震層的減震作用，為淺埋雙洞隧道的抗震設(shè)防提供參考。

1 工程背景

宋家莊隧道位于河北省涿鹿縣宋家莊村附近，隸屬于張(張家口)涿(涿州)高速公路，呈南北走向展布。隧道進(jìn)出口靠近省道寶平線，可通汽車，交通較為方便。宋家莊隧道為單向兩車道雙洞隧道，隧道左幅長(zhǎng)269 m，右幅長(zhǎng)288 m，雙洞間的平均凈距約15 m，屬淺埋小凈距短隧道。宋家莊隧道的外開(kāi)挖寬度為14.6 m，高度為10.8 m，平均埋深約29 m，采用六心圓曲墻拱形斷面。

隧道區(qū)位于太行山地區(qū)，隧道區(qū)地勢(shì)起伏屬重山區(qū)，地形較復(fù)雜，洞口處為巖石地貌，洞口坡度較陡，總體走向呈北東20°～40°。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆探揭露，隧道區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4al+pl)松散堆積土體和燕山期巖體(γ53)。在揭示范圍內(nèi)地層巖性為：第四系地層為全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，隧道區(qū)內(nèi)部分地段分布薄層角礫土；燕山期地層(γ53)巖性為粗粒二長(zhǎng)花崗巖，伏于第四系沖洪積層之下。

隧道區(qū)位于華北地震區(qū)，太行山前屬華北平原地震帶，根據(jù)河北省工程地震勘察院所提交的《張家口至涿州公路張家口段工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，隧道區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度值為0.2 g，對(duì)應(yīng)于地震基本烈度Ⅷ度，該區(qū)域的地震活躍性較強(qiáng)。

2 動(dòng)力計(jì)算模型及計(jì)算條件

2.1 模型范圍及材料參數(shù)

宋家莊隧道的外開(kāi)挖寬度B為14.6 m，平均埋深約為隧道寬度的2倍，即2B，雙洞間的平均凈距約等于隧道寬度，即1B。根據(jù)該隧道建筑界限、地形及地質(zhì)條件，并考慮到動(dòng)力計(jì)算的邊界效應(yīng)問(wèn)題，計(jì)算模型寬度沿兩隧道中線各向外取3B，合計(jì)8B；計(jì)算模型高度取隧道仰拱以下40 m，拱頂以上取2B；計(jì)算模型縱向長(zhǎng)度取50 m。建立實(shí)際工況模型，記為工況1，如圖1所示。工況1共有24 860個(gè)單元，27 027個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 實(shí)際工況模型

在隧道二次襯砌和初期支護(hù)之間加設(shè)一層橡膠基高分子復(fù)合材料作為減震層，厚10 cm，建立設(shè)置減震層的隧道模型，記為工況2。為考察雙洞隧道的相互影響，工況2又分為7種，分別記為工況2-1～工況2-7，對(duì)應(yīng)的隧道凈距分別為0.5B、B、2B、3B、4B、5B、6B。

各計(jì)算模型中，圍巖采用實(shí)體單元模擬，并采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則和彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系；二次襯砌為C20混凝土，厚度50 cm，采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬。地層、二次襯砌及減震層的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料計(jì)算參數(shù)表

2.2 地震波加載

在地下結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力時(shí)程分析中所采用的地震波主要有三種：擬建場(chǎng)地的實(shí)際地震記錄、有代表性的過(guò)去強(qiáng)震記錄和人工合成地震波。本文的動(dòng)力分析采用汶川地震波，考慮到計(jì)算時(shí)間的縮短，取前 10 s 進(jìn)行計(jì)算。隧道所在區(qū)域的地震動(dòng)峰值加速度值為0.2 g，相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，因此將汶川波的加速度峰值進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)際輸入的地震波加速度峰值為2.0 m/s2，其加速度時(shí)程曲線如圖2所示。

圖2 汶川波加速度時(shí)程曲線

2.3 阻尼及邊界條件

FLAC3D在動(dòng)力計(jì)算時(shí)，提供了3種阻尼形式，分別是瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。由于瑞利阻尼的理論與常規(guī)動(dòng)力分析方法類似，本文選用瑞利阻尼進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其臨界阻尼比取5%。在動(dòng)力分析時(shí)，邊界上會(huì)存在波的反射，對(duì)動(dòng)力分析結(jié)果產(chǎn)生影響。為減小邊界反射影響，在模型四周施加自由場(chǎng)邊界，如圖3所示。

圖3 實(shí)際工況模型的自由場(chǎng)邊界

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與分析

地震動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬分析過(guò)程分為三個(gè)步驟：第一步為設(shè)定自然地質(zhì)條件下的初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算；第二步為全斷面一次隧道開(kāi)挖襯砌之后的靜力平衡；第三步為施加動(dòng)力荷載后的地震動(dòng)力響應(yīng)分析。

3.1 減震層對(duì)豎向位移的影響

對(duì)工況1與工況2-2模型進(jìn)行數(shù)值模擬，記錄地震作用下襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)呢Q向位移，得到無(wú)減震層與設(shè)置減震層兩種情況下的拱頂豎向位移時(shí)程曲線，如圖4所示。

圖4 拱頂豎向位移的時(shí)程曲線

由圖4可知：拱頂?shù)某跏钾Q向位移約為-5.2 mm，負(fù)號(hào)表示初始位移是豎直向下的；無(wú)減震層時(shí)，最大正位移為20.8 mm，最大負(fù)位移為-45.6 mm，即拱頂位移在-45.6～20.8 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，其位移的振幅較大，達(dá)66.4 mm；設(shè)置減震層后，拱頂?shù)淖畲笳灰茷?9.8 mm，拱頂?shù)淖畲筘?fù)位移為-45.7 mm，即拱頂位移在-45.7～19.8 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，其位移振幅達(dá)65.5 mm；地震作用結(jié)束后，拱頂最終產(chǎn)生的豎向位移約為-16 mm，比初始位移增大了10.8 mm，表明在地震作用下襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大位移，可能會(huì)影響隧道的正常使 用；設(shè)置減震層后拱頂豎向最大正位移減小 1mm，約5%，拱頂豎向最大負(fù)位移基本不 變，表明設(shè)置減震層對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的峰值 位移有一定影響，但影響程度較小，這是因?yàn)?雖然減震層的彈性模量較低，但其厚度較薄， 僅為10cm，所以對(duì)位移的影響非常有限；兩 種工況下，拱頂位移時(shí)程曲線的形狀基本一 致，表明設(shè)置減震層并不會(huì)顯著改變襯砌結(jié) 構(gòu)的頻譜特性。

3.2 減震層對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

對(duì)工況1與工況2-2模型進(jìn)行數(shù)值模擬，記錄地震作用下襯砌結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)力，得到無(wú)減震層與設(shè)置減震層兩種情況下的襯砌結(jié)構(gòu)峰值內(nèi)力，如表2所示。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)力

由表2可以看出：設(shè)置減震層后，正、負(fù)彎矩分別減小16%、10%；峰值軸力減小8%；正、負(fù)剪力均減小22%；峰值剪力減小幅度最大，為22%，峰值軸力減小幅度最小，為8%；設(shè)置減震層后，襯砌結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)力均有不同程度的減小。

綜上所述，設(shè)置減震層對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的位移影響較小，而使襯砌結(jié)構(gòu)峰值內(nèi)力有相當(dāng)程度的減小，因此，通過(guò)設(shè)置減震層來(lái)減小襯砌結(jié)構(gòu)受力從而提高隧道抗震性能的手段是較為有效的。

3.3 雙洞相互影響

對(duì)工況2的7種模型進(jìn)行數(shù)值模擬，監(jiān)測(cè)其橫向峰值內(nèi)力，結(jié)果見(jiàn)表3；繪制內(nèi)力絕對(duì)值與隧道凈距之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

表3 襯砌結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)力(工況2)

由表3及圖5可知：隧道凈距從0.5B逐步增大到6B，峰值內(nèi)力分別降低12%、6%、5%、10%、11%，表明隨著隧道凈距的增大，襯砌結(jié)構(gòu)的橫向峰值內(nèi)力呈逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)隧道凈距超過(guò)5B后，峰值內(nèi)力逐步趨于一個(gè)穩(wěn)定值，并接近于單洞時(shí)的地震響應(yīng)；凈距對(duì)剪力的影響程度明顯高于對(duì)軸力的影響；隧道凈距較小時(shí)，兩隧道襯砌結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端的拱腳部位所受內(nèi)力較大，是設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)加強(qiáng)的部位；地震波在兩個(gè)隧道之間反復(fù)相互作用，引起兩洞室之間產(chǎn)生明顯的相互作用，并且隧道間距越小，其相互作用越強(qiáng)烈。

圖5 內(nèi)力絕對(duì)值與隧道凈距的關(guān)系

4 結(jié)論

以河北省涿鹿縣宋家莊隧道為依托，通過(guò)研究減震層對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響及雙洞隧道的相互作用，得到以下結(jié)論：

(1) 設(shè)置減震層并不會(huì)顯著改變襯砌結(jié)構(gòu)的頻譜特性，但可以減小傳遞至隧道襯砌結(jié)構(gòu)的地震能量，從而使襯砌結(jié)構(gòu)的峰值內(nèi)力與峰值位移有所減小，但減震層對(duì)峰值內(nèi)力的減小幅度大于對(duì)峰值位移的減小幅度。

(2) 隧道凈距越小，其襯砌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)就越強(qiáng)烈，表明雙洞隧道之間存在明顯的相互作用；隨著隧道凈距的增大，襯砌結(jié)構(gòu)峰值內(nèi)力逐漸減小，并逐漸接近單洞時(shí)的地震響應(yīng)。

(3) 雙洞隧道襯砌結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端的拱腳部位所受內(nèi)力較大，在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)加強(qiáng)，通過(guò)設(shè)置減震層來(lái)減小襯砌結(jié)構(gòu)受力從而提高隧道抗震性能的手段是較為有效的，所得結(jié)論可為今后高烈度地震區(qū)淺埋雙洞隧道的抗震設(shè)防提供一定參考。